使用KK2.1.5飞行控制器构建自己的无人机-从选择正确的组件到首次飞行(第一部分)

四轴直升机是一种大规模使用的无人驾驶飞行器(UAV)或无人机。这些用于救援行动，交付，监视，国防，医疗和农业用途等。无人机的主要优点是体积小，易于控制。在本文中，我们将学习如何在电机，飞行控制器和底盘的帮助下使用KK2.1.5飞行控制器设计四轴直升机(无人机)。

什么是四轴飞行器?

四旋翼无人机是一种多旋翼无人机，带有4个马达。四轴飞行器利用电子传感器和控制系统稳定飞行。有两种类型的四轴直升机，即1- +配置四轴直升机和2-交叉配置四轴直升机。在本教程中，我们将设计一个x形状的四轴飞行器。这两种形状都是稳定的，但在前向飞行中，四旋翼机在前向飞行中需要偏航控制输入。两种配置的偏航控制权限是相同的，但俯仰和滚转控制权限在交叉配置的情况下增加了约30%。四轴直升机依靠加速计、陀螺仪等电子传感器和控制系统来稳定飞行。

建造四轴飞行器所需的组件

框架:

框架是无人机的基本结构，所有组件都安装在一起。框架应该是刚性的，这样就可以最大限度地减少电动机的振动。它由一个中心板组成，电子元件和四个臂连接在中心板上。在下面给出的图像中，我们可以看到四轴直升机的框架。

我们将使用宽度为450mm的f450。它由玻璃纤维和耐用尼龙制成。它有两块板，一块板上有集成PCB，所以我们可以直接焊接esc。F450武器加强，以防止任何损害;我们可以很容易地把马达放在手臂的边缘。我们使用的是m2.5尺寸的螺钉，是内六角螺钉或内六角螺钉。

汽车:

我们在这里使用了无刷直流电机(BLDC)。直流电动机由线圈和磁铁组成，用于驱动轴，轴上有一个电刷，负责切换线圈中的功率方向。无刷电机没有这些电刷。它们在电机的中心有线圈，固定在支架上。它们包含许多磁铁，安装在外部的圆柱体上，圆柱体连接到旋转轴上。所以线圈是固定的。这意味着，电线可以直接到达它们，因此不需要刷子。无刷直流电动机以更高的速度旋转，使用更少的功率比直流电动机(在相同的速度)。此外，也没有功率损失，由于电刷过渡。如下图所示。我们可以看到1000KV无刷直流电机，它有三条输入线。我们将用电子速度控制器(ESC)连接这三根电线。

无刷电机带有kv等级。这意味着电机将旋转在给定的RPM(每分钟转数)，如果我们给V电压电机没有任何负载。

在这里，我们使用四个无刷电机，1000千伏额定值。

螺旋桨:

螺旋桨安装在每个无刷电机的顶部。螺旋桨有多种尺寸和形状。我们使用(10*4.5)尺寸螺旋桨，这意味着它的直径是10和间距是4.5英寸。直径决定面积，而螺距决定有效面积。如果我们使用相同直径的高螺距螺旋桨，螺旋桨将产生更大的推力和提升更多的重量，但它也需要更多的动力。高转速提供了更多的速度和机动性，但提升较少的重量。

如果我们想让无人机稳定地与重物一起飞行，那么我们应该使用电机，它可以管理更少的革命，但提供更多的扭矩，应该使用高螺旋桨。要驾驶四轴直升机，我们需要1:2的重量和推力比。

在那里,

对于中型螺旋桨，Kp值为1.2

D =螺旋桨直径

P = Pitch

螺旋桨的位置对无人机的飞行起着至关重要的作用。我们需要注意螺旋桨的形状，因为螺旋桨可能看起来一样，但它们实际上并不相同，它们可能是彼此的镜像，就像我们的手是彼此的镜像，但它们并不相同。

在上图中，螺旋桨看起来是一样的，但两者是不同的，两者都是彼此的镜像。螺旋桨应该这样旋转，这样就能把空气吸下去，这样就能让无人机飞起来。如果螺旋桨向上推动空气，那么无人机将被推向地面。我们应该让螺旋桨向下吸进空气。螺旋桨平面应与电机旋转方向一致。如果电机在时钟方向旋转，那么平面应该在前面。

电子速度控制器

无刷电机是三相电机，不能用直流电源操作。ESC连续产生三个相位不同但可控的频率信号，保持电机转动。它有一个电池输入和三相输出的电机。我们这里使用的是30安培的ECSs。在下面的图片中，我们可以看到ESC的样子。我们将为四个不同的马达使用四个esc。

