无人机核心项目开发系列：从设计到实现的完整解析
无人机核心项目开发系列：从设计到实现的完整解析
01-面试大保健-核心项目-无人机-架构-硬件
1. 无人机项目概述
在这篇博客中，我们将回顾一个遥控四轴无人机的项目。这是一个面向儿童的玩具无人机，具备基础的飞行功能：上升、下降、前进、后退、左右移动和水平旋转等。我们需要明确项目的背景和目标，并且了解这个项目是如何通过硬件与FreeRTOS进行开发的。
1.1 项目背景
该项目作为外包项目，面向儿童市场。无人机的基本操作如上升、下降等功能，都是通过遥控来实现的。整体项目目标是开发一个儿童娱乐用的玩具，不涉及复杂的飞行任务控制。简而言之，项目属于简单的无人机控制系统，重点在于稳定性和易用性。
2. 项目架构
在讨论架构时，我们从硬件和软件两个方面来分析无人机系统。硬件部分涉及无人机的各个关键模块，如电源系统、飞控系统、动力系统、机架、和通信系统等。
2.1 无人机硬件架构
无人机的硬件架构可以分为以下几个关键部分：
- 电源系统：包括电池和电源芯片。
- 飞控系统：飞行控制板和主控芯片。
- 动力系统：四个电机，用于驱动无人机的飞行。
- 机架：无人机的物理框架。
- 通信系统：无线信号传输模块，确保遥控与无人机之间的通信。
图示：
流程图：无人机硬件架构
+------------------------+
| 电源系统 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 飞控系统 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 动力系统 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 机架 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 通信系统 |
+------------------------+
2.2 电源系统
电源系统主要由电池和电源芯片组成。电池选择了锂电池，输出电压为3.7V，容量为2000mAh。这个电池容量的意义是，它能以2000mA的电流连续放电1小时。
电源芯片包括IP5305T和LDO线性稳压器，负责电池的充放电管理。IP5305T广泛用于移动电源（充电宝），而LDO稳压器用来将电压从5V降至3.3V，为主控芯片提供电源。
图示：
流程图：电源系统工作流程
+------------------------+
| 锂电池 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 电源芯片（IP5305T） |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| LDO稳压器 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 主控芯片（3.3V电压） |
+------------------------+
2.3 飞控系统
飞控系统是无人机的核心，负责整个飞行的控制。主控芯片选用了Cortex-M4架构的芯片（例如STM32）。该芯片的主要特点是：
- 存储：20KB的SRAM和64KB的Flash。
- ADC：2个通道。
- 定时器：3个定时器，确保飞行过程中的精确控制。
此外，飞控系统还使用了传感器（如MPU6050）来获取无人机的姿态信息，并进行相应的控制计算。
图示：
流程图：飞控系统工作流程
+------------------------+
| 主控芯片 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 传感器（MPU6050） |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 姿态计算与控制 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 飞行控制执行 |
+------------------------+
2.4 动力系统
动力系统由四个电机组成，选用了空心杯直流电机。空心杯电机的优点是：
- 高效率：能量转化效率高，达到70%-90%。
- 响应快：转子的惯性小，响应速度快。
- 重量轻：没有铁芯，降低了电机的重量，适合飞行器使用。
- 转速高：能够支持无人机所需的高速旋转，提升飞行能力。
电机通过PWM控制与MOS管连接，控制电流和电压，以调节电机的转速和功率。
图示：
流程图：电机驱动控制
+------------------------+
| 电机（空心杯直流电机） |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| PWM控制信号 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| MOS管驱动电流 |
+------------------------+
|
v
+------------------------+
| 控制电机转速与功率 |
+------------------------+
2.5 通信系统
通信系统使用了2.4GHz无线信号传输，核心芯片为SI2421。该通信系统负责遥控器与无人机之间的无线信号收发。
