四轴程序学习apmpx4ardupoilotapm 1.docx
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四轴程序学习apmpx4ardupoilotapm1
四旋翼飞行器搭建教程
(译自————加里斯.欧文)
本文将带你通过建立自己的飞行控制器(飞空软件),同时教你工作的具体细节。
这些信息很难找到,特别是那些本身就不是航天工程师的人!
就我个人而言,我用了六个月,因为我花费了太多的时间查找bug和调试bug,但通过这篇文章你可以短期收获同样的经验。
我会教你避开陷阱,这样你就不会像我一样浪费时间。
第一个关键是你对硬件的选择。
我选择从零开始建立自己系统,在这一阶段的时候我都不知道RC(remotecontrolled遥控;radiocoding无线电编码;)和飞行器是如何飞行的,这是一个巨大错误。
开始我以为,通过自行购买附加电路,芯片和传感器能省很多钱,结果最终我花了一大笔钱!
放过自己吧,直接去购买ardupilot2.5控制板,组装你的直升机,了解遥控,了解飞行原理,然后回到这里。
这个板子本质上是只是一个连有一些传感器Arduino(开源主控板,可查
本项目(ardupilot)由3DRobotics提供赞助,这意味着他们销售所设计的硬件获利,并将所得利润回馈社区。
该软硬件是完全开源的,所有人可以免费复制下载。
你可以直接从他们那里购买,或者从Hobbyking(namedHKPilot)andRCTimer(namedArduFlyer).购买相同的拷贝件。
在这篇文章中,我将假定您有ardupilot硬件——其本质上上是附传感器Arduino。
如果你选择忽视我的建议,并且建立自己的硬件,或使用Arduino电路板,那么您需要更换的底层代码(HAL库)。
我也会以为你在X配置(x型四旋翼),+/X(两种四旋翼配置)和六/八旋翼飞行器之间切换(只是不同的电机的组合),配置的改变不会让它在本文有任何实质性的区别。
理想的情况是,你已经飞行过加载了arducopter代码的四旋翼,因此你应该将电机连接如下所示的位置和旋转方向。
我也要假设你有一些arduino的经验,或至少是C/C++的经验。
Arduino库不是特别智能的或适合,所以我们将使用一些更加合适的的ardupilot库。
然而,我们会尽量少使用、最小幅度的使用,以提供DIY式解决方案的支持(这就是为什么你在这里毕竟)。
我们将要使用的第一和主要库是ardupilot硬件抽象层(HAL)库。
这个库试图隐藏了底层的区别,例如你如何读取和写入引脚和其它一些东西——其优势是,软件可移植到新的硬件,只需更换硬件抽象层。
在ardupilot的情况下,有两个硬件平台,APM和PX4,每一个都有自己的底层库允许ardupilot代码运行。
如果您稍后决定在RaspberryPi上运行你的代码,你只需要改变硬件层代码。
硬件层是由如下几个部分组成:
RCInput无线输入——阅读RC无线电rcinput-。
RCOutput无线输出——用于控制电动机和其它输出rcoutput-。
Scheduler计划表——运行特定的任务在固定时间间隔调度程序-。
console控制台——提供访问串行端口。
I2C,SPI——总线驱动程序(用于连接传感器小电路板网络)
GPIO——一般目的的输入/输出——允许直接访问Arduino引脚,但是在我们的案例中,主要的发光二极管
如何下载:
你需要下载Arduino的IDEardupilot版。
还需要将库文件放在你的延伸文件夹中。
还要确保你选择你的板类型像Arduino的菜单这样:
ReadingtheRadioInputs
读取无线电输入
我们的飞行控制系统要读取无线电输入信号(飞行指令),测量四旋翼的实时的姿态(偏航/俯仰/滚动),改变电机的转速——以适应四旋翼按照我们所期望的方式飞行。