通过脉冲宽度调制(PWM)，控制器与电机的开关连接每秒连接和断开约2000次。MOSFET晶体管被用作开关而不是机械开关。开关速度快，电机无法检测到。如果有24V电池连接，只有一半的时间，电机看到电池像12v，以半速运行。开关的速度也会影响电机的电感，从而保持电机电流的持续流动。然而，电流只有一半的时间从电池流出，所以电池电流将是电机电流的一半。在下图中，我们可以看到ESC的内部电路图及其电流(安培)随时间的响应。

电池

锂聚合物(LiPo)电池通常用于四轴直升机，因为它的重量轻，高电流额定值。这里，我们使用了3芯LiPo电池。单节LiPo电池可提供高达3.6 V的电压。

锂电池有2200mAh的容量，11。V(3个电池)电压和30C放电率。在下面的图片中，我们可以看到2200mAH的锂电池。这是2200mAH锂电池的图片。

LiPo电池有两个特性参数：

1-容量-它告诉我们电池中存储了多少能量。

2-放电率-也称为c率，用c单位表示。它表示电池可以放电的速率。电池的最大电流(Imax)是放电速率和容量的乘积。

我们使用的是放电率为30C的电池。

这意味着2200mAh 30C 3S LiPo可以提供高达66安培的最大电流。

发射器和接收器：

发射器作为用户的控制器。用户可以使用这个发射机操作四轴直升机。它是基于无线电通信。接收器安装在无人机上，接收器有天线，通过天线与发射器通信。这是一种完全的无线通信。发射器向接收器发送信号，接收器将该信号发送给飞行控制器。我们这里用的是FLYSKY发射机和接收机。这个发射机的范围是1500米，但是如果我们在一个高磁干扰的地方使用这个发射机，那么发射机的范围会减小。你可以看到你需要知道的一切关于FLYSKY FS-i6发射器和接收器的毫不费力的无人机控制文章了解这个发射器和接收器的所有功能。

KK2.1.5飞行控制器

KK2.1.5为飞行控制器;飞行控制器也被称为无人机的大脑，因为无人机的所有操作都是由它控制的。KK2.1.5内置ATMEL mega 664PA IC。它是基于AVR RISC的8位微控制器，内存为64k。内置加速度计和陀螺仪，6050微处理器和自动调平功能。它在板的右侧有八个电机输出，我们在这里连接ESC。它有5个控制输入;这些输入通过接收器连接。它的中间还有一个LCD显示屏，它将作为无人机的用户界面。工作电压为1.8V ~ 5.5V，输入电压为4.8 V ~ 6.0 V。

Kk2.1.5用于稳定飞行期间的四旋翼机，并做到这一点，它接收信号从陀螺仪(滚，俯pitch和偏航)，并将这些信号发送到处理器(ATMEL mega 664PA)，然后它通过控制信号ESCs和这些信号的组合指示ESCs微调电机转速，从而稳定工艺。Kk2.1.5也使用来自接收器的信号，并通过副翼、升降舵、油门和方向舵用户需求输入将这些信号一起传递给处理器(ATMELmega664PA)。处理后，这些信息被发送到esc， esc依次调整每个电机的转速来控制飞行方向(偏航、右、左、上、下、后、前)。在下面的视频中，我们逐一解释了上述所有组件。

四轴直升机的飞行控制力学

四轴直升机的运动是通过改变4个电机的相对推力来控制的。这里，我们使用的是X形状的四轴直升机。在这个四轴直升机，电机位于相同的对角线移动在同一方向无论是时钟方向(CW)或逆时针方向(CCW)。如果我们在汽车里，那么我们可以向前，向后，向左或向右，但是当我们谈论飞行系统时，我们就不会说同样的话。飞行系统有不同的术语，即偏航，滚转和俯仰。

在了解四旋翼飞行器的飞行动力学之前，我们需要了解四旋翼飞行器角运动的三个主要参数，即偏航、横摇和俯仰。

转动:

从无人机的后面到无人机的前面的轴称为角色轴，围绕这个轴的旋转称为角色运动。这种运动也被称为副翼。在下面的图像中，我们可以看到滚动运动。

螺距:

从无人机的左侧到右侧的轴称为俯仰轴。围绕这个轴的旋转称为俯仰运动。它也被称为电梯运动。在下图中，我们可以看到音高运动。

偏航:

从无人机顶部到无人机底部的轴称为偏航轴。围绕这个轴的旋转称为偏航运动。它也被称为舵。在下图中，我们可以看到偏航运动。

借助下面的图像，我们可以一起理解这三种运动。

它们本身不是横向运动，而是沿着三个不同的轴旋转。甚至横向运动也是沿着这些轴旋转的结果。要了解无人机的控制，我们首先需要了解作用在无人机上的不同力。如果推力=重量(毫克)，那么四轴飞行器将保持平衡。如果推力0重量(毫克)，那么无人机将向上飞行，如果推力<重量(毫克)，那么无人机将向下飞行。

