无人机如何用Arduino实现智能控制？

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核心概念：无人机与 Arduino

什么是 Arduino？ Arduino 是一个开源的电子原型平台，它基于简单易用的硬件和软件，它就像无人机的“大脑”，负责接收指令、处理传感器数据，并控制电机。
（图片来源网络，侵删）
为什么用 Arduino 做无人机？
- 成本低廉： 相比于成熟的飞控（如 Pixhawk），Arduino 方案成本极低。
- 学习价值高： 你需要亲手连接每一个传感器、编写每一行控制代码，能让你深入理解无人机飞行的底层原理。
- 高度可定制： 可以根据自己的需求自由添加或修改功能。
- 入门门槛： 对于初学者来说，是理解 PID 控制和多旋翼飞行的最佳途径。
Arduino 在无人机中的角色（飞控）
- 传感器数据融合： 读取陀螺仪、加速度计、磁力计等数据，计算出无人机的姿态（俯仰、横滚、偏航）。
- 接收遥控信号： 读取来自遥控器的指令（如油门、方向、姿态）。
- 运行 PID 算法： 这是飞控的核心，将当前姿态与遥控器设定的目标姿态进行比较，计算出修正量。
- 输出 PWM 信号： 根据PID计算结果，控制四个电机的转速，从而稳定无人机或执行飞行动作。

核心硬件清单

要制作一个基本的四旋翼无人机,你需要以下几类硬件：

核心控制板

Arduino 主板：
- Arduino Uno / Nano： 最常见，适合学习和原型验证，但性能和I/O口有限。
- Arduino Mega 2560： 拥有更多的I/O口和内存，是更复杂项目的理想选择。
传感器组合（通常集成在“飞行控制器”或“姿态航向参考系统”中）：
- IMU (惯性测量单元)： 这是必需的，它集成了：
  - 陀螺仪： 测量旋转角速度。
  - 加速度计： 测量加速度，可用于估算姿态（在静态时）。
- 磁力计： 测量地磁场，用于确定航向（像指南针一样）。
- 气压计： 测量大气压，可用于估算高度。
- 推荐模块： MPU-6050 (仅IMU) 或 MPU-9250 (IMU+磁力计) 是非常经典和低成本的选择，更高级的可以使用 BNO055 (它内部能直接输出姿态数据，省去了你编写数据融合算法的麻烦)。

动力系统

电机： 无刷直流电机，根据你的无人机大小和重量选择合适的KV值（KV值越高，转速越快）。
电调： 电子调速器，它接收 Arduino 的 PWM 信号，并控制电机的转速。电调的数量必须与电机数量一致（4个）。
螺旋桨： 需要两对正反桨，电机旋转方向不同，需要搭配相应方向的螺旋桨才能产生升力。
电池： 锂聚合物电池，常见的规格是 1S (3.7V) 或 2S (7.4V)，电压和容量取决于你的电机和电调。
电池充电器： 必须使用专用的锂电池平衡充电器，普通充电器会起火！

机身与结构

机架： 可以是塑料、碳纤维或玻璃纤维材质的“X”型或“+”型机架，决定了无人机的尺寸和强度。

通信与遥控

遥控器和接收器： 用于远程控制无人机，2.4GHz 频段是主流，接收器会输出 PWM 信号给 Arduino。

其他

面包板和杜邦线： 用于原型搭建和连接。
飞线： 用于永久性连接。
LED 灯： 用于夜间飞行或指示状态。

核心软件与编程

Arduino IDE

你需要从 Arduino 官网下载并安装 Arduino IDE。

（图片来源网络，侵删）

必需的库

在 Arduino IDE 中，通过 项目 -> 加载库 -> 管理库... 来安装以下库：

Wire.h： 用于 I2C 通信，大多数 IMU 传感器都使用此协议。
I2Cdev.h 和 MPU6050.h： 如果你使用 MPU-6050，这两个库是必需的，可以大大简化读取传感器数据的代码。
PID_v1.h： 一个非常经典且易于使用的 PID 控制库。
Servo.h： 虽然控制的是电机，但 Arduino 的 Servo 库可以方便地生成 PWM 信号来驱动电调。

