Realtek Quadcopter 四軸飛行器
Ameba四軸飛行器簡介
- 馬達編號與轉向
Ameba 四軸飛行器依照馬達在四軸上的位置定義其編號分別為 0、1、2及3，馬達在四軸飛行器不同位置所對應的編號及轉向如下圖。
- 飛行原理
四軸飛行器運動姿態可分為橫滾(Roll)、俯仰(Pitch)及偏航(Yaw)三種類型 ，定義如下圖:
藉由控制三種姿態使飛行器前進後退、左右移動及旋轉，控制方法如下:
[橫滾姿態]
– 向右飛行: 馬達編號 0、3 加速，馬達編號 1、2 減速
– 向左飛行: 馬達編號 0、3 減速，馬達編號 1、2 加速
[俯仰姿態]
– 向前飛行: 馬達編號 2、3 加速，馬達編號 0、1 減速
– 向後飛行: 馬達編號 2、3 減速，馬達編號 0、1 加速
[偏航姿態]
– 順時針旋轉: 馬達編號 0、2 加速，馬達編號 1、3 減速
– 逆時針旋轉: 馬達編號 0、2 減速，馬達編號 1、3 加速
Ameba Quadcopter 硬體
- 元件清單與規格
- 電路圖
Ameba Quadcopter 電路配置如下，不同位置的馬達必須依照編號連接到相同編號的 PCA9685 PWM 通道，順序不可改變。
請將 MPU9xxx 焊接在洞洞板上並以排針將洞洞板與 ameba 連接，確保飛行時的穩定性，如下圖
MPU9XXX 應放置於機體中心位置，請注意擺放方向必須如下圖，不可任意改變。
Ameba Quadcopter 軟體
- Ameba 端
請先下載sketch檔: https://github.com/ambiot/amb1_arduino/raw/master/sketch/RealtekQuadcopter.zip
解壓縮至Arduino的workspace裡面，你可以在preference裡面找到Arduino設定的workspace位置，
它的位置可以在 “File” -> “Preferences”, 選項裡有個 Sketchbook location, 這個位置就是Arduino IDE預設放置sketch與library的地方
接著重開Arduino IDE, 就可以在sketch裡看到 “RealtekQuadcopter”
直接編譯並下載至Ameba即可。 - 手機控制端
請至google play下載Realtek Pilot app，或是從網頁開啟: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.quadcopter.quadpilot
- 控制介面
姿態控制介面控制四軸飛行器飛行時上升下降、前進後退、左右移動及旋轉，有兩種控制模式可選擇，其控制方法如下
- 姿態資訊介面
此介面顯示四軸飛行器定期回傳至手機端的 仰俯 (Pitch)，橫滾 (Roll) 及航偏 Yaw) 角度資訊 ，可用來確認 MPU9XXX 狀態是否正常。
- 參數設定介面
此介面用於設定系統參數，設定方式請參考下一章節。
- 控制介面
姿態控制介面控制四軸飛行器飛行時上升下降、前進後退、左右移動及旋轉，有兩種控制模式可選擇，其控制方法如下
參數設定
- PID 控制器
Ameba 四軸飛行器使用兩個 PID 控制器，分別為姿態 PID 控制器以及角速度 PID 控制器，一般情況下只需要修正以下參數:
– Roll、Pitch 和 Yaw 的姿態(attitude)PID 控制器 P 項。
– Roll、Pitch 和 Yaw 的姿態(attitude)PID 控制器 I 項及 I Limit 項。
– Roll、Pitch 和 Yaw 的角速度(rate)PID 控制器 P 項。
– Roll、Pitch 和 Yaw 的角速度(rate)PID 控制器 D 項。
修正方式如下:
1. 將 PID 控制器所有欄位的參數設定為 0。
2. 將 Roll、Pitch 和 Yaw 的姿態 PID 控制器 P 項設置為 1。
3. 將 Roll、Pitch 和 Yaw 的角速度 PID 控制器 P 項設定為 0.1，嘗試讓四軸飛行器起 飛並觀察姿態修正的情況，若是修正力道過小，將值逐漸加大，若是修正過大導致 飛機翻覆，將值減小，調整出一個值讓四軸飛行時晃動幅度最小。