所以让我们开始通过无线电开始学习。
RC接收机有几个输出,有好几个通道(或称为棒/开关/旋钮)。
无线电输出的50Hz脉冲,这个脉冲的宽度是由无线电发射机的摇杆位置决定的。
通常情况下,脉冲持续1000us到2000us长并有18000us到19000us的间隙,所以表示0的油门会产生一个1000us的脉冲,表示完全的油门则有2000us长。
可悲的是,大多数的接收机是不准确的,我们通常要测量每个杆位的最小或最大值脉冲宽度(这我们接下来将要做的)。
Ardupilot的底层库,为我们做了测量这些脉冲宽度的痛苦工作。
如果你自己编写这些代码,你需要中断其他工作并用定时器来测量无线电信号——analogreadArduino不适合做这项工作,因为它占用了处理器全部的计算容量,虽然它可以测量,但是同时也阻止我们其他事。
(即Arduino是单线程软件,无法同时做两项工作)实现一个测量信号的工作并不难,让这种程序持续1个小时甚至更长是很普通的事,我们不是只做这么简单的程序。
下面是一些使用APM底层库,测量通道“值”的代码的简单例子。
通道“值”就是测量毫秒级的脉冲宽度。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
constAP_HAL:
:
HAL&hal=AP_HAL_AVR_APM2;//Hardwareabstractionlayer
voidsetup()
{
}
voidloop()
{uint16_tchannels[8];//arrayforrawchannelvalues
//ReadRCchannelsandstoreinchannelsarray
hal.rcin->read(channels,8);
//Copyfromchannelsarraytosomethinghumanreadable-arrayentry0=input1,etc.
uint16_trcthr,rcyaw,rcpit,rcroll;//Variablestostorercinputrcthr=channels[2];
rcyaw=channels[3];
rcpit=channels[1];
rcroll=channels[0];
hal.console->printf_P(
PSTR("individualreadTHR%dYAW%dPIT%dROLL%d\r\n"),
rcthr,rcyaw,rcpit,rcroll);
hal.scheduler->delay(50);//Wait50ms
}
AP_HAL_MAIN();//specialmacrothatreplace'soneofArduino'stosetupthecode(e.g.ensureloop()iscalledinaloop).
创建一个新的草稿脚本,并将该脚本上传到Ardupilot硬件上。
使用串行记录仪纪录下每个通道的最大和最小值。
(同时将脉冲调至极限)
现在让我们来衡量脉冲的“值”,以显示他们所含有的意义。
我们要使用一种称为Map的功能,这是一种确定一个数值在某一区间将其判读为另一“值”的功能。
例如,有一个50的数值,在0——100之间,而我们想要将他放入0到500这个区间来衡量,Map的功能将会定义其为250,并返回250这个值。
Map功能会在你引用并定义(#include&defines)之后被启用(从Arduino库中引用)
longmap(longx,longin_min,longin_max,longout_min,longout_max)
{
return(x-in_min)*(out_max-out_min)/(in_max-in_min)+out_min;
}
这样使用Map功能:
result=map(VALUE,FROM_MIN,FROM_MAX,TO_MIN,TO_MAX).
