视频:
http://www.56.com/u38/v_MTMzNjI5MTcx.html
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抱歉，我不知道该怎样往阿莫里插视频播放窗口，好像没看见添加flash的选项，只能这样了。
顺便吐槽一下，阿莫同志，你的入门费太贵了，我这都是借别人的号发的帖，要不是某某让我转发一下，我还真不想花几个小时求爷爷拜奶奶地去借个号。如果你大发慈悲，麻烦送个邀请码行么。。。我的邮箱1203933924@QQ.COM
用51单片机做的四轴？以前别人这样说我们只能呵呵一笑说声逗比，但是现在的51早已不是当年的51,6路15位硬件PWM+2路CCP的16位硬件PWM，相当于是8路15位硬件PWM，mega328都可以直接秒掉，而mega328却正是市售MWC飞控的主控，mega328速度16MHZ，等效16MIPS，IAP15W4K61S4@28MHZ，差不多有25MIPS，运算速度也秒了mega328，也就是说，用51单片机做四轴绝对不成问题。
这里补充修改一下，那片子跑28MHZ不确定是不是20+MIPS，视情况而定，STC官网上说是10MIPS（1秒可执行1000万条指令，好高端哦！）实际的话nop指令是可以做到28MIPS，这是没有一点水分大家公认的，但是代码混合起来就讲不好了。
好了，屁话不多说，直接上图
正面
近照，可以看到，我对用料是十分在意的，松下高分子钽电容，三洋高分子钽电容，ESR 9毫欧，都可以秒固态了，下载口还用了一个TVS进行静电保护（Rclamp0524P）
背面的一颗STC的单片机 IAP15W4K61S4 LQFP64S
PCB空板
本人目前大二，做得不尽人意之处欢迎指教，不过麻烦说得别太专业化，我连模拟电路都还没学过，自动控制原理都还只自己看了一些些，太高深的懂不起，但是卡尔曼滤波，PID参数整定还是会的。
相关设计参数：
供电：1S锂电 350mah（600mah的在路上）
电机：720空心杯+59mm桨
MCU:IAP15W4K61S4@28MHZ
陀螺仪加速度计：MPU-6050
磁场传感计：HMC5883L
无线芯片：NRF24L01+
电机驱动MOS管：AO3400
MOS管保护用肖特基：BAT54ST
下载口防静电TVS:Rclamp0524P
机架：94*94mm
PCB厚度：1.2mm FR-4
软件相关参数：
姿态解算&电机控制频率：125HZ(8ms)
PWM频率：28KHZ 1000精度
滤波算法：卡尔曼滤波器
PID控制：PID=P*e(n)+I*[(e(n)+e(n-1)+...+e(0)]+D*[e(n)-e(n-1)]
我从大一开始做四轴，当时还是一个纯真的梦想吧，幻想用89C52做四轴，所以这弄出来的板子我也是画面太美不敢看。
之后采用了带4路硬件PWM的STC12C5628AD做主控，不过PWM分辨率太低，效果不是太好。
接下来几版都是STC15W4K系列的板子了，当初就想快点让STC发布这单片机，6路15位的PWM是我非常期待的。只可惜天天去看官网，发售时间从8月份弄到9月份再到10月份正式上市，我也是呵呵了，当时可以申请样片了后我就马上去申请了样片，坑爹的STC客服问我要3片还是5片，我说给多点吧，结果就给了我3片，还发顺丰，邮费我也是醉了，听学长说去德州仪器申请单片机人家都是免费顺丰包邮，除了你需求的单片机，还会多给你其他的样品，反观STC，呵呵。。。现在这单片机上市了，为了报复STC，我去淘宝网上买了30片这单片机，叫你当初给得那么少。
以前试图用STC的15F2K系列做过，发现定时器产生的PWM确实不行，做不出四轴，不过话也不是这么绝对，理论上用RTX51 Tiny/Full操作系统应该还是弄得出的，需要极强的软件功底，暂时没这技术哈。
由于是从其他地方移植，不想重写了，文章顺序有点乱，见谅！
浅谈我对PID整定和姿态解算的一丢丢看法，不对之处烦请各位大神指正。
