目录

基于iNav固件的Y3垂起无人机倾转舵机固定翼模式实现研究......................................... 2

1. 引言..................................................................................................................... 2

1.1 研究背景..................................................................................................... 2

1.2 技术挑战..................................................................................................... 2

2. 系统设计与硬件选型............................................................................................. 2

2.1 总体架构..................................................................................................... 2

2.2 关键硬件参数对比....................................................................................... 3

2.3 硬件配置..................................................................................................... 3

·         GPS：Ublox M7/M8（支持伽利略+北斗）................................................. 3

2.4 关键功能配置.............................................................................................. 3

2.5 混控配置（重点检查）................................................................................ 3

2.6 安全与故障保护........................................................................................... 4

2.7 PID与滤波参数............................................................................................ 4

2.8 硬件接口..................................................................................................... 4

2.9 改进建议..................................................................................................... 5

1.舵机行程校验：........................................................................................................... 5

2.空中模式（Airmode）：............................................................................................. 5

3.返航逻辑优化：........................................................................................................... 5

4.黑匣子优化：............................................................................................................... 5

测试步骤............................................................................................................ 5

1.地面测试：.................................................................................................................. 5

2.悬停测试：.................................................................................................................. 5

3.GPS功能验证：.......................................................................................................... 5

3. 倾转控制实现....................................................................................................... 6

3.1 机械结构设计.............................................................................................. 6

3.2 iNav固件配置要点....................................................................................... 6

3.3 控制逻辑设计.............................................................................................. 6

1.多模式切换策略：....................................................................................................... 6

2.倾转角度-推力耦合算法：........................................................................................... 6

4. 实验验证.............................................................................................................. 7

4.1 测试环境..................................................................................................... 7

4.2 数据记录..................................................................................................... 7

5. 结论与展望........................................................................................................... 7

Y3垂起垂起...................................................................................................................... 8

一．通道设置............................................................................................................ 8

1.AMR（油门锁定）........................................................................................................ 8

5.      NAV CRUISE（巡航模式）........................................................................................... 8

二． 插线设置........................................................................................................ 12

（一）垂起模式下............................................................................................ 12

（二） 固定翼模式下....................................................................................... 13

 

 

基于iNav固件的Y3垂起无人机倾转舵机固定翼模式实现研究

摘要本文以SpeedyBee F405 Wing Mini飞控为核心，结合北征BZ251 GPS、银燕/金属舵机等硬件构建Y3垂起无人机平台，通过iNav固件实现倾转舵机控制的固定翼模式飞行。重点阐述硬件选型、舵机倾转控制逻辑、飞行模式切换策略及实验验证，为低成本VTOL系统开发提供参考。

1. 引言1.1 研究背景

·        VTOL无人机在军民领域应用价值

·        Y3布局相比四旋翼/传统固定翼的优劣势

·        iNav固件在开源飞控中的技术定位

1.2 技术挑战

·        倾转机构动力学建模

·        过渡阶段姿态稳定性控制

·        舵机响应速度与精度要求

2. 系统设计与硬件选型2.1 总体架构

mermaid

graph TD

    A[飞控系统] --> B[动力系统]

    A --> C[导航系统]

    A --> D[通信系统]

    B --> E[倾转舵机]

    B --> F[推进电机]

2.2 关键硬件参数对比

组件

型号

关键参数

单价(元)