3. 总结
今天我们回顾了无人机项目的整体架构，特别是硬件部分。无人机项目的核心硬件包括电源系统、飞控系统、动力系统、机架和通信系统。每个硬件模块都有其独特的功能和技术要求，在实际开发和面试中，理解这些模块并能清楚地讲解其工作原理是非常重要的。
- 电源系统：提供稳定的电池电源和电压转换。
- 飞控系统：通过传感器和计算控制飞行姿态。
- 动力系统：通过电机和PWM控制提供飞行动力。
- 通信系统：保证遥控与无人机之间的信号传输。
希望通过这篇博客，你能对无人机硬件架构有更深入的理解，并能够清晰地在面试中讲解这些内容。
02-面试大保健-核心项目-无人机-架构-软件-飞机-姿态控制流程
1. 项目概述
在这篇博客中，我们将深入了解无人机项目的姿态控制部分，这是飞控系统中最关键的一部分。控制无人机的飞行姿态是确保稳定飞行的核心任务，涉及多个重要模块和控制算法。我们将一步步解析这一流程，帮助你理解如何通过控制俯仰角、滚转角和偏航角来保持无人机的稳定飞行。
1.1 无人机姿态控制的核心
姿态控制的核心思想就是控制无人机的三个关键角度——俯仰角（Pitch）、滚转角（Roll）和偏航角（Yaw）。这三个角度决定了无人机的飞行方向和姿态，通过调整这些角度来实现前进、后退、左右平移等飞行动作。
图示：
流程图：姿态控制核心角度
+-------------------+
| 俯仰角（Pitch） |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 滚转角（Roll） |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 偏航角（Yaw） |
+-------------------+
2. 姿态控制的系统设计
2.1 飞控任务的设计
在项目中，飞控系统的任务被分为多个子任务，每个任务都有其特定功能。我们将重点关注非控任务，它负责核心的姿态控制功能。飞控任务的流程设计不仅仅是简单的控制飞行角度，还包括传感器数据的获取、信号处理和PID控制等多个环节。
2.1.1 无人机任务划分
飞控系统中任务的划分如下：
- 通信任务：负责与遥控器的通信。
- 非控任务：负责姿态控制。
- 电源任务：管理电池和电源的状态。
- 灯控任务：控制无人机的LED指示灯，显示遥控器连接状态等信息。
图示：
流程图：飞控系统任务划分
+-------------------+
| 通信任务 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 非控任务 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 电源任务 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 灯控任务 |
+-------------------+
2.2 姿态控制的状态机
为了有效管理无人机的飞行状态，我们定义了多个状态机，其中包括：
- 空闲状态：无人机解锁之前，电机转速为零。
- 正常工作状态：解锁后，电机开始工作，飞行可以开始。
- 故障状态：例如遥控失联，系统会进入故障模式。
这些状态的管理可以确保无人机在不同飞行条件下的行为一致，确保飞行过程中的安全性。
图示：
流程图：飞行状态机
+-------------------+
| 空闲状态 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 正常工作状态 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 故障状态 |
+-------------------+
3. 姿态控制的传感器数据获取
在姿态控制过程中，首先需要获取准确的角度信息。为了获取这些信息，我们使用了MPU6050六轴传感器，它包括三个陀螺仪和三个加速度计。陀螺仪可以测量旋转角速度，而加速度计可以测量直线加速度。
3.1 数据处理与滤波
由于传感器获取的原始数据可能会有噪声，我们需要对这些数据进行处理。通过使用低通滤波器和卡尔曼滤波器，我们能够有效去除噪声，提高测量精度。
图示：
流程图：数据处理与滤波
+-------------------+
| 获取原始传感器数据 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 应用低通滤波 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 应用卡尔曼滤波 |
+-------------------+
4. 姿态控制的PID算法
一旦获得了俯仰角、滚转角和偏航角的数据，我们就可以使用PID控制器来调整电机的转速，从而控制飞行姿态。
4.1 PID控制原理
PID控制是一种经典的反馈控制方法，它通过计算目标值与实际值之间的误差，并根据误差调整输出。具体来说：
- P（比例）：根据误差的大小调整输出。
- I（积分）：通过累积误差来修正长期的偏差。
- D（微分）：预测误差的变化趋势，提前做出调整。
我们通过PID控制调整电机的转速，进而控制姿态。
图示：
流程图：PID控制原理
+-------------------+