你会感到仍然没有接触到油门,毫无疑问你会对于自己没有参与建立油门的判读而感到高兴,这个阀值是由电调生成的(如果你是按照我的建议做的)。
俯仰和翻滚在正负45度之间会被测量,当然你也可以设定为正负150度。
我的loop()函数现在看起来像,更换为测量最大最小杆位的Map功能。
我们也会改变函数类型,变为long型,以支持负数。
longrcthr,rcyaw,rcpit,rcroll;//Variablestostorercinput
rcthr=channels[2];
rcyaw=map(channels[3],1068,1915,-150,150);
rcpit=map(channels[1],1077,1915,-45,45);
rcroll=map(channels[0],1090,1913,-45,45);
俯仰在杆位向前是是负的,翻滚或偏航在杆位向左是负的。
如果实际操控中不对,请调整到正确位置。
你现在应该输出这些值,并在串行接口上面观察数据。
理想状态下,当杆位在中间的时候,这些值应该为零(除了thr变量)。
调试最大最小值,直到合适为止。
这些数据会有一些扰动(在真值上下浮动)因为摇杆是模拟信号输出,所以会有1度到2度的偏差。
一旦你能够将你的四旋翼飞起来的时候,你就会考虑回到这里介绍均值滤波器。
确保向前倾斜,滚动和偏航为左时,数值为负数——如果不是的,请将Map函数前改为负函数。
当然你也要确保当你增加油门值时,实际油门值也会增加。
Controllingthemotors
控制电机
电机是由电调来控制的,他们的工作脉宽大约有1000us和2000us和无线接收机一样——脉宽为1000us意味着无,而脉宽为2000us意味着有。
电调被设定为接受50Hz的信号,但是大多数电机将5-10个储存的值平均后,再发送给电机。
这种模式也可以在四旋翼上使用,如果将平均滤波效应最小化,四旋翼会表现的更好。
因此,APM底层库的脉冲工作在490Hz,这意味着5到10个脉冲将会快速被平均,很大程度上减小了滤波效应。
在setup()函数中,可以这样输出:
hal.rcout->set_freq(0xF,490);
hal.rcout->enable_mask(0xFF);
在你引用之后,让我们定义一下每个Mapping输出的电机名字——mapping的输出口名与四旋翼(Arducopter)使用的一样,只不过是从零开始而已。
(编程中从0开始命名,所以四个电机的命名是0到3,四旋翼四个电机则是1到4)
#defineMOTOR_FL2//Frontleft
#defineMOTOR_FR0//Frontright
#defineMOTOR_BL1//backleft
#defineMOTOR_BR3//backright
你的loop函数里,读取无线电信号后,将这个无线电阀值直接输出给电机
hal.rcout->write(MOTOR_FR,rcthr);
你现在可以编程你的四旋翼并实验他,注意一定是不带螺旋桨的。
缓慢的提高阀值和前右电机的旋转速度。
再说一次,如果所有电机带了螺旋桨,都会旋转起来,但是四旋翼还是会坠毁。
我们需要的是稳妥的做法,四旋翼的电机,电调,支撑架等等,都会略有不同,意味着施加在每个电机上的力略有不同,这意味着四旋翼永远不会真正意义上的水平。
*以下内容出于安全原因而省略*
DeterminingOrientation
确定位置、方向
接下来就是定向了,或者说确定四旋翼的姿态。
我们可以这样,通过飞行指令改变电机的速度。
有两个传感器来定向,加速计和陀螺仪。
加速计测量每一个方向的加速情况,(重力是加速的原因之一,通过重力我们能确定地面方向)陀螺仪则测量角速度。
(例如没一个轴的旋转速度。
)然而,加速度计对振动非常敏感,不是特别灵敏;而陀螺仪是高度灵敏,且抗振动,但容易浮动。
(静止时也会显示1到2度每秒的角速度)所以,我们使用一个将两个传感器数据结合起来的融合算法,并得到两全其美的结果-这样的算法的不再本文的讨论范围之内。
该算法通常是一个卡尔曼滤波器,或在ArduPilot的情况下,直接余弦矩阵(DCM)。
我提供了DCM的链接,如果你有一个数学背景并对此感兴趣;其余的人,我们不需要知道其具体细节。
值得庆幸的是,我们可以使用MPU6050传感器芯片,该芯片含有加速计和陀螺仪并有一个内置的数字运动处理单元(传感器融合)。
它将所有值融合起来,并给我提供了一个四元数值。
四元数值是一种不同的提供定位方式(相对于欧拉角:
航向偏转),如果你已经进行了三维编程并且对此十分熟悉,你会发现四元数值有一定优势。
为了方便起见,我们更倾向于使用欧拉角并且使用欧拉角编程而不是四元数值。
此段代码就是接合MPU6050传感器的代码
在setup()函数中
//Disablebarometertostopitcorruptingbushal.gpio->pinMode(40,GPIO_OUTPUT);hal.gpio->write(40,1);
//InitialiseMPU6050sensorins.
