微型四旋翼飛行器設計經驗之瞎扯淡

在正式開始記錄微型四旋翼飛行器設計的學習筆記之前，感覺自己很有必要先給自己一個總結，也希望能夠幫到更多的朋友少走彎路（雖然不知道幫助大不大）。
去年九月下旬開始了微型四旋翼飛行器的學習與設計，在12月底的時候初步實現了穩定的遙控與飛行，後續又增加了一些常規的輔助的功能，失控保護、姿態微調等等，之後又利用OLED螢幕，設計了一個三級選單，把各種引數的設定，飛控鎖定與通訊的狀態等等一些資訊都整合在一起，利用相應的按鍵，可以很方便的檢視、設定。通過一次一次的優化一些細節，飛行器的飛行效果令人滿意。
在此真心要感謝喵嗚實驗室的開源四旋翼專案，我最初的學習標杆就是在參考喵嗚實驗室的小四軸。當然，也有很多朋友參考匿名，圓點博士等等，都是可以的，本人也對比參考了一部分。感謝這些團隊的開源精神。


在開始之前，先吐槽！！！！！！！！！！！！！！！


8位機做多旋翼飛控！？
8位機做飛控！？這是我在設計飛行器期間聽到的最多質疑。甚至很多“德高望重”的老古董老師，從頭到尾把你批判一番，理由是什麼8位機的PWM輸出只有256寬度的計數週期，解析度不夠。。。更有甚者直接放話說8位機就是專科生玩的玩意，本科生用8位機做設計簡直就是xxx。。。面對這樣的言論，我只能選擇呵呵一笑，老古董你可知道MWC飛控，APM飛控的主控ATmage328P也是8位的，但是這並不影響人家引領全球DIY多旋翼的熱潮啊，而且誰告訴你當下的8位機就是你那個年代的8051或者8086？講真，做四旋翼的這個過程，讓我認清了很多東西。至少我們院系是這樣的：喜大好功、什麼東西只認準最高階的、功能只看是不是天花亂墜而不管實際的學習成本。一個老師甚至說，做四旋翼，要把DSP、FPGA、ARM、作業系統神馬的全都搞上。。。但是初期學生學習的時候會遇到什麼具體問題？怎麼能讓他們快速上手少走彎路？四旋翼學習的真正核心在哪裡？很少有人真的關心這些實際問題。“你沒有用STM32，那你就是低端的”，這種言論真的是受夠了。。。
個人認為，不管做任何設計，晶片本身沒有高低端之分，只有適用於不適用之別，根據設計需要不同（時間因素，成本因素，開發難度等等）選擇最合適的晶片和方案，就是最好的。如果說只是因為別人的晶片位數不高或者不夠“高大上”就以此去把別人批判一番，我覺得不是真正搞技術的人該有的心態。
對於初學者來說，尤其是像我這種渣渣，大四本身已經沒有多少學習時間了，並且因為種種原因我沒有實驗室可以進，手邊的STM32學習板是借童鞋的不好一直佔為己用（窮），而且自己學習四旋翼的計劃重點在於姿態與控制演算法的學習，因此我必須讓自己在最短的時間內設計出軟硬體，並且能夠掌握理論知識，那麼綜合考量，我自己用8位機可以節省我自己的時間，把更多的經歷放在學習演算法上，這樣豈不是很高效？我不知道自己的這種學習安排有什麼不好，就因為8位機就不高階了、簡直是笑話。什麼叫8位機只是專科生玩的？老古董就會帶著有色眼鏡看人，專科生比本科生強的，一抓一大把。私以為，只要技術強的，都是應該尊敬的，別管人家是專科還是什麼，技術才是硬道理，學歷真的不能說明什麼。
吐槽半天，到底8位機能不能做多旋翼飛控？答案當然是可以的，在此真的感謝喵嗚實驗室！喵嗚團隊的飛行器恰好就是用8位機作為主控的，型號的STC15W4K32S4系列。我用過這個晶片做平衡車，還是很強大的。網上有一段它和ATMage328P的效能對比：現在的51早已不是當年的51,6路15位硬體PWM+2路CCP的16位硬體PWM，相當於是8路15位硬體PWM，mega328都可以直接秒掉，而mega328卻正是市售MWC飛控的主控，mega328速度16MHZ，等效16MIPS，IAP15W4K61S4@28MHZ，等效25MIPS，運算速度也秒了mega328，也就是說，用51微控制器做四軸絕對不成問題。
（來自：http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=1115916）
老古董打臉不？誰告訴你8位機的PWM計數週期只有256？高速八位機PWM不光是15位的，而且還是硬體PWM，非常好用。

