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自制小四轴：从入门到放弃

2023-05-16

四轴飞行器，又称四旋翼飞行器，简称四轴、四旋翼。四轴飞行器的四个螺旋桨与电机直接相连，通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。

四轴的叶片转速极高，有一定的危险性，一般不能在室内飞，特别是在调试过程中更加不稳定，轻则炸鸡撞坏物品，重则伤到人。

我做四轴的主要目的是为了学习飞控算法，这个过程肯定少不了调试，为了安全，我选择做一个小一点的，手掌那么大的四轴，叶片的威力比较小，价格也便宜，即使摔坏也不心疼。

这种小四轴一般采用PCB做机架，用720空心杯电机代替无刷电机，用MOS管代替电调，电池采用3.7v锂聚合物电池（尺寸跟手机电池差不多，但是放电电流要大很多），遥控用2.4G无线模块，或者用蓝牙连接手机，成本100左右，续航时间大概6-7分钟，遥控距离在10米以内。

选择零件

四轴上最重要的就是飞控，所以第一步：选择飞控。

市面上有许多现成飞控，也可以自己用电子元件做一个分控。有很多有名的开源飞控，例如KK，QQ，匿名，MultiWii/MWC，APM/PIX等。

  • KK、QQ飞控功能较少，只有基本的四轴飞行功能，甚至不支持GPS。

  • 匿名飞控是国内新出现的飞控，功能比以上两个要多，价格也要贵很多。

  • MultiWii/MWC飞控是基于arduino的，支持GPS，能路线规划，在线调试。

  • APM也是基于arduino的，功能更为齐全，硬件也更为复杂，飞控中有两块单片机，分别执行不同功能。APM已将arduino的性能开发到极限，于是有了升级版PIX，从arduino转到了STM32，处理速度提升了10倍，同样用了两块不同型号的STM32协同运作，是目前已知的最好的开源飞控。

我打算自制飞控，选用我比较熟悉的arduino作为主控芯片。APM硬件结构太复杂，因此选择了MWC飞控。

这里说一句后话，如果打算学习飞控算法，还是选择简单的开源飞控比较好，MWC和APM/PIX都太复杂了，初学者并不能看懂这些代码，另外推荐用STM32芯片，arduino的标准库中并没有时间中断，要实现飞控的功能需要了解arduino更底层的知识，不会比想象中更简单。

搜索各种MWC的资料，查找需要的零件：

名称型号备注价格数量合计
机架轴距12.2cm75mm桨叶¥15.001¥15.00
电池3.7V 600ma¥16.001¥16.00
空心杯马达720¥5.505¥27.50
锂电池对接头航空插头¥0.805¥4.00
红黑正反桨75mm4只一套¥4.002¥8.00
锂电池充电线usb充电给锂电池充电¥4.001¥4.00
钽电容6.3V220UF电源滤波¥0.504¥2.00
MOS管SI23022.5A/20V¥0.3010¥3.00
主控板nanoATMEGA328P¥10.401¥10.40
姿态mpu6050/GY-521¥11.501¥11.50
肖特基二极管SS34电机续流¥0.0610¥0.60
蓝牙HC-05/HC-06遥控&通信¥16.001¥16.00
洞洞板7CM*9CM基板¥1.301¥1.30
拨动开关控制电机电源¥0.305¥1.50
合计¥120.80

包括备用件总共120元，比买现成的小四轴要稍贵一些，毕竟量产能降低成本。

我选用了arduino nano作为主控，体型还是有点偏大，用arduino mini更好。选择nano是因为其带自身带有USB接口，可以直接用USB接口下程序，而mini要用下载器。

事后发现更好的选择是mini Leonardo，nano和mini的芯片型号都是ATMEGA328P，只有一个串口，nano的USB是用另一块芯片转串口，不能跟串口同时使用，下载程序时要把跟串口相接的元件断开，而Leonardo的芯片型号是ATMEGA32U4，自身带有USB和串口，互不干扰。官方的Leonardo板型是跟UNO一样的，国内的厂家则把Leonardo做成了mini的板型，而且带有USB接口。值得注意的是，不确定飞控是否支持Leonardo，因为Leonardo的串口名是Serial1，而nano的串口名是Serial，可能需要修改代码。