| 计算误差 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 计算PID输出 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 调整电机转速 |
+-------------------+
4.2 串级PID控制
为了提高控制精度，我们使用了串级PID控制，将内外环PID结合在一起，分别控制角度和角速度。内环PID控制角速度，外环PID控制角度。这样可以更快速响应飞行中的干扰，确保飞行的稳定性。
图示：
流程图：串级PID控制
+-------------------+
| 外环PID控制角度 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 内环PID控制角速度 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 调整电机转速 |
+-------------------+
5. 总结
在这篇博客中，我们详细探讨了无人机姿态控制的核心流程。从飞控系统的任务划分、姿态控制的状态机设计，到如何获取传感器数据并进行滤波，再到使用PID控制算法来调整电机转速，每一步都至关重要。
通过掌握这些核心概念，你可以深入理解飞行控制系统的工作原理，并且在面试中详细阐述无人机姿态控制的实现。
03-面试大保健-核心项目-无人机-架构-软件-飞机-其他
1. 无人机姿态控制状态机设计
在本节博客中，我们将继续讨论无人机姿态控制系统。上一节我们讲解了姿态控制的基本流程，这一节我们将深入探讨如何通过状态机来管理无人机的飞行状态，包括如何处理空闲状态、飞行状态和故障状态。
1.1 姿态控制状态机的设计
首先，我们需要定义无人机的几个核心状态：
- 空闲状态（Idle State）：无人机刚开机时处于空闲状态，电机转速为零，无法响应遥控器指令。
- 飞行状态（Flight State）：当无人机解锁后，进入飞行状态，电机开始运行，能够通过遥控器控制油门和姿态。
- 故障状态（Error State）：如果无人机出现故障，系统进入故障状态，电机转速逐渐降至零，确保无人机安全着陆。
图示：
流程图：无人机状态机
+-----------------------+
| 空闲状态 |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 飞行状态 |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 故障状态 |
+-----------------------+
1.2 状态转换逻辑
- 空闲状态：当无人机开机时，它首先进入空闲状态。在此状态下，电机的转速始终为零，遥控器的油门操作不会有任何反应。
- 解锁操作：为了安全起见，必须进行解锁操作。解锁操作通常是先将油门拉到最大，保持片刻，然后将其拉到最低，这样才可以使无人机进入飞行状态。
- 飞行状态：一旦无人机解锁，系统进入飞行状态，油门即可控制电机转速。此时，油门的值与PID控制算法的输出会共同影响电机的转速。
- 故障状态：如果在飞行过程中出现故障（如失联或电池电量过低），系统会自动切换到故障状态。在故障状态下，电机转速逐渐降至零，之后无人机会回到空闲状态，确保飞行安全。
2. 油门与PID控制结合
在飞行状态下，PID控制与油门的控制结合使用，以精确调整无人机的飞行姿态。
2.1 PID控制的作用
- PID（比例、积分、微分）控制用来调整无人机的姿态，使其保持稳定。PID算法根据当前姿态和期望姿态之间的误差来调整电机转速。
- 但需要注意的是，并不是所有情况下PID的计算结果都会直接影响电机转速。实际操作中，油门的值与PID计算结果结合，共同决定电机的转速。
2.2 油门与PID输出的结合
在飞行状态下，油门的控制权通常占主导作用。比如，油门控制80%的电机转速，而PID控制计算结果可能仅占20%的调节。油门负责大致控制飞行高度和速度，而PID则精细调整飞行姿态，确保无人机稳定飞行。
图示：
流程图：油门与PID结合控制
+-----------------------+
| 油门控制（80%） |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| PID控制调整（20%） |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 电机转速控制 |
+-----------------------+
3. 故障状态处理
当无人机进入故障状态时，必须采取适当的措施来确保无人机安全着陆，避免出现更严重的问题。
3.1 故障状态的触发
故障状态的触发条件可能包括但不限于：
- 遥控失联：遥控器与无人机的连接中断，导致飞行控制无法继续。
- 电池电量不足：电池电量过低时，飞控系统会自动进入故障状态，防止电力不足导致飞行失败。
3.2 电机控制与降速
在故障状态下，飞控系统会逐渐降低电机的转速，确保无人机能够稳定着陆。电机转速从飞行状态下的正常转速逐渐降至零，以减少坠落的冲击力。
图示：
流程图：故障状态处理
+-----------------------+
| 故障触发（失联或低电）|
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 电机转速逐渐降至零 |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 回到空闲状态 |
