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综合实验（三）无人机控制系统与电子电路

实验目的

认识多旋翼无人机中电源、传感器、控制器、驱动器和执行器之间的信号关系；
掌握惯性传感器的基本读取、零偏校准和姿态变化观察方法；
用低功率LED模拟四个电机指令，理解滚转、俯仰控制和电机混控的基本原理。

预习材料

了解四旋翼无人机的机架、螺旋桨、电机、电调、飞控、惯性测量单元和电池等组成；
复习加速度计、陀螺仪、I²C总线和PWM的基本概念；
思考四个电机推力变化如何产生滚转和俯仰力矩。

实验器材

Arduino UNO、Nano或兼容开发板1块，MPU6050惯性传感器模块1个，面包板1块，不同颜色LED 4个，220 Ω～330 Ω电阻4个，USB线1条，杜邦线若干，硬纸板或泡沫板十字机架1个，安装 Arduino IDE 的笔记本电脑1台；可选用示波器1台。本实验不使用螺旋桨、动力电机或锂聚合物电池。

实验步骤

在十字机架四端标记前、后、左、右电机位置，将4个LED分别作为4个电机的指令指示灯，每个LED串联限流电阻后连接到PWM引脚；
断电连接MPU6050与开发板的电源、地、SDA和SCL，确认模块供电电压和引脚标识正确后再连接 USB；
运行I²C设备扫描程序，确认传感器地址能够被识别；读取三轴加速度和三轴角速度，并在串口绘图器中观察静止、滚转和俯仰时的数据变化；
将机架水平静置，采集至少200组数据计算零偏；在后续测量中减去零偏，并由加速度数据计算近似滚转角和俯仰角；
设置相同的基础亮度模拟悬停指令。向右倾斜机架时，使右侧两个LED变亮、左侧两个LED变暗；向前倾斜时，使前侧两个LED变亮、后侧两个LED变暗；
把滚转和俯仰修正量同时加入四路输出，限制PWM数值在0～255，验证组合倾斜时四个LED亮度变化是否符合预期；
加入安全逻辑：传感器读取失败或数据超时后，四路输出立即归零。断开传感器信号线，验证保护是否生效；
可选：用示波器测量一路PWM指令，比较机架水平和倾斜时的占空比。

思考题

为什么实际无人机仅依靠加速度计难以获得平稳可靠的姿态角？
若一个电机的推力偏小，飞控系统需要怎样调整其他电机的指令？
实际飞行器还需要哪些本实验未包含的安全措施？

考核要求

于1周内提交实验报告，内容包括系统框图、接线照片、传感器原始与校准后数据、四路混控程序、不同倾斜方向下的LED或PWM结果、安全逻辑测试及思考题解答。

实验索引