不要用低功耗的蓝牙4.0模块，低功耗的蓝牙的传输速率不够，数据会阻塞，有很大的延迟。

HC-05 与 HC-06的区别是 HC-05 可以做主机，也就是可以用 HC-05 连接其他的蓝牙模块，而 HC-06 只能作从机。四轴上的蓝牙只做从机，HC-05 和 HC-06都可以用。

机架用的是淘宝已经做好的PCB，上面不能贴元件。这么小的板子卖15元有点坑。

电机是7mm*20mm的空心杯电机：

代码编译

选完零件后，MWC如何用呢？MWC不仅支持四轴，还支持六轴，还支持三轴，该如何把MWC配置成四轴模式，并且是空心杯四轴？
这是MWC的官网：http://www.multiwii.com/
这是MWC的中文网：http://www.multiwii.cn/

然而把这个网站看完之后，并不非常明白如何使用，胡乱摸索之后总结如下：
首先去googlecode下载源代码：https://code.google.com/p/multiwii/ （需要翻墙）
或者去github下载源代码：https://github.com/multiwii/multiwii-firmware
在googlecode下载的文件里除了源代码还有电脑端的上位机，github只有源代码。

那么，如何下国外的资料呢？
———->http://blog.sina.com.cn/s/blog_667c5c240102vvt8.html
———->http://blog.sina.com.cn/s/blog_667c5c240102vpwq.html

下完源代码之后，会看到一堆文件，初学者肯定会被吓一跳，其实，只需看config.h这个文件，通过注释或取消注释其中的代码配置飞控的模式。

config.h里全是英文说明，没过四级的同学要头大了，还好有万能的网友已经翻译了：
multiwii 2.4配置页面中文注释

这里面的代码也非常多，如果只做空心杯小四轴的话就看我提取的关键点吧。（行数是原配置文件的行数）。

行数代码解释
39define QUADX设置成x四轴模式
72define MINCOMMAND 1000电机最小命令，如果解锁后电机转速太快，减小这个值
76define I2C_SPEED 400000L设置I2C速率为400K，用于mpu6050
80//#define INTERNAL_I2C_PULLUPSI2C内部上拉，gy系列自带上拉，保持默认注释
136define GY_521启用GY_521传感器
204~206define FORCE_ACC_ORIENTATION(X, Y, Z)设置传感器方向，如果传感器的安装方向跟四轴方向不同则需要设置
226define PID_CONTROLLER 2选择PID算法，1是老算法，2是新算法
232define ONLYARMWHENFLAT阻止飞行器倾斜时解锁
237define ALLOW_ARM_DISARM_VIA_TX_YAW设定解锁方式，默认YAW解锁，另一种是ROLL解锁
500~503define SERIAL0_COM_SPEED 115200调整串口速率，一般默认
520~526define GYRO_LPF_256HZ低通滤波器的频率，保持默认
559define THROTTLE_ANGLE_CORRECTION 40油门随着角度补偿，防止倾斜时高度下降
562define HEADFREE无头模式，要给四轴配上指南针，四轴的前方保持为四轴到手机的连线方向
578define GYROCALIBRATIONFAILSAFE连续的陀螺仪校准，如果在校准时被移动会自动重校准
592~603define FAILSAFE失控保护设置，启用
640define INFLIGHT_ACC_CALIBRATION飞行时加速度计校准，能让四轴稳定在一定区域内
652define DEADBAND 6在摇杆中点周围引入一个死区
878~885define BUZZER蜂鸣器设置，没有添加蜂鸣器，保持注释
877~911battery voltage monitoring电池电压监控，我没有用这个功能，跳过
999define EXT_MOTOR_RANGE用于空心杯电机，要启用
1020define MOTOR_STOP当油门命令在低位时电机停转，按个人需要配置

配置完后，用arduino IDE打开 MultiWii.ino ，将程序上传到arduino nano。

电路测试

各元件与arduino nano的连接：

名称针脚
左前电机PWM3
右前电机PWM10
左后电机PWM11
右后电机PWM9
THROTTLE/PPMD2
ROLLD4
PITCHD5
YAWD6
MODED7
功率针脚A2
电压检测A3
蜂鸣针脚D8
SDAA4
SCLA5


D2、D4、D5、D6、D7是PWM遥控器针脚，我是用蓝牙接手机遥控，所以不需要接。
arduino nano的硬件资料：http://kb.open.eefocus.com/index.php?title=Arduino_Nano