PID的整定是个让很多人都感到头痛的问题，在此，我想强调一句，PID整定必须建立在良好的姿态解算的基础上才能进行，否则根本没法弄出一个很好的效果。举个例子，我的这个四轴，用互补滤波进行姿态处理，P最多调到3。再调大由于姿态解算不过关，P越大输出的姿态震动越大，即使D调大系统也没法收敛，也就是说这个系统发散了。而用卡尔曼滤波我可以把P调到4.5而且回复也有力，飞起来也稳。
在姿态解算中，有很多种方法，我这采用的就是普通的姿态角，其他的解算方法还有四元素，欧拉角，等等，其实四元数还是要转化为欧拉角才能用于PID，不过四元数没有欧拉角中万向节死锁的问题。具体请百度：四元数，欧拉角，万向节死锁。在此不一一赘述。
我这的姿态解算原理比较简单，就是对三轴加速度的值进行三角函数运算即可。
举个例子，首先我从加速度计中获取数据。
Accel_y= GetData(ACCEL_YOUT_H);
Accel_x= GetData(ACCEL_XOUT_H);
Accel_z= GetData(ACCEL_ZOUT_H);
再进行转化，转化公式在MPU6050数据手册里有
Angle_ax=(Accel_x)/8192;
Angle_az=(Accel_z)/8192;
Angle_ay=(Accel_y)/8192;
好了，这里得到的就是我们需要的加速度的值，取值范围0-1，也就是多少个g，g是重力加速度这个就不用说了吧。
之后用反三角函数进行运算：
AngleAx=atan(Angle_ax/sqrt(Angle_ay*Angle_ay+Angle_az*Angle_az))*180/3.141592657;
公式：X轴角度=arctan（Angle_ax/开根号（Angle_ay^2+Angle_az^2））
好了，这里得到的是弧度制的角度，再乘180除以π即可得到所需的角度值。但是这种姿态解算方式不好，超过90度就会出错，因为超过90度后加速度角度呈减小态势，而陀螺仪给的数据却是角度在增加，故滤波那里会出问题，因此别人才会用四元数来进行姿态解算，不过我最近在研究另外一种姿态解算的方法，比四元数简单得多，有成果后再弄上来，在这里姑且先用这种简单的方式来处理一下。
之后要对得到的值进行滤波，为什么要滤波呢，因为加速度计对震动特别敏感，一点震动就大姨妈，得到的角度值是不怎么准确的，不过大致在实际角度的上下。
而陀螺仪对震动不敏感，随便怎么震动都不会高潮。陀螺仪输出的数据是多少度一秒，据此进行积分，可以得到短时间内系统的姿态。不过陀螺仪有温飘，温度偏移一点他的误差就会大一点，故要用加速度计的值来对陀螺仪的值进行校准。修正他的温飘误差以及积分误差。这就是互补滤波的原理，短时间内以陀螺仪的值为准，长时间内以加速度计的值来对陀螺仪校准，二者优势互补，去掉不好的一面，这样得到的值就比较理想了。
互补滤波公式举例：Angle=0.95*(Angle-Angle_gy*dt)+0.05*AngleAx;
前面的0.95和0.05是对陀螺仪角度和角速度角度的权值，意思就是你相信哪个的程度更大一点，因为震动是双向的，故对加速度计进行低通滤波会使加速度计输出的值接近实际值，什么是低通滤波呢，打个比方，当前角度=0.95乘上次的角度+0.05乘测量的角度，低频信号才能通过这个滤波器，高频信号就被排除了，这就是对测量值进行低通滤波，dt是积分时间，就是定时器定时的时间，我这取8ms，即dt=0.08。
至于卡尔曼滤波，就是那5个基本公式，一个一个照着写就行了，网上卡尔曼的程序一抓一大把，在此也不作赘述了，卡尔曼比互补难写得多，今天不想写了，过年晚上还是不想太累。
再谈PID，得到了实时姿态，就知道了误差，知道了误差就要对电机进行控制，在PID中，P指比例，I指积分，D指微分，换种说法，P指回复力，P的输出值=P*误差；P越大偏差所引起的回复力越大。是系统能够回到0点的主要力。D是系统运动的阻力，D的输出值=D*（当前角度-前一次角度），D的存在能阻止系统运动。I是系统静差的消除力，比如你四轴的重心偏了，四轴会朝一边偏，对误差进行积分再乘以I即可消除这种机械结构引起的偏移。I的输出值=I*误差积分之和。
光有P存在的情况，系统一有偏差，就会立马回复，不过到0点时由于惯性，会继续运动，故光有P的话系统会震荡，根本停不下来。