不吐槽了，畢竟是負能量，說句公道話。如果是進階的朋友，需要搞更復雜的功能，比如機器視覺啊，更復雜的演算法啊之類的，傻子都知道當然還是選擇ARM核心的啦。對於初學者，想學習基本演算法，實現基本的飛行，不搞那些高階的玩意的盆友，相信我，這款8位機足夠讓你快速開發四旋翼的軟體了，而且能夠節省很多時間用來學習演算法！根據需求不同，大家合理選擇晶片，才是最好的。千萬不要像我們系的老古董一樣，喜大好功。

以下是經驗談！！！！！！！！

一、四旋翼的學習核心在什麼地方？

這個問題我覺得是每一個想學習四旋翼的盆友都要考慮明白的，四旋翼是一個非常綜合的專案，涉及到了很多專業知識，甚至於非電子專業的知識。因此我們在學習之前，必須先搞清楚我們學習的核心在什麼地方？如果學習四旋翼，只是為了學習硬體程式設計，電路設計，配置一些暫存器，除錯一下IIC通訊，無線通訊之類的，那麼我覺得，這些還不足以是四旋翼學習的核心所在。我個人認為，四旋翼學習的前期，是上面說的到那些部分，需要認真對待，好好除錯。但是到了後期，等這一切都完成了，真正的核心應該回歸到演算法上。如果說硬體電路是骨骼，那麼演算法就是是一個控制系統的靈魂所在。
以微型四旋翼飛行器來說，核心演算法大概分為兩個部分：姿態解算演算法與控制演算法。其中姿態解算演算法是核心中的核心！它在很大程度上決定了四旋翼飛行的準確性與穩定性！試想，如果飛行器無法正確計算出自己飛傾角，那麼再好的控制演算法也無法使之保持穩定。
因此，有很多盆友跟我說，做四旋翼，主要就是調PID，我只能說你們太不踏實了。我參考了好多個團隊程式碼，真正的姿態解算的核心部分大家幾乎都用的是同一個IMU.C檔案，其實這樣也無所謂，問題的關鍵是，不能只是呼叫人家的核心演算法，在調通程式碼的基礎上，一定要深入瞭解這個演算法是如何把姿態正確計算出來的!知其然一定要儘可能的去知其所以然，否則學到頭，自己依然只是會配置個暫存器，控制外設而已，那麼這樣一來，好像做四旋翼與不做四旋翼並沒有本質的提升，因為輸出PWM，配置箇中斷，除錯個通訊協議，開發板就能做到，還需要四旋翼幹什麼？
對於控制部分的演算法來說，用的最廣泛的就是PID控制了，在此我還是很想跟即將開始設計四旋翼的童鞋們來說，PID控制不應該只是會除錯引數。我們應該儘可能的去理解自動控制原理，去理解反饋的感念，去理解為什麼四旋翼上最常用的是串級PID而不是單級PID。這些內容推薦入門的盆友稍微學習一下《自動控制原理》（胡壽鬆）會有很多好處的。上一次的一個文章是以溫度系統為例，利用Simuink來模擬對比一下不同PID的效果，為的就是能夠動手感受一下不同PID不同引數下的響應特點，使學習PID控制有一個感性的認識。
（連結：http://blog.csdn.net/rick_grimes/article/details/75095315）