4. 若是飛行時抖動仍然太大影響飛行，將 Roll、 Pitch 和 Yaw 的角速度 PID 控制器 D 項設定為 0.0001，嘗試讓四軸飛行器起飛並觀察姿態修正的情況，若是抖動無法消除，將此值逐漸加大直到抖動消除或變小。
5. 若使用搖桿改變飛時方向時四軸飛行器反應過於靈敏，可調整 Roll、 Pitch 和 Yaw 的姿態 PID 控制器 I 項及 I Limit 項降低靈敏度，將 I 值設為 1，I Limit 設定為 5，嘗試讓四軸飛行器起飛並觀察姿態修正的情況，若是操控搖桿時四軸飛行器反應仍 過於靈敏則逐漸將 Limit 加大，若反應過於遲鈍則逐漸將 Limit 減小。
6. 視各姿態(Roll、Pitch 和 Yaw)飛行狀況重複 1-5 步驟各自進行微調。 - 角速度限制
限制角速度 PID 控制器的最大輸出值，一般情況可將此值設定為一個極大值(例如: 1000)， 在干擾較大的環境 (例如: 強風環境) 可嘗試設定較小的值避免四軸飛行器過度修正造成震盪。 - 橫滾角補償參數及俯仰角補償參數
四軸重心偏移中心或是 MPU9XXX 擺放傾斜會造成四軸慣性飛向某一飛行，此時需要 設置角度補償消除誤差，橫滾角補償參數修正衡滾誤差，俯仰角補償參數修正俯仰誤差， 修正方式如下
– 慣性向左飛行: 設置橫滾角補償參數大於 0，值越大修正幅度越大。
– 慣性向右飛行: 設置橫滾角補償參數小於 0，值越小修正幅度越大。
– 慣性向前飛行: 設置俯仰角補償參數小於 0，值越小修正幅度越大。
– 慣性向後飛行: 設置俯仰角補償參數大於 0，值越大修正幅度越大。 - 搖桿增益
改變搖桿前後及左右方向的控制增益，若將此參數增大，推動搖桿將獲得較大的變量。 - 油門限制
限制遙控器所能控制的油門最大值。 - 控制模式
設定控制介面的模式。 - 鎖定、解除鎖定以及同步按鍵
– 鎖定按鍵: 點擊後系統進入鎖定狀態，鎖定狀態將無法以手機控制四軸飛行器
– 解除鎖定按鍵: 解除系統鎖定狀態並同步設定參數
– 同步按鍵: 點擊後參數設定介面所設定參數將與四軸飛行器同步，每次修正系統參 數後須點擊此鍵將手機與四軸飛行器同步
開始飛行
- 飛行場地 請確保飛行場地符合以下條件 – 空曠 – 低風速 – 在草地上方飛行可降低摔機時四軸飛行器的損壞程度
- 啟動四軸飛行器並與手機連線 – 將 ameba 上電後，使用手機搜尋 ameba WiFi AP (SSID: quadcopter) 並連線 – 連線後姿態資訊介面會動態顯示四軸飛行器俯仰、橫滾及偏航角度，請檢查數值是否正常
- ESC 校正 第一次飛行時請依照以下步驟校正 ESC – 移除飛行器上的槳 – 將所有 PID 參數設定為 0 – 將油門限制設定為 100% – 解除系統鎖定狀態 – 依照 ESC 說明書指示進行校正
- 解除控制系統鎖定狀態 ameba 四軸飛行器上電後初始狀態會將控制系統鎖定，點擊解除鎖定按鍵解除鎖定 狀態，此時與 ameba 腳位 18 連接的 LED 燈會亮起。
- 起飛 – 緩慢推動油門，觀察四軸飛行器起飛狀態 – 若是飛行容易翻覆或難以控制，嘗試修正 PID 及橫滾角、俯仰角補償參數
- 其他注意事項 接近四軸飛行器前請先鎖定系統避免發生危險 – 受到訊號範圍影響，飛行距離請勿超過 10 公尺 – 鋰聚電池過度放電將使電池壽命及品質降低，請避免電池內各cell的殘電量低於3.8V
異常狀態排除
- 無法開機 – 重新燒錄 ameba 四軸飛行器程式 – 檢查電路元件各腳位是否連結到正確的位置，無短路及接點鬆動的情況發生
- 無法穩定飛行 – 檢查馬達旋轉方向是否正確 – 檢查槳的配置是否正確 – 檢查各 ESC 與 PCA9685 所連接的通道編號是否正確 – 重新校正 ESC – 調整 PID 參數 – 檢查電路是否發生短路 – 避免環境有過多 2.4GHz 訊號干擾
- 起飛後慣性朝特定方向飛行 修正橫滾角度補償參數及俯仰角度補償參數
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