arduino四旋翼无人机-睿诚科技协会

第一部分：核心概念与工作原理

在开始之前,你需要理解无人机是如何飞行的。

（图片来源网络，侵删）

基本结构:
- 机架: 无人机的骨架,连接所有部件。
- 电机与螺旋桨: 4 个电机，每个电机带动一个螺旋桨,提供升力。
- 电调: 电子调速器，接收来自控制板的 PWM 信号,控制电机的转速。
- 飞行控制板: 核心大脑，负责处理传感器数据、计算控制指令,并向电调发送信号。
- 电池: 提供动力，通常是 LiPo 电池。
- 遥控器与接收机: 用于手动控制无人机起飞、转向、飞行模式切换等。
飞行姿态与控制: 无人机通过改变四个电机的转速来实现不同姿态的飞行。
- 俯仰: 无人机前后倾斜，通过增加后侧两个电机的转速，同时减小前侧两个电机的转速实现前进。
- 横滚: 无人机左右倾斜，通过增加右侧两个电机的转速，同时减小左侧两个电机的转速实现向右飞行。
- 偏航: 无人机水平旋转，通过对角线上两个电机的转速增加，另外两个对角线上的电机转速减小（左前+右后，右前+左后）实现,这是由于螺旋桨的反扭矩效应。
- 升降: 所有四个电机的同时增加或减小转速,实现上升或下降。
传感器与姿态解算: 控制板需要知道无人机当前的姿态（角度）才能进行稳定控制,这通常通过以下传感器组合实现：
- 陀螺仪: 测量角速度（旋转速度），但它有温漂问题,数据会随时间产生偏差。
- 加速度计: 测量加速度（包括重力加速度），可以用来测量静态姿态（俯仰角和横滚角），但在运动中（比如飞行时）数据会非常“抖动”且不准确。
- 磁力计: 测量地磁场，用于确定机头朝向（航向角）。
传感器融合: 单独使用任何一个传感器都不行，我们需要将陀螺仪、加速度计和磁力计的数据融合起来，得到一个准确、平滑的姿态估计，最常用的算法是 Madgwick 或 Mahony 算法，幸运的是,很多现成的库已经帮我们实现了这些算法。
（图片来源网络，侵删）

第二部分：所需硬件清单

对于初学者，我强烈建议使用集成了传感器和必要电路的开发板,而不是从零开始焊接所有元件。

初学者首选（强烈推荐）

飞行控制板: Arduino Mega 2560 + GY-68 (MPU-6050) 传感器板，这是最经典、资料最多的组合，MPU-6050 集成了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度计，你需要自己添加一个磁力计（如 HMC5883L）。
升级版: Arduino Due + GY-85 (或类似的 10DOF 传感器板)，Due 性能更强，可以处理更复杂的传感器融合，GY-85 通常集成了 MPU-6050、HMC5883L 和气压计（用于高度测量）。

集成度更高（推荐有一定基础后使用）

飞行控制板: MultiWii, Cleanflight, Betaflight 等开源固件的开发板（如 Naze32, Flip32, SPRacingF3），这些板子性能强大，但配置和调试相对复杂，通常需要使用专门的配置软件（如 Cleanflight Configurator），它们的核心也是基于 Arduino 或类似架构的,但底层优化得更好。

通用硬件清单

主控板: Arduino Mega 2560 或 Arduino Due。
IMU 传感器模块: GY-68 (MPU-6050) + HMC5883L (磁力计)。
电机: 4 个无刷直流电机（KV 值根据你的机架大小选择，如 1006 KV1500）。
电调: 4 个 2-4S 的无刷电调,确保支持你选择的电机和电池。
螺旋桨: 2 对（4 个）正反桨（2 个 CW 顺时针，2 个 CCW 逆时针）。
机架: 150mm 或 200mm 的四轴机架。
电池: 1S 或 2S 的 LiPo 电池（1S 更安全，动力稍弱；2S 动力强，但风险也高）。
遥控器与接收机: 至少 4 通道的遥控器（用于油门、副翼、升降、方向）和配套的接收机。
其他: 杜邦线、香蕉线（连接电池和电调）、热缩管、扎带、螺丝等。

