做做AI，造造人 - 动力老男孩的博客

春节期间进行了第二次不拴绳的试飞。总体来说，革命尚未成功，同志仍需努力……

和第一次相比，主要做了以下变化：

1. 给油门控制添加了一点渐变处理，当不小心把油门推高或者降到0的时候，飞行器不会猛升猛降，油门会较为平稳的变化。
好的飞控不会有这个功能，因为控制比较平稳，尤其是玩暴力飞行的朋友，肯定不能有延时。这里主要是为了在调试阶段不要损伤器件。

2. 添加了超声波测距传感器，把离地距离限制在1.5米以内，超出这个高度后，油门就会适当下降，这个主要是为了避免飞出控制范围和直接坠落。

3. 把采样频率从原来的50Hz提高到了350Hz，本来想提高到400Hz，但是某些情况下单个周期里的运算时间会超过2.5ms一点儿，所以最后改为350Hz。

4. 增加了从上面拴绳和下面拴绳两种调试方法，主要是为了调试PID时使用。

这是加了超声波大眼睛的四轴飞行器：

四轴飞行器上的超声波测距传感器

飞行视频：

从飞行的状态看，超声波测距起了一定的作用，四轴没有像上次那样飞的太高和直线下降。但是起飞以后侧飞的非常严重，看上去像是在很大尺度上摆动。做一个小小的总结，下个阶段准备在以下几个方面进行改进：

1. 减少震动，把控制板用弹簧或者橡胶垫稍微做点隔离，减少电机震动对传感器的影响
2. 校准螺旋桨，刚刚知道我买的螺旋桨（5元一对）平衡性能不是很好，不校准的话震动很大。建议的校准可以用一根细的针穿过中心轴，看看不会向一侧偏。轻的一边用透明胶带绕几圈配重。但是不知道透明胶带会不会影响气动性能
3. 没有做误差标定，就是把四轴放在平地上，在启动电机前记录平地时的各种读数
4. 除了1和2中的物理减震外，还应该做软件减震，按老薛的建议，打算把平均滤波改为卡曼滤波
5. 挂绳的试飞和无绳的试飞并不完全相同，挂绳时有垂直或水平的作用力，会辅助四轴平衡。所以这个四轴在挂绳时有时表现的还凑合，一到实战就横着飞
6. 初期犯了个经验主义错误，我以为气压计只能测量较大尺度上的高度，毕竟上下几米气压几乎没有变化；另外也担心在快速上升下降的过程中，气压会受到风速的影响。但是通过网友们的实战看来，气压计的高度估计可以精确到0.25米左右，并且在高速飞行时的表现也还不错。真是小看了当前的电子设备，这个在下一步可以考虑加上。

另外还有一个小小的经验可以分享：刚开始挂绳时，发现挂绳也不安全。当四轴上升的时候，会把挂绳吸进螺旋桨，结果叮叮咣咣，你懂的……
后来找了一些叫做易拉宝的东西，本来是用来拴钥匙门卡的，自重小而且伸缩性挺好，绳子也挺结实。四轴上升下降的时候，绳子也跟着伸缩，这样就不怕螺旋桨卷绳子啦。

用可伸缩的挂绳来测试四轴

虽然四轴飞行器还没有最后完工，但我觉得这不妨碍先发一部分攻略。作为一个新手，我在调试过程中遇到了很多问题，现在不记下来的话，等完工了很可能都忘了；另外，高手们也可以通过我的攻略，看看有没有什么错误，或者哪里可以优化；最主要的是，独乐乐不如众乐乐，分享是DIYer们的精神之一

上次整理了四轴攻略的目录，今天正式把它放在导航栏成为一个新项目，目录的顺序是按照我制作的顺序来组织的。
比如刚买回来电机和电调，本来应该先做电机控制实验。但是看了说明书发现这种电机还需要初始化，而且初始化需要可调比例的PWM方波（具体的设置方法会在后续的电调部分介绍）。对于控制来说，调节方法至少有两种：一种用旋转电位器连接Arduino的模拟输入，另一种是用计算机或者手机通过串口控制调节。

因为电机的初始化只需要做一次，为了这个增加电位器好像没有必要；而串口通信则会贯通在整个控制和调试的过程中，所以我决定先从它开始实验。

串口通信其实之前已经做过很多小实验了，简单的一段演示代码如下：

Serial.begin(9600);  // 设置波特率
Serial.write(123);   // 向控制端写数据
while(Serial.available()) {
       // 如果有数据，则读取数据
       byte data = Serial.read();
}

