四轴飞行器的设计与研究

摘 要

四轴飞行器因其具备可垂直起降、造价低、可重复利用、事故代价小诸多优点，广泛的用于军事侦察、航拍、交通巡逻等多个领域，逐渐走进普通大众生活。基于对技术现状分析总结，设计了四轴飞行器整体技术方案，并对其在航拍、定轨迹飞行、gps地理位置反馈等方面的应用进行初步研究。

【关键词】四轴飞行器 PID STM32 飞行控制器

四轴飞行器（MAAV）是无人飞行器的一种，应用四个对称十字交叉分布螺旋桨，调整螺旋桨转速控制飞行器各种飞行姿态，可以实现地面控制飞行和自主飞行两种控制方式，随着传感器和微处理器技术的发展，四轴飞行器也得到了快速发展。四周飞行器的应用领域十分广泛，从军事领域侦察到测绘航拍甚至于表白求婚无不见其身影；自主飞行模式的实现解放了控制者的劳动，大大节省了人力。

四轴飞行器的设计涉及到多个学科的知识，包括自动控制理论、计算机技术、无线通讯技术、空气动力学等各个学科，但随着四轴飞行器市场化的逐步成熟，其设计和制作的技术难度大大降低。本文借鉴已有的研究成果，采用较为成熟的设计理念和元器件型号，对四轴飞行器进行硬件和软件的设计。

1 飞行器的设计

1.1 系统硬件设计

飞行控制系统硬件部分主要由电源模块、无线通讯模块、姿态传感器模块、电机驱动模块、主控模块及相关扩展接口等部分组成，其原理如图1所示。

主控模块由微处理器和其外围电路组成，是飞行控制系统的核心模块，通过接口接收其它模块的数据和遥控指令，通过PID控制算法控制输出电机驱动数据，实现飞行器姿态的调整；电源模块的作用是为整个飞行控制系统提供电力供应，不同的模块所需要的电压会有所差别，因此需要设计相应的稳压电路；无线通讯模块的主要作用是收到遥控器发送的命令，同时向地面终端接受信息，为控制飞行器姿态，通讯模块需要升降、俯仰、旋转和翻滚四个通道；姿态传感器需要有加速度传感器和角度传感器两种，为飞行控制系统提供飞行器姿态数据；选用无刷电机作为飞行器的驱动电机，需要设计电子调速器作为电机驱动模块，而且需要单独设计，另外考虑到开关频率特性，电机驱动模块与电机一一对应，频率一致。

1.2 系统软件设计

本次设计采用的微处理器为STM32系列，支持C语言编写嵌入式软件。使用C语言编写嵌入式软件在项目管理、程序移植等方面相比其它语言具有很大的优势，因此本次设计采用C语言。编程方式采用直接面向寄存器编程，提高运行效率。飞行控制系统的主要功能是接受地面控制器遥控信号和姿态传感器的信号，通过PID控制器和PWM占空比控制实现各电机转速的闭环控制，实现不同的飞行姿态；同时，鉴于四轴飞行器的发散性，引入角速度陀螺仪反馈环辅助飞行控制。

主要执行流程如下：

（1）系统初始化。系统初始化主要是对内部各模块时钟、总线、控制参数及内部资源等；

（2）数据输入。接收来自于地面遥控器的控制命令和来自于姿态传感器的测量数据，其中姿态传感器的测量数据包括陀螺仪传感器和加速度传感器数据；

（3）姿态融合。姿态融合将地面遥控器控制命令数据和姿态传感器的测量值比较，将二者的差值通过PID 控制器转换成不同占空比 PWM 脉冲输出，控制电机转速；

（4）PID控制器。PID控制器的作用是计算姿态差值将其转换成电机PWM输出占空比，进而输出电机驱动模块，实现飞行器电机转速的控制。

2 四轴飞行器的应用研究

2.1 航拍

无人飞行器的出现使得以往需要乘坐飞机才能够进行的高空摄影越来越多的变成在地面上通过遥控器控制飞行器和照相机进行，四轴飞行器作为一种优异的无人飞行器，其两队旋转机翼对称布置，机动能力强，静态盘旋稳定性高，小型化潜力大，因此非常适合作为一款航拍飞行器。使用四轴飞行器航拍主要应用在事故灾难救援侦查、城市交通状况巡逻以及大型活动摄影等等多个方面。

2.2 定轨迹飞行。

四轴飞行器通过程序设定可以实现定轨迹飞行，这就解放了地面控制人员的劳动，是四轴飞行器具备了初步自主飞行的能力，也具备了工业化应用的可能性，实现定轨迹的四轴飞行器在实现简单重复性工作方面具备很大的优势，同时成本十分低廉，例如通过设定好巡逻轨迹的四轴飞行器可以携带摄像机实现小区的定时定点巡逻，携带有红外热像仪的四轴飞行器可以实现电力设备的空中红外测温等。

3 四轴飞行器的应用展望

四周飞行器的应用前景十分广泛，例如在机场可以可加装蜂鸣器模仿老鹰等猛禽的叫声来驱散鸟类，也可以增加其称重能力加装农药喷洒装置用于给高树喷洒农药，电力公司可以使用它来巡视高压电力线路等以便及时发现线路故障隐患，众多快寄公司正在研究使用四周飞行器等小型无人飞行器来实现城市中近距离的快寄业务，甚至于未来的一天四轴飞行器有可能作为人类出行的工具代替私家车以改善地面交通拥堵的问题，

参考文献

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作者简介

文豪，男，山东省安丘市人，现公安海警学院本科在读。

作者单位

公安海警学院 浙江省宁波市 315800