第三部分：软件架构与代码

这是项目的核心,我们将分步实现。

环境准备

安装 Arduino IDE。
安装必要的库：
- Wire.h: 用于 I2C 通信，与 MPU-6050 通信必需。
- I2Cdev.h: MPU-6050 的底层驱动库。
- MPU6050.h: MPU-6050 的上层库。
- HMC5883L.h: 磁力计库。
- Madgwick.h 或 Mahony.h: 传感器融合库（推荐 Madgwick）。
- PID_v1.h: PID 控制算法库。

硬件连接

IMU -> Arduino:
- VCC -> 5V
- GND -> GND
- SCL -> SCL (Arduino Mega: 21, Arduino Due: 22)
- SDA -> SDA (Arduino Mega: 20, Arduino Due: 21)
电调 -> Arduino:
- 每个电调的信号线连接到 Arduino 的一个 PWM 引脚（3, 5, 6, 9）。注意： 这些引脚必须支持 analogWrite()。
接收机 -> Arduino:
- 接收机的通道信号线连接到另外的 PWM 引脚（2, 4, 7, 8）。

代码实现步骤

我们将代码分为几个模块：

步骤 1：传感器初始化与读取

（图片来源网络，侵删）

#include <Wire.h>
#include <I2Cdev.h>
#include <MPU6050.h>
#include <HMC5883L.h>
#include <Madgwick.h>
// 创建传感器对象
MPU6050 mpu;
HMC5883L mag;
// 创建 Madgwick 滤波器对象
Madgwick filter;
// 陀螺仪和加速度计原始数据
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;
// 磁力计原始数据
int16_t mx, my, mz;
void setup() {
  Serial.begin(57600);
  Wire.begin();
  // 初始化 MPU6050
  mpu.initialize();
  if (!mpu.testConnection()) {
    Serial.println("MPU6050 connection failed!");
    while(1);
  }
  // 初始化 HMC5883L
  mag.initialize();
  if (!mag.testConnection()) {
    Serial.println("HMC5883L connection failed!");
    while(1);
  }
  // 设置 Madgwick 滤波器采样频率
  filter.begin(100); // 假设 loop 函数每秒运行100次
}
void loop() {
  // 读取所有传感器数据
  mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
  mag.getHeading(&mx, &my, &mz);
  // 将原始数据转换为物理单位
  float accX = ax / 16384.0; // 假设加速度计灵敏度为 ±2g
  float accY = ay / 16384.0;
  float accZ = az / 16384.0;
  float gyroX = gx / 131.0; // 假设陀螺仪灵敏度为 ±250 deg/s
  float gyroY = gy / 131.0;
  float gyroZ = gz / 131.0;
  // 更新 Madgwick 滤波器
  filter.updateIMU(gyroX, gyroY, gyroZ, accX, accY, accZ);
  // 获取计算出的姿态角 (弧度)
  float roll = filter.getRoll();
  float pitch = filter.getPitch();
  float yaw = filter.getYaw();
  // 打印到串口用于调试
  Serial.print("Roll: "); Serial.print(roll * 180/M_PI);
  Serial.print("\tPitch: "); Serial.print(pitch * 180/M_PI);
  Serial.print("\tYaw: "); Serial.print(yaw * 180/M_PI);
  Serial.println();
  delay(10); // 控制循环频率
}

