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[嵌入式] 【分享帖】从零制作小四轴--完结

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Nemo_o

2015-11-14 03:07:46

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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。最近四轴非常火热，看视频上飞的各种炫酷，我也好想要一架啊！于是我开启了我的四轴计划。

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2015-11-14 02:58 上传

四轴需要的零件有机架，电机，电调，飞控，电池。这是普通四轴的配件，但是一个电调至少就得30RMB，无刷电机便宜的也要20RMB，一套动力部分就得200，对于一枚穷屌丝实在是难以下手啊！

那么就做一个小一点的，手掌那么大，这样的。

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2015-11-14 02:56 上传

于是用PCB做机架，用720空心杯电机代替无刷电机，用MOS管代替电调控制电机，电池相应的也会缩小，遥控就用蓝牙连接手机控制，连遥控器都省了，成本估计100左右。相应的代价就是续航时间缩短到只有5分钟（估计的），遥控距离在10米以内。能飞就好，我要求不高。

四轴上最重要的就是飞控，所以制作第一步：选择飞控。

飞控市面上有现成的卖，但我想用开源的飞控自己做。现在有很多有名的开源飞控，例如KK，匿名，MultiWii/MWC,APM/PIX等。我在网上对这些飞控大致查了一下：KK飞控功能较少，没有自稳功能，算是落后的飞控，网友不推荐入手KK，于是就不考虑这个飞控了；MultiWii/MWC飞控是基于arduino的（不知为何会有两个名字x_x）,带自稳功能，支持GPS，能路线规划，在线调试，实在高端，可以考虑；APM也是基于arduino的，能想到的所有功能都有，比MWC飞控更优秀，它有两块单片机，其中一块作为协处理器，但是，实在整不明白如何用一块单片机运作，打算以后再研究；APM已开发到极限，于是有了APM的升级版PIX。PIX从arduino转到了STM32，处理速度提升了10倍，是目前已知的最好的开源飞控，太高端了，用在小四轴上真是杀鸡用牛刀，做高端的四轴时再研究吧！=_=

于是我选择了MWC飞控，用arduino nano作为主控（其实用arduino mini更好，nano在小四轴上有点大，选择nano是因为nano带usb口下程序）。

首先，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12.2cm	75mm桨叶	¥15.00	1	¥15.00
电池	3.7V 600ma		¥16.00	1	¥16.00
空心杯马达	720		¥5.50	5	¥27.50
锂电池对接头	航空插头		¥0.80	5	¥4.00
红黑正反桨	75mm	4只一套	¥4.00	2	¥8.00
锂电池充电线	usb充电	给锂电池充电	¥4.00	1	¥4.00
钽电容	6.3V220UF	电源滤波	¥0.50	4	¥2.00
MOS管	SI2302	2.5A/20V	¥0.30	10	¥3.00
主控板	nano	ATMEGA328P	¥10.40	1	¥10.40
姿态	mpu6050/GY-521		¥11.50	1	¥11.50
肖特基二极管	SS34	电机续流	¥0.06	10	¥0.60
蓝牙	HC-05/HC-06		¥16.00	1	¥16.00
洞洞板	7CM*9CM		¥1.30	1	¥1.30
拨动开关			¥0.30	5	¥1.50
				合计	¥120.80

包括备用件总共120元，这个还是可以接受的。

注意：不要用低功耗的蓝牙模块，低功耗的蓝牙的传输速率不够，能连接但存在问题。

机架用的是淘宝已经做好的PCB，上面不贴元件，毕竟不会画板子。感觉这么小的板子卖15元有点坑。

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2015-11-14 02:56 上传

电机是7mm*20mm的空心杯电机：

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2015-11-14 02:56 上传

选完零件后，MWC如何用呢？MWC不仅支持四轴，还支持六轴，还支持三轴和车，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取消或启用某项功能。

