Build a simple quadcopter
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Build a simple quadcopter
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大綱
‧ 研究背景‧ 飛行器簡介‧ 相關研究‧ 系統架構‧ 本文方法‧ 目前成果‧ 結論
2
研究背景
3
近 年 來 ， 由 於 微 機 電 系 統 (Micro Electro Mechanical Systems ， MEMS) 技術快速發展，造就了低成本、普及的感測器，使的以演算法與感測器為核心的四軸飛行器成為熱門的研究課題。
飛行器簡介－原理
5
順
順
逆
逆
飛行器簡介－原理
6
向前運動 向後運動
飛行器簡介－原理
7
向左運動 向右運動
飛行器簡介－原理
8
逆時針旋轉 順時針旋轉
相關研究
9
成功大學 (National Cheng Kung University) 航空太空工程學系的飛行控制與模擬實驗室研究無人飛行器載具的導航與控制。
相關研究
10
美 國 賓 州 大 學 (University of Pennsylvania) 的GRASP 實 驗 室 (The General Robotics, Automation, Sensing and Perception) 研究飛行器與飛行器間的協同工作。
相關研究
11
瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zurich) 動態系統與控制研究所 (Institute for Dynamic Systems and Control) 的 FMA 實驗室 (Flying Machine Arena) 研究飛行器的學習和安全性。
系統架構
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機動力
飛控遙控
結構
2.4GHzRadio Wave
系統架構－結構
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系統架構－動力
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無刷馬達電子調速器鋰電池 螺旋槳
與無刷馬達搭配提供升力驅動無刷馬達 與螺旋槳搭配
提供升力飛行器電力來源
系統架構－飛控
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μControllerSTM32F4ARM-CortexM4F
Freq up to 168MHz
資料SPI
RFModule
SmartIMUModule
USB
SPI/UART
SDModule
讀寫資料
SDIO
UART
UARTHeader
外擴裝置
USB
SPI
FFCSPI
PWMHeader
ADCHeader
PWM
ADC
讀取資料
電壓電流
控制電調外擴裝置
CANHeader
CAN控制 ESC外擴裝置
系統架構－遙控
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SPIEthernet
ETHModule
TFTFSMCμControllerSTM32F4ARM-CortexM4F
Freq up to 168MHz
傳送 / 接收資料SPI
RFModule
IMUModule I2C
SDModule
讀寫資料SDIO
讀取資料
JoyStick
ADC讀取資料
UART
UARTHeader
外擴裝置
USBUSB
I2C/CAN
I2C/CANHeader
SPI
FFCSPI
外擴裝置
外擴裝置
系統架構－遙控
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本文方法
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感測器三軸加速度計三軸陀螺儀三軸電子羅盤
校正
姿態
平衡
微控制器500Hz
感測器校正單位轉換
PID 控制器
四元數姿態校正
本文方法－電子羅盤校正
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Y
X
X
X
X
Y
Y
Y
本文方法－姿態
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本文方法－姿態 Pitch & Roll
25
本文方法－姿態 Pitch & Roll
26
本文方法－姿態 Yaw
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Low-Pass Filter
High-Pass Filter
∫ θgyro
Integer + Yaw
ωgyro
θmag
Yaw = ( k ) * ( Yaw + z.gyro*dt ) + (1 - k) * ( z.mag )
k = τ / ( τ + dt ), τ : Time Constant, dt : Sample Period
本文方法－平衡
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KP
KD
+
-Err = Exp - Ang
Exp
Output
Algorithm Sensor
GyroAng
Output = KP * Err + KD * Gyro
目前成果－ Pitch & Roll
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Pitch - Red, Roll - Yellow ( 0.01 deg / LSB )
目前成果－ Yaw
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Filter - Blue, No Filter - Yellow ( 0.1 deg / LSB )
目前成果－ Yaw
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Filter - Blue, No Filter - Yellow ( 0.1 deg / LSB )
結論
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目前方法已可以大致實現飛行器的平衡，但仍有以下缺陷及需要改善的部分：
1. 等速運動無法感測。2. 單一 PID 參數。3. 運動加速度影響姿態計算。4. 橢圓擬合不適合應用於空間中。5. 電池電量影響馬達轉速。
Q&A
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