测试: 上传这段代码，打开串口监视器，当你慢慢倾斜无人机时，应该能看到 Roll 和 Pitch 值随之变化，转动无人机，Yaw 值也会变化,这是成功的第一步！

步骤 2：读取遥控器信号

你需要一个函数来读取 PWM 信号，通常使用 pulseIn() 函数。

#define CHAN1_PIN 2 // 副翼
#define CHAN2_PIN 4 // 升降
#define CHAN3_PIN 7 // 油门
#define CHAN4_PIN 8 // 方向
int chan1_val, chan2_val, chan3_val, chan4_val;
void readReceiver() {
  chan1_val = pulseIn(CHAN1_PIN, HIGH, 25000); // 约 1-2ms 的脉宽
  chan2_val = pulseIn(CHAN2_PIN, HIGH, 25000);
  chan3_val = pulseIn(CHAN3_PIN, HIGH, 25000);
  chan4_val = pulseIn(CHAN4_PIN, HIGH, 25000);
}

测试: 在 loop() 中调用 readReceiver() 并打印 chan3_val（油门），当你拨动摇杆时，应该能看到数值在 1000-2000 之间变化。

步骤 3：实现 PID 控制器

PID 控制器是无人机的“平衡大师”，它比较“目标值”（我们希望的角度，通常是0）和“当前值”（传感器读到的角度）,然后计算出修正量。

#include <PID_v1.h>
// 定义 PID 对象
// PID(&输入值, &输出值, &设定值, Kp, Ki, Kd, 方向)
double rollInput, rollOutput, rollSetpoint = 0;
double pitchInput, pitchOutput, pitchSetpoint = 0;
double yawInput, yawOutput, yawSetpoint = 0;
// PID 参数，需要实际调试
double Kp_roll = 1.0, Ki_roll = 0.1, Kd_roll = 0.01;
double Kp_pitch = 1.0, Ki_pitch = 0.1, Kd_pitch = 0.01;
double Kp_yaw = 1.0, Ki_yaw = 0.01, Kd_yaw = 0.0;
// 创建 PID 实例
PID rollPID(&rollInput, &rollOutput, &rollSetpoint, Kp_roll, Ki_roll, Kd_roll, DIRECT);
PID pitchPID(&pitchInput, &pitchOutput, &pitchSetpoint, Kp_pitch, Ki_pitch, Kd_pitch, DIRECT);
PID yawPID(&yawInput, &yawOutput, &yawSetpoint, Kp_yaw, Ki_yaw, Kd_yaw, DIRECT);
void setupPIDs() {
  rollPID.SetMode(AUTOMATIC);
  pitchPID.SetMode(AUTOMATIC);
  yawPID.SetMode(AUTOMATIC);
}

在 loop() 中，将传感器读到的角度赋值给 rollInput 和 pitchInput，然后调用 rollPID.Compute() 和 pitchPID.Compute() 得到 rollOutput 和 pitchOutput。

步骤 4：混合电机输出

这是最后一步，将 PID 输出、遥控器输入和基础油门混合，计算出最终给每个电机的 PWM 值。

// 电机引脚定义
#define M1_PIN 3 // 前左
#define M2_PIN 5 // 前右
#define M3_PIN 6 // 后左
#define M4_PIN 9 // 后右
// 电机基础油门
float base_throttle;
void mixOutput() {
  // 1. 从遥控器获取基础油门
  base_throttle = map(chan3_val, 1000, 2000, 1000, 1500); // 将遥控器油门映射到安全范围
  // 2. 应用 PID 修正
  // 电机布局:
  //   M1(FL)   M2(FR)
  //   M3(BL)   M4(BR)
  // 横滚控制: 左右电机速度差
  int roll_mix = rollOutput; // rollOutput 可能为正或负
  // 俯仰控制: 前后电机速度差
  int pitch_mix = pitchOutput; // pitchOutput 可能为正或负
  // 偏航控制: 对角电机速度差
  int yaw_mix = yawOutput;
  // 计算每个电机的最终值
  int motor1_val = base_throttle - pitch_mix + roll_mix + yaw_mix;
  int motor2_val = base_throttle - pitch_mix - roll_mix - yaw_mix;
  int motor3_val = base_throttle + pitch_mix + roll_mix - yaw_mix;
  int motor4_val = base_throttle + pitch_mix - roll_mix + yaw_mix;
  // 限制 PWM 值在安全范围内 (通常是 1000-2000)
  motor1_val = constrain(motor1_val, 1000, 2000);
  motor2_val = constrain(motor2_val, 1000, 2000);
  motor3_val = constrain(motor3_val, 1000, 2000);
  motor4_val = constrain(motor4_val, 1000, 2000);
  // 输出到电机
  analogWrite(M1_PIN, motor1_val / 8 - 125); // 电调通常使用 1000-2000 的脉宽，analogWrite 是 0-255
  analogWrite(M2_PIN, motor2_val / 8 - 125);
  analogWrite(M3_PIN, motor3_val / 8 - 125);
  analogWrite(M4_PIN, motor4_val / 8 - 125);
}

