Ameba Arduino: [RTL8195AM] Realtek Quadcopter 四轴飞行器

Ameba四轴飞行器简介

  • 马达编号与转向 Ameba 四轴飞行器依照马达在四轴上的位置定义其编号分别为 0、1、2及3,马达在四轴飞行器不同位置所对应的编号及转向如下图。 1
  • 飞行原理 四轴飞行器运动姿态可分为横滚(Roll)、俯仰(Pitch)及偏航(Yaw)三种类型 ,定义如下图: 2 藉由控制三种姿态使飞行器前进后退、左右移动及旋转,控制方法如下: [横滚姿态] – 向右飞行: 马达编号 0、3 加速,马达编号 1、2 减速 – 向左飞行: 马达编号 0、3 减速,马达编号 1、2 加速 [俯仰姿态] – 向前飞行: 马达编号 2、3 加速,马达编号 0、1 减速 – 向后飞行: 马达编号 2、3 减速,马达编号 0、1 加速 [偏航姿态] – 顺时针旋转: 马达编号 0、2 加速,马达编号 1、3 减速 – 逆时针旋转: 马达编号 0、2 减速,马达编号 1、3 加速

Ameba Quadcopter 硬体

  • 元件清单与规格 19
  • 电路图 Ameba Quadcopter 电路配置如下,不同位置的马达必须依照编号连接到相同编号的 PCA9685 PWM 通道,顺序不可改变。 3 请将 MPU9xxx 焊接在洞洞板上并以排针将洞洞板与 ameba 连接,确保飞行时的稳定性,如下图 4 MPU9XXX 应放置于机体中心位置,请注意摆放方向必须如下图,不可任意改变。 5

Ameba Quadcopter 软体

  • Ameba 端 请先下载sketch档: https://github.com/ambiot/amb1_arduino/raw/master/sketch/RealtekQuadcopter.zip 解压缩至Arduino的workspace里面,你可以在preference里面找到Arduino设定的workspace位置, 它的位置可以在 “File” -> “Preferences”, 选项里有个 Sketchbook location, 这个位置就是Arduino IDE预设放置sketch与library的地方 6 接着重开Arduino IDE, 就可以在sketch里看到 “RealtekQuadcopter” 7 直接编译并下载至Ameba即可。
  • 手机控制端 请至google play下载Realtek Pilot app,或是从网页开启: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.quadcopter.quadpilot
    • 控制介面 姿态控制介面控制四轴飞行器飞行时上升下降、前进后退、左右移动及旋转,有两种控制模式可选择,其控制方法如下 8 9
    • 姿态资讯介面 此介面显示四轴飞行器定期回传至手机端的 仰俯 (Pitch),横滚 (Roll) 及航偏 Yaw) 角度资讯 ,可用来确认 MPU9XXX 状态是否正常。 10
    • 参数设定介面 此介面用于设定系统参数,设定方式请参考下一章节。 11

