關于微型無人機的研究與設計

方志東 胡世琪

摘 要：文中主要介紹了無人機發展的趨勢，詳細闡述了四旋翼無人機技術發展的意義，研究目的、采用的主要技術及其特點，并對基于STC15W4K48S4主控芯片的四旋翼飛行器的系統結構組成進行了詳細的介紹，目的在于便于廣大用戶更好的應用無人機平臺。

關鍵詞：信息；安全防范領域；四旋翼無人機

1 引言

隨著科技的發展，人們對未知領域的探索也拉開帷幕，面對著高風險、高強度的任務，人們開始利用無人機替代有人飛機來執行，這也是大勢所趨，形勢所迫。無人飛機其實就是一種由無線電遙控控制的設備，或自身程序控制裝置操縱的無人機駕駛飛行器，又被人稱為遙控駕駛航空器。目前在軍事、救援、農業、安防等領域發展較為迅速，在一些科技發達的國家已經得到廣泛應用。本項目屬于遙控飛行的四旋翼無人機，起降簡單，操作靈活，無人機體積小、重量輕，機身重量僅40.5g，機身尺寸13*13cm，操作距離理論可達500m，利用無人機體積小的特點，可以工作在惡劣的，危害人類健康和生命的環境中，最大限度地減少人員傷亡，飛行器可以全天工作無需休息，工作效率高，本項目主要是基于無人機平臺，結合搭載檢測裝置可以實現不同的功能，具有非常好的發展前景和社會價值。

2 基于STC15W4K48S4主控芯片的四旋翼飛行器的系統結構

如圖1所示，四旋翼無人機采用STC15W4K48S4主控芯片，分別由NRF24L01無線控制模塊、MU6050姿態測量系統、電源供電系統、升壓電路、遙控器控制模塊、電機驅動模塊、串口通信模塊、地面站系統等組成，四旋翼飛行器控制器的核心任務是姿態的測量，它的作用是為飛行器控制系統提供實時、精確的飛行狀態測量數據。通過匿名科創地面站系統調節PID參數，這樣做能夠有效提高飛行器姿態測量精度，確保控制系統的姿態角的準確性和穩定性。

2.1 NRF24L01無線通訊

NRF24L01是由NORDIC生產的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發器芯片。控制器與無人機之間采用NRF24L01進行無線通信，使無人機端即時有效地接收控制器所發出的指令，使其能夠實現在空間中自由移動。

2.2 MPU6050姿態運動傳感器

MPU6050傳感器是三軸數字羅盤，它可以用來測量四軸飛行器所處位置的三軸磁場信息，該傳感器內置了三軸磁阻模塊和放大采樣電路，直接輸出數字信號，用來測量航向角并進行姿態解算，主要是起到了無人機在空中的平衡調節，是四旋翼無人機的核心部分。

特點如下：

（1）IIC 數字量輸出總線接口，設計使用簡單，尺寸非常小；

（2）有較高的測量精度，內置12位 A/D轉換；

（3）擁有自動校準功能，簡化了應用的步驟；

（4）內置有自測試電路，量產測試非常方便，不需要增加額外的高昂測試設備；

（5）功耗較低，供電電壓只需要1.8V，睡眠模式功耗-2.5uA，測量模式功耗-0.6mA。

2.3 控制系統和動力系統

（1）四旋翼無人機控制系統是采用NRF24L01無線模塊進行遠程控制，通過控制方向遙感的方向電壓量變化，從而控制無人機的前后左右運動，通過控制方向遙感的油門電壓量變化，從而控制無人機的上下運動，降落起飛。

（2）四旋翼無人機的動力系統由空心杯電機和電機驅動電路組成，主要是通過PWM脈寬占比去控制場效應管的導通時間，從而控制電機的轉速。

3 四旋翼無人機結構設計

如圖2所示為四旋翼飛行器的外形結構，根據“基本運動學原理”設計成這種形狀，在電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消，使得空氣中對無人機的阻力減少，工作更加穩定。

4 結束語

本文結合了現代人工智能、無線通信和基本運動學原理，通過測量四旋翼飛行器控制器姿態，為飛行器控制系統提供實時、精確的飛行狀態測量數據，從而精準實現應用功能。通過無線控制，可以讓飛行器在惡劣的條件下執行任務，并且飛行器可以全天工作無需休息，執行效率更高，突顯了無人機的優勢。

參考文獻

[1]杜浩.基于GPS/INS的多旋翼MAVS自主飛行系統研制[D].南京信息工程大學，2012

[2]郎哲彥.基于模態切換的無人直升機雙回路魯棒控制器的研究[D].天津大學，2012