四轴飞行器的实现原理传感器电机与电调飞行控制器机架四轴飞行器实践教程大学霸

四轴飞行器的实现原理传感器电机与电调飞行控制器机架四轴飞行器实践教程大学霸

1.3  四轴飞行器的原理和组成四轴飞行器的实现原理传感器电机与电调飞行控制器机架四轴飞行器实践教程大学霸

在真正开始四轴飞行器（四旋翼飞行器）的制作之前，我们先来了解一下四轴飞行器的基本组成和原理。除了了解必要的理论原理外，还需要知道四轴飞行器的四个部分——机架、飞控、传感器和电机与电调。

1.3.1  四轴飞行器的实现原理

四轴飞行器是在空气中飞行的飞行器。为了获得廉价的动力，它只能利用空气动力，不能像火箭一样飞行。所以四轴飞行器的动力、偏航的动作只能依靠与空气的作用来实现。如图1.13是四轴飞行器的力学简化图（四轴飞行器有两种模式，这里只举其中一种为例）。

图1.13  四轴飞行器简化力学图

图1.13中的F₁、F₂、F₃和F₄的大小由桨的转速决定。转速越大力越大，转速越小力越小，这样通过控制四个力的大小变化就可以实现四轴飞行器的前进、后退、转向（偏航）和旋转。

1.3.2  四轴飞行器的安装平台——机架

在四轴飞行器中机架（如图1.14）相当于人体的骨骼，机架决定了飞行器的主体结构。机架是飞行器的基础平台，电机、电调和飞控板（飞行控制器）等设备都要安装在机架上面。机架的主要作用如下：

图1.14  机架

q  提供安装接口。这些接口包括安装和固定电机、电调、飞控板的螺丝孔。

q  提供整体的稳定和坚固的平台。飞行器飞行过程中需要一个稳定坚固的平台，这样可以使得电机转动过程中不会毁坏其他设备，并为传感器提供一个稳定平台。

q  起落架等缓冲装备。这些可以在为飞行器提供安全的起飞和降落条件，避免损坏其它仪器。

q  保证足够低的质量（重量）。这样就可以给其他控制设备提供更多的余量。

q  提供相应的保护装置。这里的保护装置用于保护飞行器本身，和可能接触到的操作人员。因为飞行过程中会存在各种不可预知的情况，一定的保护措施可以保护器械和其他人员，减少不必要的损失。

1.3.3  四轴飞行器的控制系统——飞行控制器

飞行控制器也可以称为飞控（如图1.15）。其主要作用是处理飞行参数，也就是说飞行器飞行过程中的稳定和运动方向都由飞控来控制。所以飞控是四轴飞行器的核心部件，他的性能直接决定了四轴飞行器的性能。同时，如果要安装其他扩展功能时都需要与飞控交换数据，这样才能提供更好的辅助功能。

图1.15  飞行控制器

具体来说，四轴飞行器的飞控板的功能有两点：第一，接受来自遥控器的信号，控制电调的输出，进而调整螺旋桨的转速来调节飞行器起飞、悬停、俯仰、滚转、偏航、降落等动作；第二，通过板载的一系列测量元件，在起无控制的情况下，通过电调输出，控制四轴飞行器稳定，保证一定的高度。

飞控板可以购买现成的完整板，同样也可以自己制作，但是需要懂得相应的编程和电子电路知识。

1.3.4  四轴飞行器的动力——电机与电调

电调（如图1.16）的全称为电子调速器（Electronic Speed Controller，ESC）。飞控可以通过控制电调来达到控制电机转速的快慢，从而实现控制飞行器的飞行姿态。

图1.16  电调

电机（如图1.17）是四轴飞行器的主要动力来源，同时也跟飞行器的飞行姿态密切相关。电机的转速快慢决定了飞行器可以承载的重量，同时其转速改变的快慢可以影响飞行器姿态的变换。

图1.17  电机（未组装）

1.3.5  四轴飞行器的——传感器

传感器是四轴飞行器感知世界的仪器，每个飞行器要想达到很好的飞行姿态，就必须有一个或多个传感器。首先，要想实现四轴飞行器飞行必须安装的传感器是陀螺仪（如图1.18），陀螺仪可以提供飞行时的平衡参数。这里的平衡参数可以告知飞控现在飞行器平衡状态，或者可以说是告诉飞控现在飞行器的机架与水平面的关系。通过这些参数，飞控可以控制飞行器平稳飞行。如果你要想四轴飞行器有更好更稳定的飞行状态，还需要加速度传感器提供额外的参数抵消掉陀螺仪参数计算时的误差。而现在有了集合了陀螺仪和加速度传感器的装置如图1.19就是其中一种。这个样对于飞控板的开发更加更加方便，而且节省了更多空间。

图1.18  陀螺仪示例                       图1.19  MPU-6050

除了上面提到的陀螺仪和加速度传感器是必须加装在四轴飞行器上外，我们还可以添加一些自己需要他传感器或其他硬件。这些传感器可以是：超声波传感器（图1.20），使四轴飞行器识别与物体的距离，避免撞上其他物体；摄像头，通过图像识别软件识别物体，可以让飞行器接受图像指令实现相应操作，可以识别人体。

图1.20  超声波传感器图1.21  红外传感器四轴飞行器的实现原理传感器电机与电调飞行控制器机架四轴飞行器实践教程大学霸