init(AP_InertialSensor:
:
COLD_START,AP_InertialSensor:
:
RATE_100HZ,NULL);
//InitialiseMPU6050'sinternalsensorfusion(akaDigitalMotionProcessing)
hal.scheduler->suspend_timer_procs();//stopbuscollisions
ns.dmp_init();
ins.push_gyro_offsets_to_dmp();
hal.scheduler->resume_timer_procs();
现在让我们来读取传感器数据,在loop()函数开头加入这一行,这使得程序强行等待直到传感器有新的数据,不会改变电机的速度,直到我们得到新的数据。
while(ins.num_samples_available()==0);
**将延迟50Ms从loop()函数中移除,我们不再需要了。
**
现在我们从传感器中得到偏航/俯仰/滚动的数据,并将它们从弧度转化为角度。
ins.update();
ins.quaternion.to_euler(&roll,&pitch,&yaw);
roll=ToDeg(roll);
pitch=ToDeg(pitch);
yaw=ToDeg(yaw);
我们将它从串行管理接口输出
hal.console->printf_P(
PSTR("P:
%4.1fR:
%4.1fY:
%4.1f\n"),
pitch,
roll,
yaw
);
你需要为这个print语句设定一个阀值,例如:
确保它每循环20次只打印一次(提示:
使用一个计数器)。
否则,串口线带宽将被占满。
四处移动你的直升机,并确保生成正确的数值!
Acrobatic/Ratemodecontrol
特技/速率模式控制
特技/速率模式是指你的发射机枝告诉四旋翼以一个特定的利率(如50deg/sec)转动,当您的遥控杆居中时四停止翻滚。
相对于稳定模式,摇杆返回中心位置将使四旋翼恢复水平。
这是一种需要实践以学习如何飞行的模式;但首先要实现稳定飞行模式,因为我们所需要的是稳定控制,这是是特技/速度控制的的最高层。
所以,我们的目标是让摇杆指示达到某一个翻转速率,而且四旋翼就努力按照这个速率运动。
因此,如果操作员要求在俯仰以50度/秒偏转,我们目前不偏转,那么我们需要加快后方马达和减速前面的马达。
现在的问题是,我们要以速度来加速或减速?
为了确定这一点,你需要了解比例积分微分(PID)控制器,我们需要广泛使用的。
虽然有点黑科技的,原理是相当简单的。
让我们假设我们的四旋翼现在在俯仰方向上旋转,所以实际速率为0,让我们进一步假设操作手希望四旋翼在15度/秒旋转,所以期望=15,现在我们可以这样说,我们得到的速率和实际速率之间的差(error)是:
error=desired-actual=15-0=15
差(error)=期望值—实际值=15—0=15
现在将差给我,我们将他和与其相关的Kp相乘,产生一个数值我们用来加速或减速电机。
所以我们可以说电机是这样改变的:
frontMotors=throttle-error*Kp
rearMotors=throttle+error*Kp
前电机=阀值—差*Kp
后电机=阀值+差*Kp
当电动机加速四旋翼会开始转动,并且差(error)误会减少,从而导致前、后马达的速度差减少。
这是我们所期望的,电机速度的差异将使四旋翼获得某一方向加速(即使飞行器处于运动状态),电机速度无差异将使其保持稳定状态(完美!
!
!
)。
信不信由你,这是我们真正需要的特技/速率模式,这个原则适用于每个轴(偏航,俯仰,滚转),并使用陀螺仪来告诉我们什,我们正在以什么样的速率旋转(实际的)。
你可能会问的问题是,我应该怎么设置的Kp为?
