尚硅谷无人机学习笔记

1.无人机如何飞行

1.1无人机姿态角

简单记为：俯仰管前后，横滚管左右，偏航管转向。

• 偏航角：机头左右转
  无人机绕垂直轴z轴旋转。机头不抬头、不低头、不侧歪，只是原地向左或向右转。
  它改变无人机的航向，也就是机头朝向哪里

• 俯仰角：机头上下点
  无人机绕纵轴Y轴旋转。机头向上叫“抬头”，机头向下叫“低头”。
  它主要影响无人机是往前飞、往后退，还是爬升、下降。

• 横滚角：机身左右歪
  无人机绕横轴X轴旋转。左边低就是左滚，右边低就是右滚。
  它让无人机左右平移，比如向左飞、向右飞。

1.2无人机结构

• 十字型
• X型（更稳定，适合初学者）
  
  以X型为例
  前后运动
  若P1、P3协同，P1慢P3快，P2、P4不动，此时俯仰角前倾，给地面的力从竖直变成运行方向斜向后，则无人机可以往前飞
  左右运动
  P1、P3慢，P2、P4快

1.3旋转方向和气流方向的关系

如果从左向右把扇叶倾斜方向看作函数，扇叶弧度向上升，则按从左到右的方向旋转，气流向下，反之，如果扇叶弧度下降，则按从左到右的方向旋转，气流向上

螺旋桨逆时针转，会给无人机一个顺时针的力；则四个螺旋桨转动方向两两相反，对角线方向的螺旋桨转动方向相同，使顺逆时针方向的力抵消，只剩下纵向的升力，保证稳定性

2.动力系统电机介绍

2.1定高

用激光测距做无人机定高，核心思路是激光雷达给出“离地高度”，飞控把它当成高度环的测量值，再通过 PID 或串级 PID 控制推力，让无人机稳定在目标高度。

2.2电机

预算高：无刷电机
预算低：空心杯有刷电机，每分钟几万转

通过电生磁，NS相吸，带动转子转动；同时，通过交流电的电流反向，使磁性反向，带动转子360°旋转。利用MOS管做电子开关，实现代码对电机的控制。

3.电源系统

无人机：3.7V 2000mAh锂电池
遥控器：3.7V 500mAh锂电池

锂电池充电：主控板烧录器连电脑

4.飞控和通信

主控：stm32f103c8t6
陀螺仪：mpu6050（I2C）
激光测距：VL53L1X（I2C）
2.4G通信：SI24R1（SPI）工作在 2.4GHz ISM 频段，支持 GFSK/FSK 调制，可以配置为发射、接收或收发一体，适合遥控、传感器数据回传、无线开关、有源 RFID 等场景

5.遥控器

功能：

电池：3.7V 500mAh锂电池
电源芯片：IP5305T，是英集芯推出的一款高集成度移动电源管理 SOC 芯片，主要用于充电宝、TWS 耳机盒、小风扇等便携式设备，负责锂电池的充电、升压放电和电量指示；
LDO：AMS1117-3.3V
通信：SI24R1 （SPI）必须和无人机用同一个型号
显示系统：OLED（SPI）用于显示各种控制信息

6.PID

MPU6050进行姿态解算，告诉飞控，飞机现在是平的，还是向左/右/前/后歪了；
接着MCU计算目标姿态 − 实际姿态 = 误差，根据误差输出控制量：
P 比例：歪得越多，修正越猛。
I 积分：长期有一点小偏差，慢慢把它消除。
D 微分：修正太快会晃，D 用来抑制抖动和超调。
最后 PID 的输出会转换成四个电机的 PWM 占空比，让某些电机加速、某些减速，把机身拉回目标姿态

7. 总结

本文从无人机的基本飞行原理出发，梳理了姿态角（偏航、俯仰、横滚）与机身结构（十字型、X 型）的关系，并解释了螺旋桨旋转方向与气流方向的对应规律。随后依次介绍了动力系统的电机选型（无刷电机与空心杯有刷电机）、电源系统的锂电池配置、飞控与通信方案（STM32F103C8T6 + MPU6050 + VL53L1X + SI24R1）、遥控器的硬件组成，以及 PID 控制算法在姿态稳定中的核心作用。整体来看，无人机是一个集传感器、电机驱动、无线通信与控制算法于一体的嵌入式系统，掌握这些模块之间的协作关系，是后续进行飞控开发与调试的基础。