移动机器人（四）四轴飞行器

四轴飞行控制原理

四轴飞行器在空间上有6个自由度，分别是沿3个坐标轴进行平动和转动，通过对四个旋翼的转速控制来实现，6个自由度方向的运动姿态分别为：垂直升降、俯仰角度、前后飞行、横滚角度、左右侧向飞行。
四轴飞行器机体结构有“X”型和“+”型两种，我们通过“X”型进行飞行控制的讲解：

类似麦克纳姆轮，螺旋桨转动产生的力除了垂直向上的升力，还有一个切向的空气的反作用力（如图红色箭头），通过组合每一个螺旋桨的切向力，我们可以实现飞行器在空间中的运动。M1 和 M3 的螺旋桨物理结构上是相同的，M2 和 M4 相同（和前者是手性对称的，如果都相同机体不出意外也会跟着旋转），它们的旋转方向也是相反的。

（1）垂直升降：当四个电机输出平衡时飞行器垂直运动，这点我们通过设置相同的 PWM 值可能无法实现，因为电机的物理状况有所差异。为此我们引入 PID 闭环控制，并通过姿态传感器进行姿态的观测。
（2）俯仰/前后运动：M1 和 M2 电机输出更大，机体会出现如图的翻转，并且向后运动。

（3）横滚/左右运动类同（2），M1 和 M4 获得更大输出。
（4）偏航角度：M1 和 M3 获得更大输出，此时航向逆时针偏转。

动力分配

可以发现，机体的运动和机体姿态密切相关，机体向哪边倾斜，也会同时向哪边运动。因此，飞四轴时我们很大程度是通过控制姿态来控制它怎么飞。结合 code ，电机除了 thr_temp（throttle）的一个基本动力分配外，还有结合姿态输出分配的控制量，约定输出为正时，绕相应坐标轴逆时针旋转。（代码和上面图片对电机的编号有出入）

 int16_t thr_temp;thr_temp = Remote.thr - 1000; // 从遥控处接收油门值if (Remote.thr < 1020) // 油门过低{MOTOR1 = MOTOR2 = MOTOR3 = MOTOR4 = 0;break;}MOTOR1 = MOTOR2 = MOTOR3 = MOTOR4 = LIMIT(thr_temp, 0, 900); // 基本动力分配（垂直运动）MOTOR1 += +pidRateX.out - pidRateY.out - pidRateZ.out; // 结合姿态输出分配各个电机的控制量MOTOR2 += +pidRateX.out + pidRateY.out + pidRateZ.out;MOTOR3 += -pidRateX.out + pidRateY.out - pidRateZ.out;MOTOR4 += -pidRateX.out - pidRateY.out + pidRateZ.out;

IIC

I2C 属于两线式串行总线，由飞利浦公司开发用于 MCU 和外围设备进行通信的一种总线，属于一从多主的总线结构。总线上的每个设备都有一个特定的设备地址，以区分同一 I2C 总线上的其它设备。I2C 接口有串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）组成，可用于发送和接收数据。通信均由主设备发起，从设备被动响应。

串级PID

PID 控制器属于无模型控制（十分神奇）。（仿真实验比较难模拟物理世界的“反馈”）
串级 PID是由两个 PID 模型“串联”而成，角度环（又称外环）的输出作为角速度环（又称内环）的输入。角速度由陀螺仪直接测出，不易受到干扰，相比角度通过多重传感器融合计算得到，反应更加迅速，解决飞行器失衡和跟随滞后问题。

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/503219395 IIC通信（软硬件实现）