在面包板上连接电路测试：

我只接了nano、mpu6050和蓝牙，电机用四个LED代替。

如何用手机遥控四轴？

下载手机端软件，MWC只有安卓端的软件，从这个网站下载：http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Mods
用安卓遥控需要用到的软件是MultiWii EZ-GUI ，要android4.4以上的系统，这个软件要到google play storm下载，一般国产手机没有google play storm，如何下载google play storm自行百度。

EZ-GUI如何用？

打开软件后第一页是四轴的仪表盘，能检测四轴的各项数据

第二页是对四轴的各种设置

第三页是对EZ-GUI的设置

用手机的蓝牙连接HC-06或HC-05后，到EZ-GUI第三页进入【设置】，【SELECT BT DEVICE】选择蓝牙模块，然后点红箭头，后面的默认红箭头。

然后到首页点右上角的【连接】，注意MPU6050要连上arduino nano，不然连接后会报错。显示连接成功后，把飞行器放在水平地面，到第二页进入【校准】，点击【加速度计标定】，等待校准完成。如果有磁力计还要磁力计标定。

之后就可以遥控起飞了。到第三页，进入高级设置，进入【MODEL CONTROL】

然后就会看到这样的界面：

右上角设置，可设置各滑块的功能，THROTTLE是油门的意思

四轴一开始在锁定状态，把油门调到最低，YAW到最右，保持一会儿就会解锁，然后就能飞了；把油门调到最低，YAW最左，将会上锁。（在网上某些地方把飞机可以飞的时候称为”锁定”，不能飞的时候称为”解锁”,不知是翻译错误还是国外的思维方式不一样）

我把各种元件插在面包板上，用LED代替电机测试，解锁后，LED由灭变成亮，通过控制油门或方向，可以看到LED的亮度会发生变化。

硬件制作

这些是要用到的元件，以洞洞板作为基板固定所有的元件，然后用螺钉把洞洞板与机架连接。（当然洞洞板需要裁剪，只用一小块）

空心杯电机驱动电路：

SI2302的内部电路图：

这幅图是crazyflie飞控板的电机驱动电路原理图，同样适用MWC飞控，肖吉特二极管BAT54用ss34替换（只要满足电压和电流以及通断时间就行，ss34远远大于需求，只是因为跟MOS管在同一家店所以买了-_-)，场效应管pmv31xn用SI2302替换。因为忘记买贴片电阻，只好用普通电阻代替，这占了很大一部分面积。

场效应管是用电压控制电流，作用跟三级管类似（三极管是用电流控制电流），相比于三极管，场效应管体积更小功率更大。

肖吉特二极管的作用是续流。电机是电感元件，有阻碍电流变化的特性，控制电机转速的方法是用PWM信号控制场效应管的通断，当场效应管断开时，电机两端会产生极高的感应电压击穿场效应管，加上二极管后，电机的电流会通过二极管保持流通，防止电机产生过高的感应电压。

为了防止电机引起的电流波动干扰到arduino，我在arduino的电源处接了一个220uF的钽电容。（其实没什么卵用！）

下图是焊接完后的背面，白色的是控制线，黑色和红色的是接电机的线。电机驱动电源部分要接一个拨动开关，防止arduino nano上电时不受控制的转，也用于失控时给电机断电。

这是焊接完后的效果。不用在意MPU6050的方向，飞控里有一段代码，可以配置任意方向的陀螺仪、加速度计和指南针。（桨买错了，应该一黑色正桨一黑色反桨，一红色反桨一红色正桨，通过颜色区分四轴的前后）

飞控板与机架的连接，在洞洞板上打了两孔用螺丝固定在机架上，用两个螺母把洞洞板垫高。

这是背面，电池将贴在这里。蓝牙模块并没有焊在洞洞板上，而是由那根灰色的线单独接出，并用可拆卸连接头（例如杜邦头或其他）连接蓝牙模块，这是因为蓝牙会占用COM口，影响上传程序。电源供电是将3.7V的电压直接接在arduino的5V端口上，实验证明可以正常运行。

电机用焊锡跟机架焊上，为了加固，我又在电机背面打了一层热熔胶。

这时还不能飞，因为MPU6050的方向不是正确方向，需要修正方向。

取消config.h中204~206行的注释，将程序上传到arduino，打开MultiWiiConf.exe看陀螺仪和加速度的值，然后根据情况替换ROLL、PITCH、YAW或改变正负。左下角的ACC是加速度，GYRO是陀螺仪，MAG是指南针。