嗯,这是用于实验尝试的问题-我已经设置了一些能让我的450毫米四旋翼运行良好的值——坚持一下,你会得到这些代码。
如果你之前学过PID,你会知道实际上PID有两个部分:
积分和微分。
积分(Ki为调谐参数)基本上补偿恒定误差,有时Kp这个参数可能无法提供足够的响应,以应对所有的状况,例如四旋翼是不平衡的,或者是风的影响。
现在我们忽略了微分。
现在开始定义PID阵列和全局常量
PIDpids[6];
#definePID_PITCH_RATE0
#definePID_ROLL_RATE1
#definePID_PITCH_STAB2
#definePID_ROLL_STAB3
#definePID_YAW_RATE4
#definePID_YAW_STAB5
现在,在setup()函数中将PID初始化为一些合理的值(你可能需要回来调整参数)。
pids[PID_PITCH_RATE].kP(0.7);
//pids[PID_PITCH_RATE].kI
(1);
pids[PID_PITCH_RATE].imax(50);
pids[PID_ROLL_RATE].kP(0.7);
//pids[PID_ROLL_RATE].kI
(1);
pids[PID_ROLL_RATE].imax(50);
pids[PID_YAW_RATE].kP(2.5);
//pids[PID_YAW_RATE].kI
(1);
pids[PID_YAW_RATE].imax(50);
pids[PID_PITCH_STAB].kP(4.5);
pids[PID_ROLL_STAB].kP(4.5);
pids[PID_YAW_STAB].kP(10);
暂时不管那些我注释掉的代码,让我们将四旋翼飞行正常。
当然我们很难从代码中找到问题。
从陀螺仪中取得每个轴的旋转速率。
Vector3fgyro=ins.get_gyro();
陀螺仪中给出的是弧度率,我们将它转化为角速率:
floatgyroPitch=ToDeg(gyro.y),gyroRoll=ToDeg(gyro.x),gyroYaw=ToDeg(gyro.z);
接下来,我们要进行ACRO(高度?
?
)稳定控制。
我们只是要做到,油门高于最低点(至少约1000pts,我的最大值是1170,最小值是1070),否则四旋翼会晃动时;油门若为零,四旋翼显然不会保持平衡。
if(rcthr>1170)
{
//***MINIMUMTHROTTLETODOCORRECTIONSMAKETHIS20ptsABOVEYOURMINTHRSTICK***/
longpitch_output=pids[PID_PITCH_RATE].get_pid(gyroPitch-rcpit,1);
longroll_output=pids[PID_ROLL_RATE].get_pid(gyroRoll-rcroll,1);
longyaw_output=pids[PID_YAW_RATE].get_pid(gyroYaw-rcyaw,1);
hal.rcout->write(MOTOR_FL,rcthr-roll_output-pitch_output);
hal.rcout->write(MOTOR_BL,rcthr-roll_output+pitch_output);
hal.rcout->write(MOTOR_FR,rcthr+roll_output-pitch_output);
hal.rcout->write(MOTOR_BR,rcthr+roll_output+pitch_output);
}
else
{//MOTORSOFF
hal.rcout->write(MOTOR_FL,1000);
hal.rcout->write(MOTOR_BL,1000);
hal.rcout->write(MOTOR_FR,1000);
hal.rcout->write(MOTOR_BR,1000);
for(inti=0;i<6;i++)//resetPIDintegralswhilstontheground
pids[i].reset_I();
}
现在在你的手中要将油门提高20%,然后向前/向后,向左/向右偏转四旋翼,并保证螺旋桨的速度增加或减少。
如果四旋翼向一边倾斜,那一边的螺旋桨就要加速相反一边的则要减速。
如果不这样,改变相应的电机信号,(例如,如果俯仰角是错的,在错误的俯仰角之前没有改变信号,四旋翼就会翻滚)。
你可以这样测试你选择的数据,同步你的PID数据,用绳子将四旋翼固定在一个轴上,测试没一个轴的翻转。
这是一个非常有用的经验去了解PID是如何运作的,但是不是必须的。
这是我评定合适PID数据的示范——我让他以50度每秒翻转。
Video:
RatePIDsonlywithquadfixedononeaxis
四旋翼固定在一个轴线上,测试合适PIDs数据。
现在,我们需要添加偏航(左右航向)的支持。
正如你所知,两侧的电机向相反的方向旋转给我们偏航的控
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