关于我四轴DIY的一些经验（一）基础硬件篇

chengxiyue · 发表于 2015-5-24 22:36

本帖最后由 chengxiyue 于 2015-5-25 11:41 编辑

很早之前就想做四轴了，一直觉得四轴很难，无从下手，直到这次毕业设计时才下定决心准备从一个四轴小白开始DIY一个属于自己的四轴。 DIY一样东西之前首先要有浓厚的兴趣，嘿嘿，这样我们才有持续钻研下去的动力么~ 那就让我们看看四轴到底有哪些有趣的地方了吧。

首先假设我们一开始历尽千辛外苦，九九八十一难终于DIY出一架可以稳定飞行的四轴，那么首先我们可以把它当作一架酷炫的遥控“UFO”啊，想象下当带着你自己包装过的外表狂拽酷炫吊炸天的机架飞上天空，先不提遥控飞行带来的快感，光是看看围观小伙伴的好奇羡慕也是很爽的吧，哈哈。当然给自己孩子做这么一件充满科技气息的小玩意儿也是很不错哦，嗯实现基本飞行后我们还可以用它来完成更多有趣的功能，比如说国外某爸做了一架四轴来护送自己的儿子上学！这架忠实的“老伙计”会在他儿子上空紧跟着并且把实时的视频传回家里，儿子的安危尽在掌握~ 在外出旅游时，我们还可以用四轴挂载摄像机来从高空俯拍美景，甚至录制属于自己的纪录片，相当带劲啊！再比如在给四轴飞控系统中加入OPENCV的各种算法后可以实现人脸识别的四轴啊，并且识别你的动作用身体动作来指挥四轴飞行，可以避障，可以追踪等等有意思的功能随你DIY，再高深点做一个飞行的四轴机器人如何~ 只要发挥你的想象力，四轴能为你带来超乎寻常的乐趣！

说了那么多说下我这个小白的四轴吧，目前四轴已基本实现平稳飞行，还是有点小飘，等我在折腾下再拿出来见过各位客官O(∩_∩)O 。下个阶段俺准备用树莓派2做一款挂个摄像头，用OPENCV计算机视觉库实现四轴解析人的动作实现各种有趣的功能。。。

下面我将分几个篇章从硬件到软件分享我做四轴的经验。

废话不多说了，首先介绍下四轴飞行器的原理，只有知道它是如何实现各个方向的飞行咋们才方便想办法去控制它。（写给和我一样的小白看的，大神们略过）。

四旋翼飞行器四个电机上的螺旋桨是对角线的一对顺时针旋转，另一对角线的螺旋桨逆时针旋转。有人要问啊为啥这么麻烦啊都弄成一个方向旋转多省事啊？之所以两对桨的旋转方向相反是因为螺旋桨顺着一个方向旋转时会产生反方向的扭矩使机体旋转，所以一对顺指针旋转，一对逆时针旋转，产生的反向扭矩可以互相抵消，就不会造成机体旋转了。接下来是一段摘自网上的四轴飞行器的运动原理，说的很详细，就直接拿来用了

。

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

（2）俯仰运动：在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

（3）滚转运动：与图 b 的原理相同，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。

（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。）

（6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

长篇大论介绍完四轴的基本原理后开始上正菜了，让我们从四轴的选材开始。