很快你会发现这段简单的小代码有一些问题。

1. 传输速度：
代码中的9600是波特率，也就是数据通信的速度，它是目前比较流行的传输速率。以这个速度通信的话，每发送一个字节（Byte）到控制端需要的时间大概是1毫秒。需要注意的是，为了精确控制四轴的平衡，我们需要尽量在短时间内多读取各种传感器的值。以目前的350Hz的采样率来说，每2.85毫秒就需要读取一次陀螺仪和重力感应器。这种情况下，1Byte/ms的传输速度显然是不能容忍的。解决的办法就是修改波特率，Arduino支持的波特率包括：300, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600, 和 115200。如果修改的话，相应的控制端也需要修改成一样的。
大家可能会说，为什么不全都用高速的呢？实际上能使用多少的波特率，跟处理器的主频有关；而且主频最好是波特率的整数倍，否则的话可能会增加错误率。对于我这个四轴来说，如果用USB和电脑通信，可以达到最高的115200；如果用蓝牙和手机通信，只能达到9600的波特率（因为蓝牙模块修改波特率还需要额外购买一个控制板）
很让人高兴的一点是，Arduino支持在运行过程中动态修改波特率。所以可以首先使用9600连接，当发现连接对象是电脑时，调整为115200：

    if(controlType == 100 && !connectToPc) {
      Serial.end();
      connectToPc = true;
      Serial.begin(115200);
    }

需要说明的是，只有发送数据才有这个问题，对于单向接收数据基本是没有关系的。因为Arduino接收的数据会放在缓冲区里，在读取的时候数据已经下载完毕，主程序不需要等待接收。

2. 关于通信协议
对于一个新手来说，协议可能是个特别吓人的词汇，感觉是权威机构才能制定的东西。事实上，在单片机领域经常需要自己定义协议。下面我们看看到底是怎么回事。
前面的代码中演示了如何接收一个字节的数据，问题是：如果需要接受多个控制数据，读取程序怎么知道哪个字节是控制那个参数呢？
我用了一个非常简单的协议，每组数据6个字节，其中第一个字节是FF，其他字节都小于255。这样一来，我们在读取数据时，如果看到FF就知道它是数组的第一个元素了。
当然我这里是一个简单的协议，对于复杂的系统，数据中很可能也带有FF数据，这种情况该怎么办呢？其实也很简单，就像高等语言中的转义功能。如果数据中有FF，那么我们把它改成FE01。等等，如果数据中原来就有FE01怎么办？我们可以把所有的FE改成FE02。这样就完成了转义。学过HTML语言的同学，可以用&转义符做参考进行理解。

3. 校验位
接下来是另外一个问题。单片机通信并不像我曾经想象的那样稳定和精确，它其实是有可能丢数据的。例如串口数据到达的时候，Arduino的中断正好被触发，这时候数据就丢了。
丢一个数据可能会带来非常严重的后果，例如我的控制参数，第一个是油门，第二个是PID的积分参数，第三个是PID的微分参数。如果第二个数据丢了，我就会认为第三个是积分参数，这两个参数如果相差较大的话，也许四轴就坠毁了……
所以在协议里，还需要确认一下收到的数据是否完整和正确，这里就需要用到校验位。一个常用的简单的方法是，把一组数据依次进行异或操作，把结果作为最后一个字节的数据一起发出去。接收端收到数据后，也相应的做一次异或操作，看看两个值是否相等。从数学上看，也可以把接收数据全部异或起来，如果等于0就对了。（这种异或校验法不能完全保证正确性，有一定的概率会误判，但是大多数情况够用了）
如果校验错误的话，我们宁可把这一组数据丢掉，也不能使用错误的参数。

void loop()
{
    while(Serial.available()) {
        pushData(Serial.read());
    }
}
int bufferIndex = 0;
void pushData(byte data)
{
  //验证是否数据的开始
  if (bufferIndex < 1 && data != (byte)0xFF) {
    bufferIndex = 0;
  } else {
    buffer[bufferIndex] = data;
    if (bufferIndex == 5) {
      setParams();
    }
    bufferIndex = (bufferIndex + 1) % 6;
  }
}
void setParams()
{
  // 因为超声波中断可能导致数据丢失，所以需要额外的一个字节用于校验
  if(buffer[1] ^ buffer[2] ^ buffer[3] ^ buffer[4] == buffer[5]) {
    ctrlPower = buffer[1];
    reportType = buffer[2];
    P_Control = buffer[3] / 200.0;
    I_Control = buffer[4] / 200.0;
    // 其他处理
  }
}

总结，其实所谓的“协议”，就是在数据通信时商量好的“规则”，按照这个规则，我们才能保证接收到正确的数据。

据胡泊同学介绍，最近南京嵌入之梦的站长丁齐整理了一本《智能小车DIY全攻略》的电子书。

该同学常年折腾智能小车，各种成功与失败都已经经历过了，特此总结了这本书。现在可以从机器人天空免费下载，有兴趣的同学赶快去吧！

作者的话：“标题只是为了赶时髦，所谓“全攻略”实不敢当，所以将“全”字用引号括起。本文是为正准备DIY 一辆智能小车或已在进行中的学生、玩家们提供一些综合、客观的信息，作为其方案选择、取舍的参考。系个人所见，欢迎交流、指正！”