+-----------------------+
4. 状态机与任务划分
4.1 无人机任务划分
在飞控系统中，除了状态机的设计，还有多个任务负责不同的功能。主要的任务划分如下：
- 飞控任务：负责计算PID并控制飞行姿态。
- 通信任务：接收遥控器指令，并传输状态信息。
- 电源任务：监控电池电量，确保电池电量不足时切换到故障状态。
- 灯控任务：控制LED指示灯显示当前飞行状态。
4.2 通信任务与状态机协同工作
通信任务不仅负责接收遥控器数据，还需要同步更新无人机的飞行状态。通过接收遥控器的解锁信号，通信任务可以触发状态机的转换，确保无人机从空闲状态进入飞行状态。
图示：
流程图：通信任务与状态机
+-----------------------+
| 接收遥控信号 |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 更新飞行状态 |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 状态机转换 |
+-----------------------+
5. 总结
这篇博客中，我们详细探讨了无人机飞控系统中姿态控制的核心流程，包括：
- 姿态控制状态机：设计了空闲、飞行、故障等不同状态，并确定了状态之间的转换逻辑。
- PID控制与油门的结合：阐述了PID控制如何与油门共同作用，精确控制电机转速。
- 故障状态的处理：介绍了无人机进入故障状态后的降速和安全着陆机制。
- 任务划分与状态机协同：分析了飞控系统的任务划分和通信任务与状态机之间的协作。
这些控制机制确保了无人机在不同情况下的稳定性和安全性，并为无人机的飞行控制提供了强大的支持。希望通过这篇博客，你能更加深入地理解无人机飞控系统的工作原理，为面试和实际开发打下坚实的基础。
04-面试大保健-核心项目-无人机-架构-软件-遥控
1. 遥控端设计概述
在这篇博客中，我们将深入探讨无人机遥控端的设计。遥控端主要负责通过无线信号控制无人机的飞行状态。这个设计的任务主要包括采集遥控器的数据、进行数据处理和传输。我们将详细分析如何通过软件的架构设计来实现这些功能。
1.1 遥控端的架构
遥控端的主要功能是通过扫描遥杆和按键的状态，生成遥控指令，并通过无线通信模块将这些指令发送给无人机。遥控端的架构可以简化为以下几个主要任务：
- 遥杆扫描任务：用于实时获取遥杆的输入信号。
- 按键扫描任务：负责扫描按键状态，处理用户的输入。
- 通信任务：负责通过无线信号将数据传输到无人机。
图示：
流程图：遥控端架构
+-------------------+
| 遥杆扫描任务 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 按键扫描任务 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 通信任务 |
+-------------------+
2. 数据采集与处理
2.1 遥杆数据采集
遥控端的主要输入来自遥杆，这些遥杆的信号是通过**ADC（模拟-数字转换器）采集的。为了减轻CPU的负担，数据采集采用了DMA（直接存储器访问）**方式。这样，ADC采集的数据能够直接写入预设的内存数组，避免了CPU在数据采集过程中的干预。
2.2 数据处理
- 数据范围处理：由于遥杆的信号范围可能存在误差，需要对其进行处理以适应不同的使用需求。
- 滤波操作：为了避免遥杆输入信号中的噪声对飞行产生不稳定影响，系统使用了窗口均值滤波算法来平滑遥杆的输入信号，确保输入信号的稳定性。
- 校准：遥杆在松开后可能不会返回到其物理的“零”位置。为了提高精度，系统在启动时进行了中值校准，对遥杆的偏差进行补偿。
图示：
流程图：遥杆数据处理
+--------------------------+
| 使用ADC采集遥杆数据 |
+--------------------------+
|
v
+--------------------------+
| DMA将数据存入数组 |
+--------------------------+
|
v
+--------------------------+
| 滤波和平滑处理 |
+--------------------------+
|
v
+--------------------------+
| 校准误差 |
+--------------------------+
3. 按键扫描与通信协议
3.1 按键扫描任务
遥控端的按键扫描任务通过GPIO引脚实时扫描按键状态，简单处理用户输入的开关操作，主要用于启动、停止或者其他基本命令的传输。通过扫描GPIO的电平状态，系统能够确定按键的触发状态，并根据触发的按键执行相应操作。
3.2 通信协议设计
为了确保数据能够正确、稳定地传输给无人机，我们设计了一个简单的通信协议。该协议将遥控指令封装为数据包，包含以下几个主要部分：
- 头部：包括数据包的标识符。
- 功能字：表示当前数据包的功能，例如遥控数据、开关机命令等。
- 数据部分：具体的遥控指令数据。
- CRC校验：用于确保数据传输的完整性。
该数据包通过2.4GHz的无线通信模块（如SI2421芯片）发送给无人机。
图示：
流程图：通信协议设计
