飞控板上有那么几颗小芯片,成本加起来不到二十块钱,
却决定了整台机器的使用。姿态解算这件事,本质上是把几种不完美传感器的数据拼在一起,凑出一个足够可信的结论。
最核心的是陀螺仪,它测的是角速度,也就是绕三个轴转动的快慢。姿态回路里绝大多数信息都来自它,因为它响应快、动态好,机器哪怕转得再快它都跟得上。但陀螺仪有个天生的毛病叫漂移,即使完全静止,它的输出也不会精确归零,会有一个缓慢的偏置,而且这个偏置随温度变化。所以静止时上电让它自己找零点这一步不能省,飞久了姿态会慢慢偏,也是这个原因。
陀螺仪的型号差异很大,这是选板子时最该看的一个参数。老型号的采样率比较有限,例如说撞击之后可能会过饱和,但是噪声,我记着调试是比较方便,这也就是大部分人追求 MPU6000 的原因。新型号的量程更大,滤波就能放宽,手感也跟手。同样一块板子,换一颗陀螺仪,如果是在以前,飞行品质能差出一个档次,不过现在在 BF 固件的优化,以及专业一点的工程师给陀螺仪单独供电这两个并排发力的情况下,已经没有太大区别了。
噪声水平为什么这么重要,前面讲滤波的时候提过一部分。这里再具体一点,陀螺仪输出的信号里,除了真实姿态变化,还叠加了电机振动、机架共振、电路本身的电噪声。滤波就是要把后面这些去掉,但滤波必然带来延迟,滤得越狠延迟越大。所以低噪声的陀螺仪意味着可以用更轻的滤波,同样的延迟下数据更干净,或者同样的干净程度下延迟更低。这是姿态控制里最实在的一项提升。
加速度计测的是比力,静止时它测到的就是重力方向,所以它能告诉你机器现在相对于水平面倾斜了多少度。这听起来比陀螺仪直接多了,但加速度计在实际飞行中几乎没法单独用,因为它同时承受着机器所有的线性加速度,加速、减速、转弯,这些都会叠加在重力上,让它完全分不清哪个是重力哪个是运动。所以它的作用是长期修正,陀螺仪负责短时间的精确,加速度计负责慢慢把漂移拉回来,两者融合,这是姿态解算的基本思路。
融合的过程有个关键假设,就是机器大部分时间处于平稳飞行状态,加速度计测到的接近纯重力。如果长时间剧烈机动,这个假设不成立,加速度计反而会带偏结果。所以有些固件允许你调整融合的权重,机动性强的飞行把加速度计的权重压低,让它别添乱。
气压计测气压换算高度,精度不高,但短期变化的趋势是可靠的。它对定高飞行很有用,尤其是在没有位置传感器的情况下,靠气压计的数值,你至少能让机器稳住一个大致的高度,不会一路飘上去或者掉下去。但是气压计有个麻烦,它对气流敏感,机器高速飞行时机身周围的气压会变化,风一吹数据也会跳。所以安装的时候通常要在上面盖一块海绵,既挡光又缓冲气流,这块海绵脏了要换,别嫌麻烦。
磁力计在小型机器上基本没人用,原因很直接,它测的是地磁场,而机身上有四个大电流回路和一堆永磁体,产生的磁场比地磁强得多,会有一定的干扰。
当然,这是次要原因,最主要的还是小机器放不下呀。12 系列的 GPS 本来性能就差,两寸机器放这个都要掂量掂量更何况小尺寸的飞机也不会去做太危险的事情,所以一般没人装,当然,有一小部分人会装,例如说 Pv20 改那个 GPS
还有一层是电压和电流检测。板子上有分压电阻测电池电压,有些电调能直接回传电流数据。电压检测的数值需要校准,出厂的偏差可能有零点几伏,不校准的话低压报警就不准。电流数据则用来估算已消耗的电量,配合电池容量能算出还剩多少,比单看电压可靠,因为电压受负载影响太大,一脚油门下去能掉两三伏,松开又弹回来。
温度也是一个越来越受关注的量。有些板子带了温度传感器,能记录飞控的温度。温度对陀螺仪零偏的影响是有规律的,不过,你想补偿也没有补偿的渠道,所以这个只能当是一个看的了,没啥用
选板子的时候,别只看 单片机型号。单片机的算力确实重要,它决定了回路能跑多快、滤波能做多复杂,但在正常调参范围内,主流单片机,例如 f7,f435,h7的算力都不是瓶颈,如果你真正想玩,F405 和 G473 都可以用!。真正拉开差距的是陀螺仪型号、供电电路的干净程度、焊盘的布局是否合理、以及有没有预留足够的串口。这些才是长期用下来会天天碰到的东西。
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