飞控

SpeedyBee F405 Wing

STM32F405, 双陀螺仪

226

倾转舵机

KM0940

金属齿轮, 9kg·cm@6V

46×2

动力电机

酷飞AE2207 V2

2207 2450KV, 最大推力1800g

64×3

GPS模块

北征BZ251

双频定位, 10Hz更新率

53

2.3 硬件配置

·        飞控型号：SpeedyBee F405 Wing（固定翼/多旋翼通用飞控）

·        机型：三旋翼（platform_type = tricopter）

·        传感器校准：

o    陀螺仪/加速度计（ICM42605）已校准（gyro_zero/acczero）

o    磁力计（QMC5883）已校准（magzero/maggain）

o    气压计（SPL06）已启用

·        GPS：Ublox M7/M8（支持伽利略+北斗）

2.4 关键功能配置

·        启用功能：

o    GPS导航（feature gps）

o    固定翼自动配平（feature fw_autotrim）

o    PWM输出（feature pwm_output_enable）

·        禁用功能：

o    发射机配置文件切换（-tx_prof_sel）

o    空中模式（-airmode，可能因三旋翼特性关闭）

2.5混控配置（重点检查）

·        电机混控（mmix）：

ini

  mmix 0 1.000 0.100 -0.667 0.000  // 电机1：滚转+0.1，俯仰-0.667

  mmix 1 1.000 -2.000 -0.667 0.000 // 电机2：滚转-2.0，俯仰-0.667

  mmix 2 1.000 0.000 1.333 0.000   // 电机3：俯仰+1.333

需确认三旋翼布局（Y3或T型）是否与混控匹配，尾舵电机（电机3）是否仅控制俯仰。

·        舵机混控（smix）：

o    舵机1/2控制滚转（可能为前部两侧舵机）

o    舵机5控制偏航（尾舵）

o    舵机3/4可能用于固定翼副翼/襟翼（需确认是否为三旋翼误配置）

2.6安全与故障保护

·        返航（RTH）：

o    返航高度：5000单位（默认厘米，即50米）

o    故障保护触发：信号丢失时自动返航（failsafe_procedure = rth）

o    着陆条件：距离<1500cm且高度低于设定值时自动着陆

·        低电量保护：未配置，建议添加smartport_fuel_unit = percent并设置报警值。

2.7PID与滤波参数

·        Profile 2参数：

o    滚转/俯仰速率：18 deg/s，偏航速率：9 deg/s（适合稳定飞行）

o    D-Term滤波：PT3@60Hz（抑制高频噪声）

o    动态陀螺陷波：3D模式（抗振动优化）

·        建议：首次飞行后通过黑匣子（已启用关键数据）检查振荡情况，调整D-Term Boost范围（当前0.8-1.2）。

2.8硬件接口

·        串口分配：

·        Serial 1：GPS（115200波特率）

·        Serial 3：接收机（SBUS？需确认协议）

·        PWM输出：

·        电机：Timer7/11（标准PWM协议）

·        舵机：Timer1-3（频率需匹配舵机型号，默认50Hz）

2.9改进建议

1.舵机行程校验：

检查舵机3/4的行程（配置中为850-2000和700-2200），确保物理舵机无卡顿。

尾舵（舵机5）行程700-2200可能过大，建议调整为1000-2000并测试偏航响应。

2.空中模式（Airmode）：

三旋翼建议启用airmode（尤其低速时保持姿态稳定），当前配置为stick_center_once，可能限制灵活性。

3.返航逻辑优化：

nav_rth_allow_landing = fs_only：仅在故障保护时着陆，手动RTH需切换模式。

确认GPS定位精度（HDOP值），建议添加set gps_ublox_sbas = auto增强定位。

4.黑匣子优化：

已记录关键数据，但禁用nav_acc和陀螺原始数据，调试时可临时开启。

     测试步骤

1.地面测试：

断开电机，检查舵机响应（滚转/偏航动作方向）。

验证故障保护触发RTH逻辑（通过遥控器触发或关闭发射机）。

2.悬停测试：

低空悬停，观察姿态稳定性，检查尾舵（舵机5）是否过热或抖动。

3.GPS功能验证：

测试返航、定高、定点模式，确认返航高度和路径规划正常。

 3. 倾转控制实现3.1 机械结构设计

·        Y3布局动力分配：