+----------------------+
| 头部（标识符） |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 功能字（指令类型） |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 数据部分（遥控数据） |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| CRC校验 |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 发送数据包 |
+----------------------+
4. 显示屏与用户体验
为了提升用户体验，我们还在遥控器上添加了一个OLED屏幕，实时显示遥杆的状态和其他重要信息。屏幕通过SPI通信与主控芯片进行数据交换，显示当前遥控数据和飞行状态。
这种设计使得用户能够直观地看到遥控器当前的工作状态，尤其在调试和使用时，能够帮助用户更好地掌握飞行控制的实时反馈。
图示：
流程图：OLED显示屏通信
+-------------------+
| OLED显示屏 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| SPI通信接口 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 主控芯片与屏幕通信 |
+-------------------+
5. 总结
在这篇博客中，我们分析了无人机遥控端的设计与实现，包括遥杆数据采集、按键扫描、通信协议设计和显示屏的使用等方面。
- 遥杆数据采集：通过ADC和DMA采集遥杆数据，并进行滤波与校准，保证信号的准确性。
- 按键扫描：通过GPIO扫描按键，控制基本的开关操作。
- 通信协议：定义了一个简单而有效的协议，通过无线通信模块与无人机进行数据传输。
- 显示屏：通过OLED屏幕实时显示遥控数据，提升用户体验。
通过这些设计，遥控端能够实现稳定且高效的数据采集与传输，确保无人机能够平稳飞行并且响应遥控指令。希望这篇博客能够帮助你更好地理解遥控端的设计思路，为面试和实际开发奠定基础。
05-面试大保健-核心项目-无人机-串讲
1. 项目概述
今天我们将回顾一个无人机项目，该项目是我们在上一家公司参与的外包项目，主要为儿童设计的遥控玩具飞机。这个项目的设计包含了两个主要部分：飞机端和遥控端。在本博客中，我们将详细介绍飞机端的核心结构和飞行控制系统。
1.1 飞机端设计
飞机端的硬件架构相对简单，由以下几个部分组成：
- 电池：为整个系统提供电力。
- 机架：承载所有硬件部件的物理框架。
- 飞控板：核心控制单元，负责飞行姿态的控制。
- 四个电机：用于驱动飞机进行飞行。
飞控板通过飞行控制算法来控制这四个电机的转速，从而控制飞机的俯仰角、滚转角和偏航角，保持飞行的稳定性。
图示：
流程图：飞机端架构
+------------------+
| 电池 |
+------------------+
|
v
+------------------+
| 飞控板 |
+------------------+
|
v
+------------------+
| 电机 |
+------------------+
1.2 遥控端设计
遥控端相对较简单，主要由两个遥控杆和一些按键组成，用于控制飞机的飞行，包括升降、平移和转向等基本操作。此外，还有一个小屏幕，用于实时显示油门值等控制信息。遥控器通过2.4G无线通信与飞机端进行数据交换。
图示：
流程图：遥控端架构
+------------------+
| 遥控杆 |
+------------------+
|
v
+------------------+
| 按键 |
+------------------+
|
v
+------------------+
| 显示屏 |
+------------------+
2. 飞行姿态控制
2.1 姿态控制的核心角度
飞行姿态主要通过三个角度来控制：
- 俯仰角（Pitch）：控制飞机的前后倾斜。
- 滚转角（Roll）：控制飞机的左右倾斜。
- 偏航角（Yaw）：控制飞机的方向变化。
这三个角度的变化共同决定了飞机的运动方向和稳定性。飞行控制的本质就是通过调整这三个角度来保持飞行的稳定性。
图示：
流程图：飞行姿态的三个角度
+------------------+
| 俯仰角（Pitch） |
+------------------+
|
v
+------------------+
| 滚转角（Roll） |
+------------------+
|
v
+------------------+
| 偏航角（Yaw） |
+------------------+
2.2 姿态控制的实现
为实现姿态控制，我们使用了MPU6050六轴传感器，它包含了三个加速度计和三个陀螺仪，分别测量飞机的加速度和角速度。传感器采集的数据需要进行处理，首先进行滤波以去除噪声，然后通过卡尔曼滤波对数据进行平滑处理，最后通过四元数转换将数据转换为欧拉角。
得到欧拉角后，我们使用PID控制来调整电机的转速，控制飞机的姿态。PID控制通过计算误差值来调整输出，确保飞机的飞行姿态达到预期值。
图示：
流程图：姿态控制的处理流程