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2015-11-14 02:56 上传

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。（行数是原版配置文件的行数）。

行数	代码	解释
39	#define QUADX	设置四轴x模式
72	#define MINCOMMAND 1000	电机最小命令，如果解锁后电机转速太快，减小这个值
76	#define I2C_SPEED 400000L	设置I2C速率为400K，用于mpu6050
80	//#define INTERNAL_I2C_PULLUPS	I2C内部上拉，gy系列自带上拉，保持默认
136	#define GY_521	启用GY_521传感器
204~206	#define FORCE_ACC_ORIENTATION(X, Y, Z)	强制传感器方向，如果传感器的安装方向跟四轴方向不同需要用到
226	#define PID_CONTROLLER 2	选择PID算法，1是老算法，2是新算法
232	#define ONLYARMWHENFLAT	阻止飞行器倾斜时解锁，看个人
237	#define ALLOW_ARM_DISARM_VIA_TX_YAW	设定解锁方式，默认YAW解锁，另外ROLL解锁
500~503	#define SERIAL0_COM_SPEED 115200	调整串口速率，一般默认
520~526	#define GYRO_LPF_256HZ	选98HZ吧
559	#define THROTTLE_ANGLE_CORRECTION 40	油门随着角度补偿，防止倾斜时高度下降
562	#define HEADFREE	无头模式，要配上指南针，四轴的前方将保持在四轴到手机的连线方向
578	#define GYROCALIBRATIONFAILSAFE	连续的陀螺仪校准，如果在校准时被移动会自动重校准
592~603	#define FAILSAFE	失控保护设置，启用
640	#define INFLIGHT_ACC_CALIBRATION	飞行时加速度计校准，能让四轴稳定在一定区域内
652	#define DEADBAND 6	在摇杆中点周围引入一个死区
878~885	#define BUZZER	蜂鸣器设置，没特别需求就保持注释
877~911	battery voltage monitoring	电池电压监控，一般默认
999	#define EXT_MOTOR_RANGE	用于空心杯电机，要启用
1020	#define 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。

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/PPM    D2
ROLL                      D4
PITCH                   D5
YAW                      D6
MODE                   D7
功率针脚                A2
电压检测                A3
蜂鸣针脚                D8
SDA                      A4
SCL                      A5

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2016-5-8 19:56 上传

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2016-5-8 20:38 上传

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

如何用手机遥控四轴？
下载MWC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，得要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

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2015-11-14 02:56 上传

第二页是对四轴的各种设置

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第三页是对EZ-GUI的设置

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2015-11-14 02:56 上传

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。

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2015-11-14 02:56 上传

然后到首页点右上角的【连接】，注意这是MPU6050要连上arduino nano，不然连接报错。显示连接成功后，把飞行器放在水平地面（这时我是把各种元件插在面包板上，用LED代替电机测试），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】

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2015-11-14 02:56 上传

然后就会看到这样的界面：

Screenshot_2015-11-14-01-27-21_com.ezio.multiwii.png

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2015-11-14 02:56 上传

右上角设置，可设置各滑块的功能，THROTTLE是油门的意思

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2015-11-14 02:56 上传

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）。

目前我只在面包板上测试过，接下了就是把零件组装起来。

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2016-5-8 21:15 上传

续：
其实很久之前就做完了，因为懒，拖了近半年没更新。

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）

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2016-5-8 21:15 上传

空心杯电机驱动电路：
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信号控制场效应管通断的时间，当场效应管断开时，电机两端会产生极高的电压击穿场效应管，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。

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2016-5-8 20:10 上传

SI2302的内部电路图：

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2016-5-8 20:11 上传

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（要注意，这个拨动开关只控制电机电源的通断，如果要控制总电源需另加一个开关，我懒得加了，直接拔电池）。

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2016-5-8 20:40 上传

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）

20151120_210029_2[1].jpg

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2016-5-8 21:15 上传

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。

20151119_212036[1].jpg

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2016-5-8 21:15 上传

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。（这也有可能是后面失败的原因）

20151120_210155[1].jpg

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2016-5-8 21:15 上传

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。

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2016-5-8 20:23 上传

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。）

20151121_001807[1].jpg

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2016-5-8 21:15 上传

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。

终于，将要迎来起飞的时刻！
但是，我把油门开到最大还是飞不起来，用不精确的称测了测重量，总重量70克！也许超重了。
同时电机严重干扰蓝牙通信，时常会断开连接，然后电机一直狂转。（一定要记得设定失控保护，不然要冒着被桨割手的危险去关电源。）

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小四轴, MWC, multiwii, 空心杯, 成本

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