  前部：2个倾转电机（KM0940舵机驱动）

  尾部：1个固定电机（ES08AII舵机偏航补偿）

3.2 iNav固件配置要点

c

// mixer_custom.h 配置示例

·        电机混控（mmix）：

ni

  mmix 0 1.000 0.100 -0.667 0.000  // 电机1：滚转+0.1，俯仰-0.667

  mmix 1 1.000 -2.000 -0.667 0.000 // 电机2：滚转-2.0，俯仰-0.667

  mmix 2 1.000 0.000 1.333 0.000   // 电机3：俯仰+1.333

// 舵机映射

servo 0 1000 2000 1500 90 90  // 左倾转舵机

servo 1 1000 2000 1500 90 90  // 右倾转舵机

 3.3 控制逻辑设计

1.多模式切换策略：

垂直起降模式：电机垂直方向，PID参数组2

过渡模式：线性倾转（20°-70°），混合控制

固定翼模式：电机水平，PID参数组1

 

2.倾转角度-推力耦合算法：

 θ = arctan(T_horizontal / T_vertical)

   T_total = √(T_h² + T_v²)

4. 实验验证4.1 测试环境

·        场地：200×100m开阔区域

·        气象条件：风速<5m/s

·        测试项目：悬停稳定性/模式切换成功率/续航时间

4.2 数据记录

测试阶段

平均功耗(W)

最大倾转角误差(°)

切换耗时(s)

垂直起降

350

2.1

-

过渡阶段

420

4.7

3.2

固定翼巡航

180

1.8

-

5. 结论与展望

1.     系统实现成本<1500元，具备商业应用潜力

2.     过渡阶段舵机响应延迟需优化（实测延迟0.15s）

3.     未来可扩展方向：

3.1加入前翼气动面控制

3.2开发自主航线功能

3.3提升6S电池的能效管理

附录A. 完整硬件接线图Y3垂起垂起一．通道设置

1.AMR（油门锁定）SD下   5通道

 

2.ANGLE（自稳）                    SA下

HORIZON（半自稳）               SA中

MANUAL（手动/也可不设自动为手动）SA上   6通道

 

3.MIXER PROFILE 2  （多轴模式/垂起模式）SB下

MIXER TRANSITION （中间过渡）        SB 中 

空              （固定翼模式）       SB 上     7通道

 

4.      NAV POSHOLD（多轴定点模式）                 SA下

    HEADING HOLD（保持当前航向/多轴机头方向保持）SA下

NAV ALTHOLD（定高）                         SA下   6通道

（这三个设置为与自稳定一个通道，也可自己单设一个通道

与自稳一个通道或一起使用时起飞比较稳定）

 

    NAV CRUISE（巡航模式）

NAV RTH（返航模式）

注：根据情况自己设置可以设在一个通道但不要同时开启两个模式

 

5.     AUTO TUNE（自动调参(尽量跟手点)/自动调谐尝试自动调整Stabilize P, Rate P 和D，以及最大旋转加速度，以提供最高的响应，不会出现明显的过冲。在使用自动调谐模式之前，飞行器“基本上”在定高模式下飞行，因为该功能需要能够在侧倾和俯仰轴上“牵动”飞行器。 1.将飞行模式开关设置为定高。 注：ac3.5及以上固件添加了悬停模式直接切换到自动调参支持 2.将辅助功能开关设置为自动调谐，以使用开关打开/关闭自动调谐）

AUTO LEVEL TRIM（自动水平/可以使用inav独有的自动平飞模式AUTO LEVEL TRIM 自动调平 (fw) 优化模式 AUTO LEVEL TRIM将尝试自动调整俯仰偏移量 (fw_level_pitch_trim)， 目的：让固定翼飞机在自调平飞行模式下直线飞行时需要不失去高度。 注意事项：：要使用AUTO LEVEL，您应该首先处于不使用ALTHOLD的自调平飞行模式。 角度、水平、航向保持无问题。）注：根据情况自己设置可以设在一个通道但不要同时开启两个模式

 

6.    NAV COURSE HOLD（固定翼保持航向/以进行组合的模式：ANGLE, HORIZON, NAV CRUISE 这个模式将告诉飞控自动保持当前的高度。 它只会影响飞机的俯仰控制类型，并且只在自动调平角度的模式下工作。 俯仰摇杆切换到爬升速率控制。这意味着，俯仰杆只会发送命令以特定的速率改变高度，INAV将自动调整所需的俯仰角度和发动机推力。 相关参数： nav_manual_climb_rate 允许的最大爬升或下降速率。）根据情况自己设置通道