+----------------------+
| 采集传感器数据 |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 数据滤波和平滑处理 |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 欧拉角计算 |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| PID控制器调整电机转速 |
+----------------------+
3. 无人机控制的PID算法
3.1 PID控制的原理
PID控制是一种典型的反馈控制机制。它通过计算当前姿态与目标姿态之间的误差，并根据误差调整飞机的电机转速。
- P（比例）：控制误差与输出的比例关系，误差越大，输出调整越大。
- I（积分）：累积误差，修正长期的稳态误差。
- D（微分）：预测误差的变化，提前做出调整，避免过度修正。
3.2 PID的实际应用
在实际应用中，PID控制器的输出值会作用到四个电机的转速上。通过控制电机的转速，我们可以调节飞机的飞行姿态。例如，当俯仰角有误差时，PID控制器会调整前两个电机加速，后两个电机减速，从而使飞机恢复平衡。
图示：
流程图：PID控制与电机转速
+----------------------+
| 计算PID误差 |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 调整电机转速 |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 飞机姿态调整 |
+----------------------+
4. 状态机设计与故障处理
4.1 状态机设计
为了保证飞行安全，我们设计了一个简单的状态机，包含以下状态：
- 空闲状态：飞机未解锁，电机转速为零。
- 飞行状态：油门解锁后，进入飞行状态，电机开始运行。
- 故障状态：在发生故障（如遥控失联）时，飞机进入故障状态，电机逐渐停转，确保安全着陆。
4.2 油门解锁机制
为了避免误操作，飞行器在开机时油门无效，必须进行解锁操作。在解锁后，PID控制才会作用于电机，开始执行飞行任务。
图示：
流程图：油门解锁与状态转换
+----------------------+
| 飞机开机 |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 空闲状态（电机停转） |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 解锁操作（油门推至最大） |
+----------------------+
|
v
+----------------------+
| 飞行状态（PID控制） |
+----------------------+
5. 总结
这篇博客回顾了无人机飞行控制系统的核心部分，重点介绍了姿态控制的实现，PID控制算法的应用，以及状态机的设计。
- 姿态控制：通过控制俯仰角、滚转角和偏航角，确保无人机飞行的稳定性。
- PID控制：根据实时误差调整电机转速，保持飞行姿态。
- 状态机与故障处理：通过定义状态机确保飞行过程中的安全性。
通过这些设计，无人机能够高效、稳定地执行飞行任务，并能够在出现故障时安全着陆。希望这篇博客能帮助你更好地理解无人机的飞行控制系统，并为相关技术的学习和面试准备打下坚实基础。
06-面试大保健-核心项目-无人机-面试真题
1. 面试中常见的问题
在面试中，考官可能会问到一些关于项目设计的技术性问题，比如：
- 使用的主控芯片：这通常是一个基础问题，面试官可能会问你使用的是哪款主控芯片，RAM的大小以及芯片的最高主频是多少。准备这些细节有助于展示你对项目的全面理解。
- 电机选择：在设计无人机时，电机的选择是一个重要考虑因素。你需要考虑重量、转速、功耗和成本等因素。选择电机时，我们要根据无人机的需求来做出平衡，确保电机既能提供足够的推力，又不会过于耗电，同时也要考虑成本的控制。
2. 分层设计与功能模块
当谈到系统的分层设计时，面试官通常会询问：
-
项目的功能模块
：这个问题要求你描述你如何将项目的功能分成不同的模块。比如，飞行控制、遥控端、通信模块等。你需要明确每个模块的职责，并且解释模块间是如何交互的。
- 飞控系统：包括通信、飞行控制、灯控模块和电源管理模块。飞控系统的核心任务是实时控制电机，并根据传感器的输入调整飞行姿态。
- 遥控系统：包括遥控信号采集、数据传输、显示模块等。遥控系统的核心任务是采集用户的输入并将其通过无线信号传输到飞控系统。
图示：
流程图：功能模块分层设计
+-------------------+
| 飞控模块 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 遥控模块 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 通信模块 |
+-------------------+
3. ROS任务优先级设置
ROS（Robot Operating System）是很多嵌入式系统中使用的操作系统，它帮助管理多个并发任务。在设计任务优先级时，你需要考虑任务的重要性和执行的时间敏感性。
3.1 任务优先级分配