注意: analogWrite() 的输出范围是 0-255，而电调通常需要 1000-2000us 的 PWM 信号，上面的 motor_val / 8 - 125 是一个简单的转换（1000/8-125=0, 2000/8-125=125），但更可靠的方法是使用 servo.writeMicroseconds()，更好的做法是使用 Servo 库来控制电调。

第四部分：调试与安全（极其重要！）

绝对不要在室内或人群密集处进行首次试飞！

地面测试:
- 电机测试: 在不安装螺旋桨的情况下，通过遥控器给油门，观察四个电机是否按照你的预期旋转（M1逆时针，M2顺时针，M3顺时针，M4逆时针），如果方向反了,交换任意两根电机线即可。
- PID 调试: 这是最耗时也是最关键的一步。
  - P (比例): 从一个很小的值开始（如 0.1），增加 P，无人机会开始“抖动”，抖动越厉害，P 越大,找到一个刚好能让无人机抵抗轻微晃动的值。
  - D (微分): 增加 D 可以抑制抖动，让飞行更平滑，但如果 D 太大,会导致无人机响应迟钝甚至产生新的振荡。
  - I (积分): 主要用于抵抗持续的、方向不变的力（如风），I 太大会导致无人机在平衡点附近来回“漂移”，初学者可以先设为 0。
- 推荐顺序: 先调俯仰和横滚的 PID，最后调偏航，偏航的 PID 通常比较简单。
首次试飞:
- 找一个巨大、开阔、无风的草地。
- 将无人机放在起飞点,机头对着你。
- 油门推到最低，然后快速推到中高位置（约 50%）。
- 无人机可能会剧烈晃动，不要惊慌,立即将油门拉回最低。
- 根据晃动的方向，微调相应的 PID 参数,然后再次尝试。
- 重复这个过程,直到无人机能短暂地悬停。

总结与进阶

这个项目涉及硬件、软件、物理和调试，挑战巨大，但完成后你会收获满满，从简单的 Arduino Mega + MPU-6050 开始，一步步调试,是成功的关键。
进阶:
- 使用气压计: 添加气压计（如 BMP280）可以实现定高飞行。
- 使用激光雷达: 激光雷达可以实现厘米级的精准定高和室内飞行。
- 姿态模式与自稳模式: 实现不同的飞行模式。
- 自动返航: 在遥控器信号丢失时,自动飞回起飞点。
- 开源固件: 当你对这个项目有了深入理解后，可以尝试研究和配置 Cleanflight/Betaflight 等更强大的固件。

祝你项目成功！这是一个充满乐趣和挑战的旅程。

arduino四旋翼无人机

第一部分：核心概念与工作原理

第二部分：所需硬件清单

初学者首选（强烈推荐）

集成度更高（推荐有一定基础后使用）

通用硬件清单

第三部分：软件架构与代码

环境准备

硬件连接

代码实现步骤

第四部分：调试与安全（极其重要！）

总结与进阶

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