瑞薩R7F0C014 四軸飛行器設計資料，文檔設計說明稿件
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1.1 四軸飛行器原理介紹
四軸飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。結構上，本次應用中使用四軸飛行器的飛行模式是 X 模式，如圖“圖 1.1”所示，四軸飛行器的四個電機一對正轉，一對反轉使得垂直方向旋轉的反扭矩平衡, 從而保證了飛行的穩定。四軸飛行器可以用作航拍、玩具等，在我們生活中已經越來越常見。
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四軸飛行器的基本飛行狀態可以分為：垂直飛行、水平飛行（俯仰和翻滾）、偏航飛行，分別如“圖 1.2”
所示。
（1）垂直飛行：如下圖（a）所示，同時增加或減少四個電機的轉速，四軸飛行器則會垂直上升或下降。
（2）水平飛行：如下圖（b）所示，增加兩個電機的轉速，如電機 M1 和 M4，同時減少另兩個電機 M2和 M3的轉速，則四軸飛行器將向右飛行，同理可得向前、向后、向左方向的飛行方式。
（3）偏航飛行：如下圖（c）所示，增加兩個電機的轉速，如電機 M1 和 M3，同時減少另兩個電機 M2和 M4的轉速，則四軸飛行器將順時針偏轉，同理可得逆時針偏轉的飛行方式。
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1.2 PID平衡控制
對于四軸飛行器平衡控制算法中，電機的轉速并不是單獨由油門來決定，而是以油門為基準整合上空間三軸俯仰（Pitch）、翻滾（Roll）和偏航（Yaw）的控制量來決定，如下公式所示。
例如，四軸飛行器機頭向下傾斜時（對應俯仰），為了達到平衡，電機 3和電機 4增大轉速，電機 1和電機 2減小轉速，此時俯仰控制量應該向負增大（控制量的正負由姿態芯片 MPU6050擺放決定）。
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由于實際偏航角（Yaw）無法由 MPU6050 測得，需要用電子羅盤，但是電子羅盤在四個電機的電磁作用下，精度受影響較大，所以上式中偏航（Yaw）控制量去除比例項，僅由微分項得到。 MPU6050的姿態刷新頻率約為 10ms一次。
1.3 定高控制
高度的采集通過超聲波模塊 HC-SR04 實現，由于測量距離的限制（約 2cm-120cm），本系統僅適用于室內低空飛行，默認高度設定為 60cm。
定高部分算法，根據超聲波檢測的距離進行 PID控制，定高控制的輸出量與初始油門（由機身本身的重力和當前電池電量決定）疊加作為當前油門，從而不斷調節四軸飛行器油門值來實現垂直方向上的定高，而水平方向由于缺少 GPS相關模塊，未能得到進行水平方向的控制量，所以本系統只能實現簡單的懸停。 超聲波模塊 HC-SR04置于四軸飛行器底部，高度刷新頻率約為 50ms一次。
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