小型四軸飛行器硬件的選擇

（青島工學院）

【摘要】目前四軸飛行器等多軸飛行器已經在很多行業得到廣泛的應用，比如航拍、監控、噴灑農藥等。四軸飛行器具有成本低、體積小、重量輕、結構簡單、沒有機械結構、穩定性好等特點。本文主要對各個重要模塊上硬件的使用做出對比選擇。

【關鍵詞】stm32 四軸飛行器 硬件設計

1相關概念

1.1 四軸飛行器的飛行原理

旋翼飛行器的一個旋翼轉動，會對機身產生一個反扭矩，如若飛行器只有一個旋翼，旋翼在轉動的同時，機身也會朝旋翼的反方向旋轉，這就是反扭矩作用的結果。四軸飛行器的四個旋翼中，兩兩旋轉方向相反，電機之間的反扭矩平衡抵消，機身不會產生自旋。四軸飛行器可以分別沿機體的xyz方向進行各種運動。

垂直運動——當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，四旋翼飛行器則垂直下降。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。

俯仰運動——對向電機轉速相同，另兩個電機一個升高轉速一個降低轉速。由于一個旋翼的升力上升，一個旋翼的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。

滾轉運動——與俯仰運動原理相同。機身可繞x軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。

偏航運動——四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現。旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，它的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。

前后運動——要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力。按俯仰運動的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。

側向運動——由于結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

1.2四軸飛行器的優點

優點：

（1）擁有簡單的機械結構，沒有傳統直升機復雜的旋翼控制機構。

（2）飛行控制系統通過傳感器采集飛行姿態數據，實時監測和控制飛行姿態，可以實現飛行器平穩飛行。相比傳統的單旋翼直升飛機，四軸飛行器的飛行更為穩定。

（3）由于機械結構簡單，容易將體積做得很小，可以實現自主飛行器的小型微型化。

（4）四軸飛行器有四個電機，機身結構簡單輕巧，所以具有更大的載重力。

2 硬件的選擇

2.1 電機。四軸飛行器目前采用的電機主流是中大型多軸飛行器均采用無刷電機作為動力電機。無刷電機需要通過相對應的電子調速器電路對其進行驅動和控制，控制起來較為復雜，成本也較高。空心杯電機具有體積小、質量小、轉速高、節能、驅動簡便、控制簡單、精度高等優點，非常適合用于衛星小型的四軸飛行器。但其動力較弱，負載能力也較弱。小型四軸飛行器可采用空心杯電機。

2.2 控制電路板。MCU控制器是四軸飛行器的大腦，選擇一個適合于四軸飛行器非常重要。目前有很多適合于多軸飛行器控制的小型MCU。如意法半導體公司的stm32，美國TI公司的MSP430，atmel公司的AVR328，AVR2560等。

考慮到機體的重量和空心杯電機的拉力，為實現四軸飛行器小型化通用化的思路，可以選擇有兼容性的arduino標準的arduino控制核心為AVR maga最小系統板。如arduino nano小型系統板、microdunio型小系統板以及基于stm32的Maple mini型小系統板體積小巧的MCU模塊。基于比較，選擇了主頻較高的stm32 maple mini系統板來作為主控板，它的性能比較高。Stm32 maple mini是leaflabs組織開發的、基于arduino軟硬件標準的、采用32位stm32單片機控制核心的開源硬件平臺，就是一個兼容arduino的小系統板。Stm32比avr mega系列8位單片機擁有更好的精度和更快的速度，硬件性能更強，接口資源也更為豐富。Stm32 mini系統板引腳設計及結構符合arduino標準。Stm32 maple mini系統板結合了stm32嵌入式單片機的強大性能以及arduino易用、普及、開放的軟硬件架構，可以實現快速、靈活兼顧強大性能的工程開發[2]。

2.3 陀螺儀和加速度計。MPU-6050是結合了陀螺儀與加速度計，集成一體的姿態測量芯片。它內部集成了3軸加速度計、3軸陀螺儀。MPU-6050的陀螺儀與加速度計均具備16位精度的ADC模數轉換器。一塊MPU-6050比兩塊獨立的加速度計和陀螺儀總量和體積上更加輕巧。小型化的四軸飛行器，在機體重量上必須要通盤考慮。所以，基于小型四軸飛行器的思路， 所以選用MPU-6050集成姿態測量模塊作為飛行器的姿態檢測傳感器。

2.3 無線通信模塊。nRF2401無線通信控制模塊。基本特點有2.4Ghz 全球開放ISM 頻段免許可證使用，最高工作速率2Mbps，高效GFSK調制，抗干擾能力強，適合工業控制場合，125 頻道，滿足多點網絡通信需要，內置硬件8/16位CRC校驗和點對多點通信地址控制，結合TDMA-CDMA-FDMA原理，可實現無線網絡通訊，低功耗1.9 - 3.6V 工作，待機模式下狀態僅為1uA ，模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數據（提供中斷指示），可直接接各種單片機使用，軟件編程較為方便，收發完成中斷標志，每次最多可發28字節，內置專門穩壓電路，使用各種電源包括DC/DC 開關電源均有很好的通信效果，標準DIP間距接口（5*2），便于嵌入式應用，CLK、DATA、DR三線接口，軟件編寫較為簡單，雙通道數據接收，標配外置柱狀天線，開闊地無干擾條件通信距離可達100米。該無線通信模塊通過ShockBurstTM 收發模式進行無線數據發送，收發可靠，其外形尺寸小，需要的外圍元器件也少，成本較低，并且使用和攜帶較為方便。

參考文獻：

[1]劉峰，呂強，王國勝，等.四軸飛行器姿態控制系統設計[J].計算機測量與控制，2011， 19（3）：583-585.

[2]唐懋.基于Arduino兼容的Stm32單片機的四旋翼飛行器設計[D].廈門大學，2014.

作者簡介：陳曦，男，1995年12月出生，籍貫山東濟南，大學本科，青島工學院，2013級通信工程專業。