- 飞控任务：作为系统的核心任务，飞控任务需要实时处理传感器数据，并控制电机。它的优先级应该是最高的。
- 通信任务：通信任务负责与遥控器进行数据交换，保证指令的传输流畅。它的优先级要次于飞控任务，但也需要保持高响应性。
- 电源管理任务：电源管理需要实时监控电池状态，保证电源的稳定供应。它的优先级通常比通信任务高。
- 灯控任务：灯控任务主要用于显示状态，优先级较低。
图示：
流程图：ROS任务优先级
+-------------------+
| 飞控任务（最高） |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 通信任务（次高） |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 电源管理任务 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 灯控任务（最低） |
+-------------------+
4. PID参数调整与调试
4.1 PID调节方法
在飞行控制中，PID控制器用来调整飞行姿态。面试官可能会问你关于PID参数如何调节的问题。你可以这样回答：
- 调试过程：首先，我们需要通过调试架来调整PID参数。在调试架上，飞机通常只有一个自由度，避免了其他因素干扰。通过对俯仰角、滚转角、偏航角的调试，逐步调整PID参数，以达到最优控制效果。
- PID调节顺序：调节通常是先调节比例（P）环，然后调整积分（I）环，最后调整微分（D）环。
4.2 具体调节细节
如果面试官要求更详细的调试过程，你可以进一步说明如何具体调节每一个环节。例如：
- 俯仰角调节：先调整P值，确保飞机的俯仰姿态稳定；如果存在稳态误差，再调整I值；最后，调整D值，以消除过度调整带来的震荡。
- 偏航角调节：按照类似的步骤调整PID参数，以确保飞行时偏航角的稳定。
图示：
流程图：PID调节过程
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| 调整P环（比例控制） |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 调整I环（积分控制） |
+-----------------------+
|
v
+-----------------------+
| 调整D环（微分控制） |
+-----------------------+
5. 任务间数据传递与同步
5.1 数据传递方式
在多任务系统中，任务间的数据传递方式很重要。我们使用了全局变量和任务通知来进行数据的传递与同步：
- 全局变量：适用于任务间共享数据，但需要注意数据同步问题。
- 任务通知：用于实现任务间的事件触发。通信任务和电源管理任务之间就通过任务通知来交换关机指令。
5.2 使用任务通知
任务通知的好处是能够实现任务间高效的同步。例如，电源任务会等待通信任务发出关机通知后再执行关机操作，这避免了不必要的延迟。
图示：
流程图：任务通知与数据同步
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| 电源管理任务 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 等待通信任务通知 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 执行关机操作 |
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6. 技术亮点与难点
6.1 技术亮点
在项目中，我们使用了以下技术亮点：
- RMMS操作系统：这一操作系统有效管理了多个任务，简化了开发流程。
- PID串级控制：通过串级PID控制实现了精准的飞行姿态控制。
- 2.4GHz无线通信：确保了遥控指令的稳定传输。
- 滤波处理：对遥杆和传感器数据进行了滤波和平滑处理，减少了噪声。
6.2 项目难点
项目中的技术难点主要包括：
- PID调节：PID调节过程复杂，需要大量的测试和调试。
- 姿态计算：飞行器的姿态计算需要精确处理各种传感器数据，确保稳定性。
- 卡尔曼滤波：处理传感器数据时，卡尔曼滤波算法的实现是一个挑战。
图示：
流程图：技术亮点与难点
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| 使用RMMS操作系统 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| PID串级控制 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 2.4GHz无线通信 |
+-------------------+
|
v
+-------------------+
| 数据滤波处理 |
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7. 总结
在这篇博客中，我们回顾了无人机的设计与开发过程，重点讨论了项目中涉及的技术问题、模块划分、PID控制调试、任务优先级和任务间通信等内容。掌握这些技术点不仅能够帮助你更好地理解无人机的工作原理，还能在面试中展示你对项目开发的深入理解。希望这篇博客能为你的面试准备提供帮助，并帮助你进一步提升技能。