当它向上飞行时，推力的方向就是无人机的运动方向，所以要改变无人机的运动方向我们需要改变推力的方向这就是无人机运动背后的逻辑。

向前和向后的运动：

如果我们想让无人机向前移动，我们需要产生向前的推力分量。这是通过增加稀有电机的功率和减少前置电机的功率来实现的。如果我们想让无人机向后移动，我们可以减少稀有马达的功率，增加前置马达的功率。

左右运动：

为了让无人机向左移动，我们生成了向左方向的推力分量。这是通过增加右侧电机的功率和减少左侧电机的功率来实现的。为了使无人机向右移动，我们增加了左侧电机的功率，减少了右侧电机的功率。

四旋翼飞行器的偏航运动：

对于偏航运动，事情可能会变得有点棘手，当我们想让无人机在连续方向偏航时，我们将增加时钟方向螺旋桨的功率，由此产生的反扭矩将使无人机在时钟方向偏航。如果我们想让无人机在CCW方向偏航，我们将增加功率到时钟方向的螺旋桨和由此产生的反扭矩将偏航无人机在逆时针方向，所以要控制四旋翼的运动，我们控制的功率，我们给它的电机。

在下面的视频中，我们通过一个样本无人机解释了四轴直升机的飞行控制机制

四轴飞行器框图

如下方框图所示，所有电机均通过esc与KK2.1.5相连。加速度计和陀螺仪显示在KK2.1.5板外，但它是内置在板本身。接收器与KK2.1.5板直连。在下面的图像中，我们已经显示了四轴直升机的框图。

四轴飞行器的飞行动力学

要驾驶无人机，我们只有4种输入方式。这四个输入是通过给电机或多或少的功率来控制的。

这里有4个电机，电机1和3在连续方向上旋转，电机2和4在连续方向上旋转。Ꞷ1、Ꞷ2、Ꞷ3、Ꞷ4分别为电机1、电机2、电机3、电机4的角速度。l是垂直于表面的Z轴与对角相对的电机之间的距离。

每个电机在Z方向上提供一个向上的推力。

K是升力常数。

每个马达在Z方向上提供一个向上的推力。

Z方向(向上)力：

X、Y、Z方向扭矩：

其中B是阻力常数

那么Fx & Fy呢?

在四轴飞行器中，我们可以完美地诱导旋转运动。我们可以在X， Y和Z方向上产生扭矩，但是我们只能在Z方向上产生力。我们不能直接推导出Fy和Fz。马达不能在X， Y方向产生力。

如果我们想让四轴飞行器沿着X和Y方向运动我们需要让四轴飞行器绕X或Y轴旋转一个角度，那么力的一个分量就会作用在X， Y和Z轴上。我们可以通过旋转四旋翼机间接诱导X， Y方向的运动。

所以，控制四旋翼机有点复杂，因为我们不能直接在X和Y方向上运动，我们需要首先诱导旋转，然后力将在X和Y方向上起作用。

我们有控制变量或四个输入

但我们必须控制6个参数或6个输出

用逆矩阵法变换得到，

在下面的视频中，我们通过一个样本无人机解释了四轴直升机的飞行动力学。

KK2.1.5飞行控制器的设置与调优

Kk2.1.5多旋翼LCD飞控板基于ATML644 PA。板的右侧有8个输出，我们将使用4个输出直接连接esc。我们将使用四轴直升机，所以我们只使用了四个输出引脚。

ESC的连接:

输出引脚每行有3个引脚。几乎所有的针都是接地的。所有中心引脚都是Vcc(5伏)。所有的第一脚都是信号。将所有4根esc线连接到KK2.1.5板的前4个输出引脚上。esc与KK2.1.5板的连接如下表所示。

在下图中，我们可以看到ESCs与KK2.15的连接。在这里，我们只连接了1个esc，像这样我们将所有4个esc与KK2.1.5板连接。

接收器连接:

