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第一节 四轴飞行器的结构 四轴飞行器由四个高速电机（M1、M2、M3、M4）带动两对正反桨提供飞行动力，四个电机前后、左右对称分布在机体四个顶点上，四个螺旋桨处于同一平面，且四个螺旋桨的尺寸相同，对角线上的两个电机分为一组，每组电机旋转方向相同，两组电机的旋转方向相反，分别安装正桨和反桨，由此可以抵消反扭力矩。根据四轴飞行器飞行过程中定义的机头方向不同，可分为“十”型飞行模式和“X”型飞行模式两种。如图2-1和图2-2所示。四轴飞行器机架中部空间为飞行器的控制核心，犹如人体的大脑，安装飞行控制单片机和一些用于检测飞行姿态的传感器。飞行过程中只需改变四个旋翼的转速即可实现前后，左右，上下，水平左右旋转，甚至360度翻转等各种复杂运动。 第二节 四轴飞行器的各个重要部件 四轴飞行器主要由四个电机（M1、M2、M3、M4），两对正反桨、四个电子调速器（ESC），简称电调、主控板和通信模块组成。主控板中包含陀螺仪，加速度传感器，气压计，磁传感器等各种用于飞行控制的传感器。电源一般选用高倍率锂电池，悬挂于中下部。其电气连接如图2-3所示。
一、电机 直流无刷电机 直流有刷电机的最大特点在于，电机内部有电刷和换向器，电刷和换向器的使得有刷电机需要定期维护。[而且电刷的摩擦会产生电火花和电磁干扰，因此在一些特殊场合是无法使用有刷电机的。 相对直流有刷电机，直流无刷直流电机是没有电刷，使他们几乎不需要维护，无刷直流电机不会产生电火花和电磁干扰，其可以在危险的操作环境（易燃品）中使用。无刷直流电机还有良好的重量/尺寸功率比，具有较小的转动惯量，线圈被连接到定子上。换向是由电子器件控制，换向时间、通过位置由传感器或者线圈反电动势的测量提供。 在搭建四轴飞行器时我们要考虑两方面因素，首先是无刷电机的机械结构：包括外形尺寸，外径、长度、轴径、重量等；另一方面就是无刷电机的电气指标，电压范围、最大电流等。在衡量无刷电机电气特性时有一个重要的电气指标，就是KV值。KV值的物理学意义是每增加1V电压，增加的转速。单位：rmp/V，用于衡量电机转速对电压增加的敏感度。例如KV1800的电机，那么每增加1V的电压，电机每分钟转速提高1800转。 二、桨 四轴飞行器为了抵消由于桨旋转而产生的扭矩，相邻两个的桨旋转方向是反向的，因此这就需要正反桨。正反桨的动力都向下，在满足动力下的情况下，顺时针旋转的叫正浆、逆时针旋转的是反浆。用于四轴飞行器的主要有三叶桨和两叶桨。从尺寸上来说。常见的是大两叶桨，小三叶桨。 在实际情况中，如果使用高KV的电机配大桨，因为电机转动力量不够，那么动力输出就很困难，实际上电机还是被迫保持低速运转，长时间运转下电机和电调很容易烧毁。如果低KV的电机配小桨，可以正常运行，但是由于转速太低，桨无法提供足够的升力，四轴飞行器根本无法起飞。表2-1就提供了郎宇X2212 KV980电机搭配不同尺寸和不同输入电压下的一些测试数据。测试发现，KV980电机，配1047的两叶桨，效率最高。
四、机架 （一）机架的机械结构 四旋翼飞行器机架在设计时，首先自身要尽量保持对称，保证重心的位置，其次才能保证后续电气元件安装的顺利进行。机架的重心应调整至与各旋翼产生相同大小拉力时的“合力”点上，这样，四轴飞行器在悬停时就能保持相同的拉力，从而转速也相差不多。然而如果重心偏离了合力点，四轴飞行器悬停时飞控需要改变四个电机的差速，从而改变电机拉力的大小，来平衡由于合力点相对重心的偏移而产生的扭矩，偏移距离越大，需要调节的速度差越大，而四旋翼飞控正是通过转速差来修正姿态的，悬停时若存在速度差，会导致姿态修正能力下降（因为拉力组合变化范围变小了）。因此,在设计机架时，首先要找到其合力点，最后要通过调整设备安装位置将重心调整到这个点。 五、电源 上文提到伦敦大学玛丽皇后学院的同学成功制作了一台利用太阳能电池板供电的四轴飞行器，但是其飞行的动作幅度，和负载能力，会受到很大的限制。目前绝大多数四轴飞行器采用的是高倍率锂离子电池供电。 单节锂电池的标称电压为3.7V，通常锂电充满电，大概会是4.2V，放完电，大概会是3.0V。另外电池容量也是有一定设计限度的，所以，通常将单节锂电池进行串联、并联处理，来满足不同场合的需求。单节锂电池称为1S，两节锂电池串联称为2S,电压为7.4V，以此类推。 