故需要D，这个系统运动的克制力来对P进行压制，当PD呈一定比例时，系统就会稳定在一定的值，不过有可能会有点误差，这时就得靠I来修正。
I的原理决定了误差存在的时间约久，回复力越大，I可以理解是变相的回复力，专门用来修正PD没法消除的静差。
PID整定的方法：
I和D置0，从小往大调P，调整至用手造成一个误差，感觉回复有力即可。网上所说的调整至等幅震荡不适合小四轴，你根本就不可能把这玩意弄到等幅震荡的状态。总得来说，P调至你觉得回复起来有点力度就行了，不要太过于纠结。
之后从小往大加大D，在D加大的过程中，会出现震荡减小，震荡最小，震荡增大的过程。震荡最小的那一点即very good。
调好PD之后如果系统有静差，适当加上I即可，I不能加大，加大了会导致系统震荡，适当为宜。
这个过程一定要会区分震荡的来源，到底是P引起的还是D引起的。这个口述讲不清，只有靠自己慢慢调积累经验来体会。
调整好XY轴的PID后就该解决四轴自旋的问题了，一般来说XY轴的PID参数是一样的，调好一边，另一边直接复制过去就行。
自旋控制方法有2种，一种是对HMC5883的值进行PD控制，不过需要注意对电机的干扰进行排除，HMC5883输出值=地磁场+干扰值，干扰值是恒定的，因此你旋转360度，最小的那一个值+180就是干扰值，因为正常情况下他的输出值是-180-+180,这个干扰值减去就是，在这个过程中记得调大5883的测量范围，否则读出来的数据就是4096，这是超量程了。此外，还要记得用姿态解算出来的角度对磁场计进行角度修正。还有一种是对Z轴陀螺仪旋转速度进行PD控制，四轴自旋时Z轴陀螺仪会有反应，根据这个值进行PD控制就行了，实际应用来说后面那种就够了，只不过需要飞前对陀螺仪偏差进行校准。这个PD参数不要太纠结，Z轴稍微给点控制就稳了，毕竟XY轴才是四轴飞起来的关键。
此外，PID的要求是系统的输出量要和被调量成正比，故大四轴比小四轴好调得多，因为大四轴有电调，电调调整的不是电机供电电压，而是力矩，也就是说大四轴输出信号和升力是成正比的，而小四轴不是，但是我们只需要他大概是正比关系就行了，也能好好滴做朋友的。推荐碳刷电机PWM频率为500HZ，空心杯最好是20KHZ以上。
调PID中各种问题及解决方法汇总：
四轴偏离一定角度即使加I也纠正不过来，也就是说四轴明明知道他自己偏了，就是纠正不过来，解决方法：加大P。
D无论怎么调四轴就是要震荡，根本停不下来，解决方法，减小P
系统有细微偏差：加点点I
发现无论怎么调PID根本就不能让四轴取得一个很好的效果：换滤波方案吧，什么梯度下降法，卡尔曼滤波算法都是很好的。
震动越大角度值和实际值偏离越大：陀螺仪装错位置了，在MPU6050模块下面弄点泡沫双面胶可以很好解决，原则上来讲MPU6050是不能太靠近轴的。
飞四轴用的遥控器也发上来大家呵呵一下吧，做得比较丑
无线模块：NRF24L01+PA+LNA
摇杆：淘宝1块5一个买的，好用，金属杆http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.9.94.OjI08Z&id=41552368193&_u=tb2scoj4acf
MCU:STC15F2K60S2 DIP-40@35MHZ
无线频率：有拨码开关控制，具体看程序
通道：理论上来说是无限制的，想用就加
程序：http://pan.baidu.com/s/1i3IeiGH
做四轴过程中用到的相关参考资料：http://pan.baidu.com/s/1gdjCvcv
原程序我想就暂时不公开了，姿态解算那里有些bug，等我弄完美了再发上来，现在发上来也是让大家笑话的，对于阿莫上做四轴的大神来讲我这就是个小菜鸟，普通的卡尔曼，普通的PID而已，原理对于各位来说再简单不过了，还没用串级PID，下一步打算解决姿态解算中的问题以及PID算法更新，普通PID在大幅度打舵的情况下还是不怎么理想，容易抖。
程序的架构无非就是原始数据读取，姿态处理，滤波，PID，PWM输出
不过对于新手来说原始数据读取那里要注意一下，网上MPU-6050的程序加速度计是5HZ输出，陀螺仪125HZ输出，尼玛，加速度计的值5HZ的更新速度不是脑壳进屎了啊，一定要记得改。我附的资料里面有中文数据手册。