 

自稳反馈：

 

图片

图片

 

 

 

 

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插线设置

俯仰角（pitch），横滚角（roll），偏航角（yaw）  舵机（servo） 电机（Motor）

 

（一）垂起模式下

S1左副翼

S2右副翼

S3 S4倾转舵机（Servo 34）

S5 S6 S7 （Motor 123）电机

S8 S9 升降和偏航

插线：

S1：左副翼

S2：右副翼

S3：左倾转舵机

S4：右倾转舵机

S5：左电调

S6：右电调

S7：后电调

S8：俯仰

S9：偏航

S1:Stabilized Roll     横滚角（roll）100

S2:Stabilized Roll     横滚角（roll）100

S5:Stabilized pitch   俯仰角（pitch）-100

（注：使用的时飞控板s8的通道因为s5s6s7被电机混空通道占用，所以servo5在飞控s8上，舵机混空只识别servo。Inav地面站没法对单个通道设置，只能最一组通道设置比如我这组Timer8管理s5s6s7通道当更改timer8为电机（Motor）时s5s6s7对应在电机混空里）

S3:Stabilized yaw     左偏航角（yaw）-50

S4:Stabilized yaw     右偏航角（yaw）-50

（注：倾转舵机臂方向向内，打左偏航时左舵机向后倾斜右舵机向前倾斜）

 

S3:MAX           左倾转舵机最大角度限制81

S4:MAX           右倾转舵机最大角度限制-81

S3：Mixer Transition  左倾转过渡模式角-40  100

S4：Mixer Transition  右倾转过渡模式角40  100

配置文件如下需要的可以自行取用

配置文件（使用超级链接Ctrl+鼠标查看配置文件）

 

图片

 

 

 

（二）固定翼模式下

 

S1左副翼

S2右副翼

S8 S9 升降和偏航

B. iNav参数配置文件

# DIFF

 

# version

# INAV/SPEEDYBEEF405WING 7.1.0 Mar 27 2024 / 14:34:15 (59a6ee61)

# GCC-10.3.1 20210824 (release)

 

# start the command batch

batch start

 

# resources

 

# Timer overrides

timer_output_mode 1 SERVOS

timer_output_mode 2 SERVOS

timer_output_mode 3 SERVOS

timer_output_mode 7 MOTORS

timer_output_mode 11 MOTORS

 

# Outputs [servo]

servo 1 1000 2000 1495 -100

servo 2 1000 2000 1495 -100

servo 3 1000 2100 1505 100

servo 4 850 2000 1500 100

servo 5 700 2200 1600 100

servo 6 700 2200 1300 100

 

# safehome

 

# Fixed Wing Approach

 

# features

feature -TX_PROF_SEL

feature -AIRMODE

feature GPS

feature PWM_OUTPUT_ENABLE

feature FW_AUTOTRIM

 

# beeper

 

# blackbox

blackbox -NAV_ACC

blackbox NAV_POS

blackbox NAV_PID

blackbox MAG

blackbox ACC

blackbox ATTI

blackbox RC_DATA

blackbox RC_COMMAND

blackbox MOTORS

blackbox -GYRO_RAW

blackbox -PEAKS_R

blackbox -PEAKS_P

blackbox -PEAKS_Y

 

# Receiver: Channel map

 

# Ports

serial 1 64 115200 115200 0 115200

serial 3 1 115200 115200 0 115200

 

# LEDs

 

# LED color

 

# LED mode_color

 

# Modes [aux]

aux 0 0 0 1450 2100

aux 1 51 0 1450 2100

aux 2 1 1 900 1300

aux 3 2 0 1300 1700

aux 4 3 3 1700 2100

aux 5 5 3 1700 2100

aux 6 62 2 1350 2100

aux 7 63 2 1350 1650

 

# Adjustments [adjrange]

 