本书为作者多年智能小车DIY与嵌入式开发经验总结，书中资料详实准确，有前人的宝贵经验，也有作者的实际测试所得。书中全面系统的阐述了智能小车开发所涉及的方方面面，包括驱动方式的选择，各种方式之间的比较，电机与电池的选择……相信对智能小车DIY还心存困惑的爱好者们看完此书后定会获得醍醐灌顶之感。

下载地址：http://www.robotsky.com/XiangM/2012-01-16/13266880187017.html
作者主页：http://www.embedream.com/

为这些无私奉献的DIY同学们鼓掌

今天的天气非常好，蓝天白云，风平浪静，阳光明媚，万物复苏，狗熊撒欢……想一想四轴飞行器已经在阳台上挂着试飞过若干次了，今天终于要摆脱枷锁，真正试飞一次。

于是携带专用摄影师圈圈妈，来到了附近的小绿园。因为最近剃了光头，所以脑袋还是挡一下吧，以免吓到小盆友和花花草草：

四轴飞行器首次试飞

现在还没有加上超声波测距传感器，不能测量离地高度。因为觉得可以控制电机转速，所以觉得没有它也问题不大。

不过从试飞看来，没有这个测距传感器还是很不方便的，主要有以下几个原因：
1. 有效量程较小，我设置的量程是0~200，对应电机的最小和最大转速；但是转速到60的时候才刚刚离地，到80就已经接近失控；
2. 手机控制过于灵敏，手指头稍微动一下，十几二十就出去了；
3. 控制距离比较短，只能支持10多米，总担心飞出控制范围；

下面的视频是第一次正式离地，总的来说，离地还算平稳。第一次没敢使劲飞，一起来我就向下调油门。结果有点心急了，搞得像坠毁似的。
从离地表现看来，陀螺仪和重力传感器应该是工作正常，姿态平衡算法也还勉强凑合。Ar.Drone使用的是ARM芯片，读数采样率可以达到500Hz，而我这个Arduino目前只优化到350Hz，第一次试飞能直上直下还算满意了。

随后又试了几次类似的低飞操作，终于决定卯足劲飞高点。于是把油门推到80，结果瞬间就蹿到了十米高左右。
要知道这家伙如果超出蓝牙控制范围，就会保持这个速度乱飞，谁知道会发生什么事情呢？
那边还有几个打太极拳的老头老太太，再过去是一群小P孩，数千转的螺旋桨跟飞刀也差不多了……
太恐怖了，所以马上遥控降落，结果再次操作过快。这次从高空重重摔在地上，好不容易焊好的那块扩展板被震松了，所有的电机全部罢工。
第一次试飞只能到此结束啦。

这是由美女摄影师拍摄的坠落现场：

阶段总结：
1. 量程控制应该改进成非线性的，0～60可以缩短一点，60~90可以拉长一点（对应手机上的控制距离）。这样遥控的时候，在有效量程内就不会手忙脚乱的，一哆嗦就上天或者坠落。
2. 是时候加上超声波测距了，目前陀螺仪和加速度计都工作正常。如果能够测量离地高度，就可以比较平稳的悬浮。
3. 四个腿应该捆上点泡沫缓冲，不然高处坠落的时候，非常容易损坏零部件。
4. 蓝牙的遥控距离确实有点短了，一不留神就飞出10米远。接下来可以考虑wifi控制，或者捆一个手机上去，用另一个手机控制。
5. 添加意外处理，万一真的失去控制，应该平稳降低电机转速下降，否则的话一定会有安全隐患。

欢迎各路英雄提出宝贵意见

今天看到SSS_SXS同学的提醒，发现已经有一个多月没更新了。这段时间乱七八糟的事情挺多，期间还开小差又玩了一阵子陀螺，总之进展不多。

目前的状况是：传感器可以正确读数，电机驱动和手机蓝牙控制也已经完成，最复杂的姿态平衡控制正在调试中。虽然还没有完成，现有的东西也可以大概总结一下攻略，这里先列出目录，以后慢慢补充内容。

快过年啦，祝大家新年快乐，万事如意，多拿红包！

基于Arduino的四轴飞行器制作攻略

• 四轴飞行器教程1：器件介绍（上）
• 四轴飞行器教程2：器件介绍（下）
• Arduino串口通信
• 用一块Arduino输出多路PWM
• 带好盈程序的电子调速器控制
• I2C总线和SPI总线
• 三轴陀螺仪的调试
• 三轴加速度感应器的调试
• 三轴电子指南针的调试
• 蓝牙接收板的使用
• Android手机开发环境设置
• Android手机的蓝牙通信
• 自制Arduino扩展板
• Arduino中的指令时间
• 卡尔曼滤波和平衡滤波
• 空间坐标系变换及调试
• PID平衡算法
• 在电脑上记录log并调试
• 超声波测距传感器的使用