按下图所示的方向旋转四轴，加速度计相应的值会增大，陀螺仪的值为正数。（后来再看这图总感觉不对，Yaw，Roll,Pitch总得符合左手或右手定律吧，但是当时测出来就是这样。）

为了防止看不懂图，再用语言说一遍：

使四轴的前方与你的前方一致；
当四轴水平放置，ACC的Z值最大；
当四轴向右翻滚90度，右侧朝下，ACC的ROLL最大；
当四轴向前翻滚90度，头朝下，ACC的PITCH最大；
当四轴水平顺时针旋转，GYRO的YAW为正数；
当四轴向右翻滚，GYRO的ROLL为正数；
当四轴向前翻滚，GYRO的PITCH为正数；
指南针我没用，所以不调。

每调整一次，重新上传一次程序，再观察是否正确。全部调完后，看MultiWiiConf中右下的四轴仿真图，如果仿真图的转动方向跟实际方向一致并反应迅速，则全部正确；如果转动方向跟实际方向不同，则GYRO的调整存在错误；如果转动方向跟实际方向一致，但是四轴静止时，仿真图仍在缓慢转动，则ACC调整错误。

试飞

终于，将要迎来起飞的时刻！

但是，把四轴解锁，电机开始转，提高油门后四轴就失控了，电机一直狂转，跟手机的连接也断开了，还好加了开关和失控保护，电机转了一会就自动停了。

也许是电机干扰了蓝牙通信，不得而知。

而且感觉四轴有点太重了，用称不太精确的测了测重量，总重量70克。不知道这个重量是否能飞，比淘宝买的四轴要重很多。

因为四轴没飞起来，所以PID的调试也就没有了。

2016-05-08

打算测试下四个电机的升力，确定这个重量是否能飞。为了避开蓝牙干扰的问题，这次不用蓝牙，也不用MWC飞控，直接写了个直接让四个电机最大功率转的程序：

void setup()
{
    pinMode(3, OUTPUT);
    pinMode(10, OUTPUT);
    pinMode(11, OUTPUT);
    pinMode(9, OUTPUT);
    delay(5000);
}
void loop()
{
    digitalWrite(3,HIGH);
    digitalWrite(10,HIGH);
    digitalWrite(11,HIGH);
    digitalWrite(9,HIGH);
}

结果，电机转了不到1秒就停了，重复了好几遍都这样，这就说明并不是干扰到了蓝牙，而是直接干扰到了arduino的运行。

可能的原因：

  • 也许是电机运转时消耗大量电流，造成电池电压过低影响到arduino，原本应该用8MHz 3V电压，我用了16MHz 5V电压，可能是arduino供电不足，程序跑飞了；
  • 也有可能是电机的电涌干扰到arduino。

2016-05-10

测试是否电压不足的原因。

采用直流稳压电源供电，电压5V，最大电流3A，通电后依然不能正常运行，四个电机转不到1秒，有3个电机停止，一个电机转动，可见程序已停止运行，此时电流值为3A,电压4.8V。

用PWM降低电机转速，PWM值50，电机转速有降低，但依然只有一个电机转，偶尔会有两个电机转。

设置PWM值10，偶尔有四个电机转，但是13灯常亮，程序里并没有设置13灯常亮，说明arduino在死机状态。

结论：不是电压不足的原因，而是电机运转会干扰arduino的运行。

总结：

  • 桨的颜色是用来区分四轴的前后的，所以要红色各一正桨反桨，黑色各一正桨反桨。
  • 一定要注意电源滤波，只加一个钽电容并没什么卵用，要学学电源滤波的知识。
  • 要注意电池的重量，加大电池容量不一定会提升续航，毕竟电池重量也增加了，而且有可能飞不起来。
  • arduino最好选用leonardo的mini版型，leonardo自带USB接口，所以有两个串口，蓝牙和上传程序互不干扰。
  • arduino要选用3.3v的版型。
  • 用洞洞板做四轴不太靠谱，太难焊接，而且焊锡走线增加了太多重量。洞洞板与机架固定用的螺丝也占了很大重量，不如直接做成机架与飞控一体的。
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