输入管脚在LCD显示屏的左侧。这里有5个连接，这些引脚将与接收器连接。接收引脚与KK2.1.5输入引脚的连接方式如下：

我们将用三根连接线连接接收器的第一通道(CH1)，其余通道只通过单线连接，因为其他通道不需要连接Vcc和接地。根据上表，接收端连接应该如下图所示。

根据上表，KK2.1.5板端连接应该如下图所示。

无刷直流电机设置：

电机1和电机3逆时针旋转，电机2和电机3逆时针旋转。我们将使用飞行天空发射器设置所有电机的方向。首先将电池连接到电源插座上。我们将第一个电机ESC连接到接收器的通道3，通道3始终是节流的。现在，打开变送器并稍微移动油门，然后电机将旋转。现在，观察电机的方向。如果我们看到方向相反，我们将电机和ESC连接的端线反向。现在，再次移动节流阀，我们可以看到电机在期望的方向旋转。现在，对每个电机重复同样的步骤。电机和ESC都有3根电线，我们将像下图一样连接电机和ESC。

KK2.1.5设置

设置KK2.1.5板时，首先要使发射机处于开启状态，并确保接收机与发射机绑定。KK2.1.5单板底部有4个按钮，分别为S1、S2、S3和S4。使用这些按钮，我们将与LCD显示器进行交互。

step1：首先按下S4进入菜单，然后进入负载电机布局，然后选择四轴直升机X模式，并在X模式下设置四轴直升机。检查这里所有的电机方向。

step2：接下来是ACC校准，为此我们需要将四旋翼机放置在平面水平面上，并选择用于校准加速度计的ACC校准。点击S4，这是自动校准。

一旦Acc校准结束，我们就可以拔掉电源并重新供电。在液晶显示器上显示安全，这意味着它已经从错误变为安全。

Step3：现在，进入PI编辑器。在这里，我们必须设置副翼(滚转)、升降舵(俯仰)和方向舵(偏航)的增益/极限P和I。P增益是表示灵敏度和责任的比例增益。更高的P意味着更锐利的控制，而更低的P意味着更柔和的控制。

I是积分增益，表示保持高度的能力。一旦PI设置完成，转到模式设置。

Step4：在模式设置中，设置自电平为AUX。

Step5：现在转到其他设置，这里我们将设置闹钟1/10伏。

要设置1/10伏特报警，我们需要做以下计算。

11.1伏的3芯LiPo电池使用每个电池3.60伏的值来表示空电池，然后将值(以1/10的单位)设置为(3.6 * 3 * 10 = 108)，当电源电压降至10.8伏时，警报将响起。

Step6：现在，我们开始对ESCs进行校准。首先将发射机与节气门调到最小，然后将节气门调到最大，并保持按下S1和S4开关，然后将电池连接到四旋翼飞机，现在我们将得到两个哔哔声，我们将把节气门放下，导致单个哔哔声。这样，校准过程就结束了。

Step7：武装四轴直升机，保持油门在左手边，一旦四轴直升机武装，我们可以飞四轴直升机。

现在四轴直升机可以起飞了。保持油门在右侧。

PI调谐在四轴直升机

极低P增益：

它是非常难以控制的四旋翼机和四旋翼机缺乏整体稳定性。当飞行器响应时，控制输入感觉不精确且缓慢。当四旋翼飞机将飞行，它将很容易纠正命令和飞行器将是紧张不安的。

非常高的市盈率和收益率：

四轴直升机将遭受左右振荡。四轴直升机将很容易获得或松散的高度，但它将很难维持给定的高度。四轴直升机将以低频振动和振荡。

正确P增益：

我们可以简单地操作四轴直升机，它会以稳定的方式飞行。它可以快速优雅地起飞，在一个地方盘旋。如果我们想让四旋翼飞行器特技飞行，我们应该在稳定飞行值的基础上稍微增加P设置，在稳定飞行值的基础上稍微减少I设置;如果我们想要平稳的飞行，我们应该从稳定的飞行值稍微减少P设置，从稳定的飞行值稍微增加I设置。

比例增益系数(Kp)：

Kp对于相对稳定的飞行起着重要的作用。Kp决定了从陀螺仪和用户操纵杆输入的机载控制之间的混合。随着Kp值的增加，四旋翼机将变得更加敏感，对角度变化的反应性更强，并且可能以高频振荡。当Kp值降低时，四旋翼机将变得缓慢且难以保持稳定。

积分增益系数(Kc)

Kc增加了角度位置的精度。例如，当飞行器受到风的干扰，它的角度位置发生了10度的变化，理论上，它会记住角度变化了多少，并试图返回10度。它是有用的不规则风和湍流从电机。当Kc值较高时，四轴飞行器将开始缓慢反应，这将降低Kp的影响，但当Kp值较高时，四轴飞行器开始以较低的频率振荡。

在本教程中，我们设计了一个四轴飞行器与KK2.1.5飞行控制器的帮助。在这里，我们已经解释了从设置控制器到调优控制器。在下一部分，我们将解决一些问题，使四轴直升机顺利飞行。

本文编译自circuitdigest