参数设定

  • PID 控制器 12 Ameba 四轴飞行器使用两个 PID 控制器,分别为姿态 PID 控制器以及角速度 PID 控制器,一般情况下只需要修正以下参数: – Roll、Pitch 和 Yaw 的姿态(attitude)PID 控制器 P 项。 – Roll、Pitch 和 Yaw 的姿态(attitude)PID 控制器 I 项及 I Limit 项。 – Roll、Pitch 和 Yaw 的角速度(rate)PID 控制器 P 项。 – Roll、Pitch 和 Yaw 的角速度(rate)PID 控制器 D 项。 修正方式如下: 1. 将 PID 控制器所有栏位的参数设定为 0。 2. 将 Roll、Pitch 和 Yaw 的姿态 PID 控制器 P 项设置为 1。 3. 将Roll、Pitch 和Yaw 的角速度PID 控制器P 项设定为0.1,尝试让四轴飞行器起飞并观察姿态修正的情况,若是修正力道过小,将值逐渐加大,若是修正过大导致飞机翻覆,将值减小,调整出一个值让四轴飞行时晃动幅度最小。 4. 若是飞行时抖动仍然太大影响飞行,将Roll、 Pitch 和Yaw 的角速度PID 控制器D 项设定为0.0001,尝试让四轴飞行器起飞并观察姿态修正的情况,若是抖动无法消除,将此值逐渐加大直到抖动消除或变小。 5. 若使用摇杆改变飞时方向时四轴飞行器反应过于灵敏,可调整Roll、 Pitch 和Yaw 的姿态PID 控制器I 项及I Limit 项降低灵敏度,将I 值设为1,I Limit 设定为5,尝试让四轴飞行器起飞并观察姿态修正的情况,若是操控摇杆时四轴飞行器反应仍过于灵敏则逐渐将Limit 加大,若反应过于迟钝则逐渐将Limit 减小。 6. 视各姿态(Roll、Pitch 和 Yaw)飞行状况重复 1-5 步骤各自进行微调。
  • 角速度限制 13 限制角速度PID 控制器的最大输出值,一般情况可将此值设定为一个极大值(例如: 1000), 在干扰较大的环境(例如: 强风环境) 可尝试设定较小的值避免四轴飞行器过度修正造成震荡。
  • 横滚角补偿参数及俯仰角补偿参数 14 四轴重心偏移中心或是MPU9XXX 摆放倾斜会造成四轴惯性飞向某一飞行,此时需要设置角度补偿消除误差,横滚角补偿参数修正衡滚误差,俯仰角补偿参数修正俯仰误差,修正方式如下 – 惯性向左飞行: 设置横滚角补偿参数大于 0,值越大修正幅度越大。 – 惯性向右飞行: 设置横滚角补偿参数小于 0,值越小修正幅度越大。 – 惯性向前飞行: 设置俯仰角补偿参数小于 0,值越小修正幅度越大。 – 惯性向后飞行: 设置俯仰角补偿参数大于 0,值越大修正幅度越大。
  • 摇杆增益 15 改变摇杆前后及左右方向的控制增益,若将此参数增大,推动摇杆将获得较大的变量。
  • 油门限制 16 限制遥控器所能控制的油门最大值。
  • 控制模式 17 设定控制介面的模式。
  • 锁定、解除锁定以及同步按键 18 – 锁定按键: 点击后系统进入锁定状态,锁定状态将无法以手机控制四轴飞行器 – 解除锁定按键: 解除系统锁定状态并同步设定参数 – 同步按键: 点击后参数设定介面所设定参数将与四轴飞行器同步,每次修正系统参 数后须点击此键将手机与四轴飞行器同步

开始飞行

  • 飞行场地 请确保飞行场地符合以下条件 – 空旷 – 低风速 – 在草地上方飞行可降低摔机时四轴飞行器的损坏程度
  • 启动四轴飞行器并与手机连线 – 将 ameba 上电后,使用手机搜寻 ameba WiFi AP (SSID: quadcopter) 并连线 – 连线后姿态资讯介面会动态显示四轴飞行器俯仰、横滚及偏航角度,请检查数值是否正常
  • ESC 校正 第一次飞行时请依照以下步骤校正 ESC – 移除飞行器上的桨 – 将所有 PID 参数设定为 0 – 将油门限制设定为 100% – 解除系统锁定状态 – 依照 ESC 说明书指示进行校正
  • 解除控制系统锁定状态 ameba 四轴飞行器上电后初始状态会将控制系统锁定,点击解除锁定按键解除锁定 状态,此时与 ameba 脚位 18 连接的 LED 灯会亮起。
  • 起飞 – 缓慢推动油门,观察四轴飞行器起飞状态 – 若是飞行容易翻覆或难以控制,尝试修正 PID 及横滚角、俯仰角补偿参数
  • 其他注意事项 接近四轴飞行器前请先锁定系统避免发生危险 – 受到讯号范围影响,飞行距离请勿超过 10 公尺 – 锂聚电池过度放电将使电池寿命及品质降低,请避免电池内各cell的残电量低于3.8V

异常状态排除

  • 无法开机 – 重新烧录 ameba 四轴飞行器程式 – 检查电路元件各脚位是否连结到正确的位置,无短路及接点松动的情况发生
  • 无法稳定飞行 – 检查马达旋转方向是否正确 – 检查桨的配置是否正确 – 检查各 ESC 与 PCA9685 所连接的通道编号是否正确 – 重新校正 ESC – 调整 PID 参数 – 检查电路是否发生短路 – 避免环境有过多 2.4GHz 讯号干扰
  • 起飞后惯性朝特定方向飞行 修正横滚角度补偿参数及俯仰角度补偿参数
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