通常半径在450mm的四轴飞行器采用的的是2200mAh，3S、30C的倍率电池，其标称电压为11.1V，最大放电电流可达到66A。 （六）主控板(飞控) 飞控是四轴飞行器的控制核心，犹如人的大脑，飞控用来保持四轴飞行器的飞行稳定，发出指令改变四轴飞行器的飞行姿态，其性能的优劣直接决定了四轴飞行器的性能。随着电子硬件的快速发展，目前对飞控的研究主要集中在软件算法上。目前常见的飞控有KK、KK flycam、NAZA-M、MWC、APM、玉兔、FF等等，其中大部分是开源项目，很多模友共同交流、开发，为飞控性能的提升做出了很大的贡献。 陀螺仪、加速度传感器、大气压传感器、磁传感器在四轴飞行器中的作用可以概括为： 1、陀螺仪输出的是角速度，这就需要对角速度进行时间积分计算角度，这样我们可以知道四轴飞行器在某一段时间内的角度变化。由于陀螺仪的的测量基准是自身，没有系统外的绝对参照物，积分时间又不可能无限小，所以积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加，最终导致输出角度与实际不符，所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间内。 2、加速度测量的是重力方向，有系统外绝对参照物“重力轴”，在无外力加速度的情况下，能准确输出四轴飞行器ROLL/PICH两轴姿态角度。但是加速度传感器实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变，而惯性力与重力本质就是一样的，所以它就不会区分重力加速度与外力加速度，当四轴飞行器在三维空间做变速运动时，它的输出就不正确了。 结合陀螺仪和加速度传感器各自的优缺点，我们只要给陀螺仪加上加速度传感器提供的绝对的水平和航向参考。就能准确反映四轴飞行器的姿态变化。 3、大气压传感器是用来测量四轴飞行器的飞行高度的，作用是让四轴飞行器能够实现定高飞行。为了测量海拔高度时，传统的测量方法是通过测量某一高度的大气压力，再经过数学计算得到海拔高。 4、磁场传感器的主要作用给四轴飞行器提供一个方向的基准。四轴飞行器在设计上依靠调节四个电机的转速，来达抵消扭矩，这就需要是利用地球南北极磁场提供一个基准。如果不使用磁场传感器，四轴飞行器在悬停时，会自我旋转，无法保持机头的锁定。
四轴飞行器稳定飞行的前提是获取自身姿态数据，在第二章、第二节中我们介绍了MWC开源固件，在接下来的调试中就是基于MWC固件进行四轴飞行器的参数调整。我们的硬件采用的是MultiWii StandardEdition(SE) v2.0，基于Arduino Pro Mini设计，使用ATmega328P单片机。获取姿态数据的核心传感器是MPU6050。 第三节 四轴飞行器PID控制算法一、PID控制原理 PID调节器是一种线性调节器，它将输入量r(t)与实际输出量c(t)的差值的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 PID各校正环节的作用 比例环节P：当控制系统产生偏差时，调节器立即产生作用，按照比例的控制系统偏差，以达到消除偏差的作用。 积分环节I：主要用于消除静差，为了维持一定的输出，比例调节不可能完全消除误差，积分环节的作用就是对这个静差进行积分使输出继续增大或减小，一直到误差为零。 微分环节D：微分作用体现的是系统的前瞻性，有效的预测误差的变化趋势。在并偏差信号的变得太大之前，在系统中引入一个有效的修正信号，从而加快系统的相应速度，减小调节时间。 二、位置式PID和增量式PID （一）位置式PID
位置式PID主要用于计算机的输出u(k)直接控制执行的机构，如控制一个电液伺服阀，u(k)的值与电液伺服阀的阀门开度一一对应。 （二）增量式PID
增量式PID中计算机的输出只是控制量的增量Δu(k)，而不是执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。 三、四轴飞行器的PID控制原理 在4.2节中对陀螺仪和加速度传感器的数据进行采集，能够得到四轴飞行器的机体坐标系和惯性坐标系的相对角度变化，即能够通过对四轴飞行器的角度控制完成飞行控制过程，实现飞行器的稳定飞行。根据四轴飞行器的控制特点，我们每次只是在已有位置基础长改变控制量的增量，因此我们采用采用位置式PID控制。
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厉害了