最后，秀一下我调四轴用的无线上位机，用串口发姿态数据太恼火了，还要插线，我这直接用2401发到屏幕上去看，显示效果还是不错的，这显示屏用IAP15L2K61S2(OC36MHZ）驱动，自己重写底层驱动代码后刷屏是1秒5屏，800*480分辨率，卖家提供的程序太坑爹了，执行效率太低了。
不要问我为何啥都是用51的片子，才大二上期，不会STM32，计划下个学期学，坐等大神带我飞。
最后依据我发帖的惯例，求砸各种币，阿莫这边不知道是什么币，有就砸吧，虽然不是我的号。
楼主帮弟弟上分，求砸各种币，谢谢各位大神了！
最后，再友情提示一句，卡尔曼滤波中所有的变量都最好定义到idata里面去，xdata实测会卡出翔，没法跑125HZ的解算频率。
今天在看程序的时候发现了点问题，再补充一些东西供大家探讨。 论STC的单片机做商业级四轴的局限性。
首先，给大家普及一点51相关的知识：
51单片机编程时内存可分为data ，idata，pdata，xdata。
data指51单片机片内内存的前128个字节，用ACC读写，速度最快。
idata指片内最前面256个字节的内存，用类似于指针的方式读写，适合用于指针操作。
pdata指扩展内存前256个字节的内存。
xdata指片外扩展内存，用DPTR访问
在51单片机进行运算的过程中，存在片内RAM的数据运算速度是最快的，存在xdata内的数据运算是最慢的，故对于四轴这种追求运算速度的东西来说，关键变量比如卡尔曼滤波的变量必须放在idata内。idata和xdata是什么概念？一个是DDR4-3200，一个是DDR2-800。
现在我的四轴用的是普通的三角函数解算角度值，没法做3D动作，今天在加四元数的过程中发现了个严重的问题，目前我光把卡尔曼的变量整到idata里就已经占了176.4字节的idata，四元数的相关参数根本放不下。
Program Size: data=176.4 xdata=339 code=10170
也就是说用51来跑四元数有点不现实。
我现在的四轴姿态解算频率是125HZ，实测跑两次卡尔曼加数据读取一共花了6.8毫秒，而且我这已经把MPU-6050的I^C总线的延时弄到芯片能够承受的最小极限了，如果我把卡尔曼的相关变量整到xdada里去，实测最多只能跑50HZ，
50HZ所引起的积分误差太大了，做出来的四轴很难飞稳。
好了，那么问题来了。假设我把四元数加进去，定义为float型，显然剩下的几十字节的空间是不够用的，如果多余的变量定义到pdata里，那么问题又来了，这意味着我必须降低我的姿态解算的频率，降低频率意味着积分误差加大，效果会适当下降。在此我不得不感叹51单片机的浮点运算能力有点低下啊，姚工为什么不整个FPU进去？或者像C8051F那样整个锁相环把频率提到100MHZ去。。。。
如今商业级飞控动辄几百HZ的姿态解算频率，还有各种外设，如果51用商品级飞控的思路来做的话姿态解算频率根本就上不去，最多100HZ，还是在没有GPS导航，没有气压计定高，没有磁场计的情况下。
加GPS导航等外设的话就得上操作系统，不过用51来跑RTX51 Tiny操作系统的话速度我想也就是奔3的电脑装了个win8吧，当然，不知道别人移植到51上的uCOS2效果怎么样。
虽然STC的网站上说商品级四轴可以用一片STC15W4K32S4系列+什么15w408做出来，但是效果肯定是达不到商业级的要求的，当然，某某硬是要和KK飞控去比我也是没话说。
不过我想如果硬是要赶鸭子上架的话有一种蠢办法，那就是加几个协处理器，主处理器专门负责四轴的平衡问题协处理器专门负责外设，不过这样成本就高了，飞控面积也大了。
因此，我觉得用51虽然能做出四轴来，但是运算速度决定了这玩意不能把四轴做好，不知各位有何高见？
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发表于 2016-3-25 14:38:51
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