二、設計製作四旋翼有什麼快速上手的方法？

這個問題應該也是出初學者最頭疼的問題，市面上飛行器一大堆，航模級別的飛控更是一抓一大把。打著開源旗號的飛控也是很多，但是航模級別的飛控只適合玩，真正想學習的話，APM、MWC之類的真心不合適。以我個人設計方案來說，首先我的學習時間短，不允許我有很多時間去浪費，其次我的方案是想選擇8位機。因此我選擇了先軟體，後硬體的學習計劃。也就是說，我先買一套成品小四軸，主控晶片跟我的方案一樣，然後再這個硬體平臺上先除錯自己的軟體程式，等一切調好之後，再著手設計自己的硬體，這樣出現問題，可以更快速的解決。試想如果從一開始就軟硬體自己來，出現問題需要把軟硬體都排查一遍，耽誤時間會很多，也會走很多彎路。
我選擇的喵嗚實驗室的小四軸，硬體設計很完善，前期讓我可以很放心的去除錯軟體而不用擔心硬體問題。當然，也有很多童鞋使用別的晶片例如STM32來設計的，大家也可以選擇別的硬體平臺。道理都是一樣的。學會站在巨人的肩膀上學習！
 

三、新人應該從什麼地方開始學習？

我想，能夠來嘗試四旋翼的盆友，至少都是有軟硬體設計基礎的，排除什麼都不會的真小白，下面我就假設所有的盆友都已經有基礎了，以此來談談我認為應該從什麼地方開始動手。
四旋翼飛行器的核心前面已經說過了，是姿態演算法。所以上手四旋翼的第一步，首先應該明確姿態感測器，我想大家一般都選用的是MPU6050，所以我就用它來說。首先在設計之初，至少需要利用IIC通訊，讀取出6050感測器的資料，並且去學習讀取出的資料如何轉化成我們需要的真實資料單位。這一步我認為是最關鍵的，因為只有感測器的資料讀取準確了，才能使後續演算法的計算有一個穩定的資料來源。因此學習四旋翼的第一步，應該是搞定MPU6050！
搞定6050感測器其實是有很多技巧的，比如最重要的資料手冊，必須要了解其中關鍵的一些部分，比如量程的選擇，精度的選擇，速度的配置等等。IIC通訊也是比較頭疼的比個地方，尤其是在電平時間的控制上，很容易出現問題。因此需要花時間去試錯。調著調著經驗就有了。

四、如何高效設計四旋翼飛行器的軟體程式？

這個問題其實對於任何一個系統來說都是適用的，因為有盆友問過我這個問題，在設計飛行器某一個部分的程式的時候，出現問題無法及時確定出問題所在，或者無法正確排除沒有出問題的部分。所以單獨把這個小問題拿出來說說，本人也是個渣渣半吊子，在這方面沒什麼真正有用的經驗，我的一貫方法是：分模組各個擊破！對，很傳統的方法，但是我覺得比較適合自己。
舉個栗子:比如飛行器的程式，現在需要除錯2.4G無線通訊，那麼我只需要先寫好飛行器接收2.4G訊號的程式在開發板上，然後利用我購買的飛行器的遙控器，給開發板發資料，如果開發板收不到資料但是配套的飛行器可以收到，說明自己的程式有問題啦，對照飛行器的2.4G接收部分，自己程式和人家程式不一樣的地方，很有可能是出現錯誤的地方。這種方法挺笨的，但是我自己一直是在寢室獨自學習，沒裝置、沒老師。所以每次都是這樣一塊一塊自己摸索，因為有可供參考的標準硬體平臺，所以一個部分一個部分的來，還是很高效的！


總結
不一定有用的一些經驗和吐槽，但願能夠幫助到一些朋友吧。後續繼續總結，慢慢更新相關部分的學習筆記。