飞行控制的核心算法：PID 控制

想象一下你想让无人机保持水平：

目标姿态： 俯仰角 = 0°，横滚角 = 0°。
当前姿态： 传感器读出俯仰角 = 5°。
误差： 5° - 0° = 5°。

PID 算法就是根据这个“误差”来计算出应该给电机多大的修正力。

P (Proportional - 比例)： 输出 = Kp * 误差，误差越大，修正力越大，这是最直接的部分，但只有 P 会导致无人机在目标位置附近来回摆动（震荡）。
I (Integral - 积分)： 输出 += Ki * 误差的累加，用于消除静差，因为风力，无人机总是向左偏一点点，I 项会慢慢累加这个持续的误差，直到产生一个持续的修正力来对抗它。
D (Derivative - 微分)： 输出 += Kd * 误差的变化率，用于抑制震荡，当无人机快速冲向目标位置时，D 项会产生一个反向的力，防止它冲过头。

调参是制作 Arduino 无人机中最具挑战性也最有趣的部分！

一个极简的入门项目：稳定一个“桌面无人机”

在你用真正的电机和螺旋桨冒险之前,强烈建议先用一个简单的项目来验证你的代码和传感器。

目标： 让 Arduino 读取 MPU-6050 的姿态，并通过串口监视器显示出来。不接电机！

硬件准备：

Arduino Uno / Nano
MPU-6050 模块
面包板和杜邦线

接线：

MPU-6050 使用 I2C 协议，接线非常简单：

VCC -> 5V
GND -> GND
SCL -> A5 (Arduino Uno) / D1 (Arduino Nano)
SDA -> A4 (Arduino Uno) / D0 (Arduino Nano)

软件步骤：

安装库： 打开 Arduino IDE，安装 Wire、I2Cdev 和 MPU6050 库。
上传代码： 复制以下代码到 Arduino IDE，上传到你的板子上。

#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"
#include "Wire.h"
MPU6050 mpu;
// 全局变量，用于存储传感器数据
int16_t ax, ay, az;
int16_t gx, gy, gz;
void setup() {
  // 初始化串口通信，波特率设为 115200
  Serial.begin(115200);
  // 初始化 I2C 总线
  Wire.begin();
  // 初始化 MPU6050
  mpu.initialize();
  // 可以添加一个自检，检查设备是否连接成功
  Serial.println("Testing device connections...");
  Serial.println(mpu.testConnection() ? "MPU6050 connection successful" : "MPU6050 connection failed");
}
void loop() {
  // 从 MPU6050 读取原始传感器数据
  mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
  // 通过串口打印原始数据
  // 你可以在串口监视器（Ctrl+Shift+M）中查看这些数值
  Serial.print("Accel: ");
  Serial.print(ax); Serial.print("\t");
  Serial.print(ay); Serial.print("\t");
  Serial.print(az); Serial.print("\t");
  Serial.print("Gyro: ");
  Serial.print(gx); Serial.print("\t");
  Serial.print(gy); Serial.print("\t");
  Serial.println(gz);
  // 延迟一段时间，避免数据刷新太快看不清
  delay(50);
}

验证：
- 上传成功后,打开 Arduino IDE 的串口监视器（右上角放大镜图标，设置波特率为 115200）。
- 平静地放置你的 MPU-6050，然后慢慢地旋转它。
- 你会看到串口输出的数据在变化,加速度计的数值在改变方向时会剧烈变化，而陀螺仪的数值在你转动它时会跳变，停止后又会归零。

恭喜！你已经成功迈出了第一步。 你需要学习如何将这些原始数据转换成有意义的姿态角（俯仰、横滚），然后实现 PID 控制逻辑，最后再接入电机进行测试。

重要安全警告

锂电池非常危险！ 过充、过放、短路或物理损坏都可能导致起火或爆炸。请务必使用专用的平衡充电器，并有人在看管的情况下充电。
螺旋桨高速旋转，极其锋利！ 在电机通电时，绝对不要将手或任何物体放在螺旋桨附近，建议制作一个“防护罩”。
从低功率开始测试： 在第一次完整飞行测试时，将电池电量放掉一些（比如只充到 80%），并选择一个开阔、无人的草地，如果失控，损失最小。

学习资源推荐

YouTube 频道：
- Andreas Spiess: 他有非常多关于 Arduino 和传感器的精彩教程。
- GreatScott!: 他的项目总是充满创意和教育意义。
- HowToMechatronics: 他的教程非常详细，图文并茂，有完整的无人机系列教程。
在线社区：
- Arduino 官方论坛
- Reddit 的 r/arduino 和 r/drones 板块
代码库：
- GitHub: 搜索 "Arduino Drone PID" 或 "Arduino Quadcopter"，可以找到很多开源项目供你学习和参考。