# Receiver rxrange

 

# temp_sensor

 

# Mission Control Waypoints [wp]

#wp 0 invalid

 

# OSD [osd_layout]

 

# Programming: logic

 

# Programming: global variables

 

# Programming: PID controllers

 

# OSD: custom elements

 

# master

set gyro_main_lpf_hz = 80

set dynamic_gyro_notch_q = 250

set dynamic_gyro_notch_mode = 3D

set gyro_zero_x = -14

set gyro_zero_y = -9

set gyro_zero_z = -2

set ins_gravity_cmss =  967.210

set acc_hardware = ICM42605

set acczero_x = -7

set acczero_y = -2

set acczero_z = 66

set accgain_x = 4109

set accgain_y = 4108

set accgain_z = 4105

set align_mag = CW180FLIP

set mag_hardware = QMC5883

set magzero_x = -1998

set magzero_y = -458

set magzero_z = -4997

set maggain_x = 4178

set maggain_y = 3640

set maggain_z = 4169

set baro_hardware = SPL06

set motor_pwm_protocol = STANDARD

set failsafe_procedure = RTH

set failsafe_min_distance = 1500

set failsafe_min_distance_procedure = LAND

set align_board_roll = -10

set align_board_pitch = 10

set align_board_yaw = -10

set servo_lpf_hz = 30

set small_angle = 180

set applied_defaults = 3

set gps_provider = UBLOX7

set gps_ublox_use_galileo = ON

set gps_ublox_use_beidou = ON

set airmode_type = STICK_CENTER_ONCE

set nav_disarm_on_landing = OFF

set nav_auto_speed = 1000

set nav_max_auto_speed = 1500

set nav_auto_climb_rate = 100

set nav_manual_climb_rate = 80

set nav_land_slowdown_maxalt = 1500

set nav_rth_climb_first = OFF

set nav_rth_allow_landing = FS_ONLY

set nav_rth_altitude = 5000

set nav_fw_control_smoothness = 2

set nav_fw_launch_motor_delay = 100

set nav_fw_launch_max_altitude = 5000

set nav_fw_launch_climb_angle = 25

set tz_offset = 480

 

# mixer_profile

mixer_profile 2

 

set motor_direction_inverted = ON

set platform_type = TRICOPTER

set model_preview_type = 1

set mixer_pid_profile_linking = ON

 

# Mixer: motor mixer

 

mmix reset

 

mmix 0  1.000  0.100 -0.667  0.000

mmix 1  1.000 -2.000 -0.667  0.000

mmix 2  1.000  0.000  1.333  0.000

 

# Mixer: servo mixer

smix reset

 

smix 0 1 0 100 0 -1

smix 1 2 0 100 0 -1

smix 2 5 1 -100 0 -1

smix 3 3 2 50 0 -1

smix 4 4 2 50 0 -1

smix 5 3 29 81 0 -1

smix 6 4 29 -81 0 -1

smix 7 3 38 -40 100 -1

smix 8 4 38 40 100 -1

 

# profile

profile 2

 

set max_angle_inclination_rll = 600

set max_angle_inclination_pit = 600

set dterm_lpf_hz = 60

set dterm_lpf_type = PT3

set mc_iterm_relax = RPY

set d_boost_min =  0.800

set d_boost_max =  1.200

set d_boost_gyro_delta_lpf_hz = 60

set antigravity_gain =  2.000

set antigravity_accelerator =  5.000

set smith_predictor_delay =  1.500

set tpa_rate = 20

set tpa_breakpoint = 1200

set tpa_on_yaw = ON

set roll_rate = 18

set pitch_rate = 18

set yaw_rate = 9

 

# battery_profile

battery_profile 1

 

set throttle_idle =  7.000

set nav_mc_hover_thr = 1280

 

# save configuration

saveC. 飞行测试视频帧分析

参考文献iNav官方文档 - VTOL Configuration Guide王建军等.《多旋翼飞行器设计与控制》SpeedyBee F405 Wing硬件手册

QQ：3207959729

。

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