基于STM32的馬克1號飛行器的研究與設計

郭恒吉 趙亮 黃余雙 楊樂虎

摘 要：四旋翼飛行器的飛行技術長時間以來都是研究的重點方向，關于這方面的課題也越來越多，受到很多無人機愛好者的青睞和關注。飛行器體積很小，重量很輕，而且耗能也很低，可應用與各個方面，如灑農藥、偵察、執行高空飛行任務以及搭載重物等等。本文簡要介紹了本項目的研究對象“馬克1號”的基本結構和本項目的主要研究內容，對馬克1號四旋翼飛行器的發展意義做出了分析。

關鍵詞：STM32;馬克1號;飛行器

飛行器近幾年發展得很火熱，四旋翼飛行器也是很多飛行器愛好者的心頭愛，越來越多的課題專注于飛機建模和模擬的有效性，以驗證其控制策略是否有效可行。通過研究馬克1號四旋翼飛行器可以了解飛行器的姿態調整、互補濾波、PI、PD控制并用馬克1號實現航拍，對地面的監控等。

一、馬克1號基本結構

下圖是我們制作的四軸飛行器的抽象圖;

不難看出，將四個螺旋槳的轉動速度改變就可以控制四軸飛行器的動作，將四個螺旋槳的力矩和力改變就可以控制四周飛行器的姿態。

下面我介紹下四軸飛行器的基本組成部分，四軸飛行器主要由以下幾部分組成：

第一部分：機翼。機翼由電機和螺旋槳組成，電機和螺旋槳分別有四個，除了二者外還包含有些許固定器件。電機方面，分別有兩種類型（有刷、無刷）。螺旋槳有兩對，包括正螺旋槳和反螺旋槳。正螺旋槳與反螺旋槳的旋轉方向不同，前者是順時針，后者是逆時針。

第二部分，電機。四旋翼電機為空心杯，槳葉46mm，電池用的小型鋰電池，對角電機軸距92mm*92mm。無刷直流電機是是四旋翼飛行器主要的、常用的電機類型。其優點有：第一，結構簡單，可以方便安裝與拆卸;第二，容易控制，更好的保障飛行器的安全。

第三部分，飛控板（飛行控制器）。飛控板不僅可以保持四軸飛行器的平衡，還可以改變左右兩邊的力量大小，調整四軸飛行器的飛行狀態，假使失去飛控板，四軸飛行器就會失去平衡，沖撞翻滾。

第四部分，機架。機架的軸長短以保證四個螺旋槳的亂流不互相影響為準，同時還要考慮飛控板安裝的位置。

除上面提到的這些外，還有遙控接收器、電子調速器等，都是四軸飛行器重要的組成部分。

二、馬克1號項目研究內容

在硬件設計方面，包括以下幾個結構：

第一部分，電源。電源供給包括三部分。第一部分為接收機提供供給，4.2V以上的電壓是接收機對電源供給的要求;第二部分是為電調供電從而驅動電機，電調內部設有BEC模塊，鋰電池功率大，可以作為不錯的選擇;第三部分是為開發板供電，這一部分可以用穩壓模塊來供電，因為穩壓模塊更加的穩定。第二部分，慣性測量傳感器。分為角速度傳感器、加速度傳感器和三軸地磁傳感器。第三部分，遙控接收器。通過將信號編碼再解碼并處理完成工作。第四部分，電機驅動模塊。

在軟件設計方面，包括以下幾個結構：

第一部分，上位機。上位機可以顯示各種數據，如電量、姿態等，還可以校正傳感器，是軟件設計中很重要的組成部分。第二部分，下位機，決定飛行器的安全與穩定，是MCU里面的程序。

在項目中，第一步我們先要將四驅飛行器的動力學模型建立起來。PID是實用性很強、靈活性強、應用領域很廣泛的一種控制器，基于PID算法，我們可以先設計出飛行器的控制系統，即PID控制，這樣參數比較容易整定。其次，將Backstepping（反步法）應用于控制系統和自適應控制系統。最后進行對模塊的仿真，可以知道哪種控制系統更加占優勢。

三、項目研究意義

四旋翼飛行器在實際生活中有很多用處，生產生活的各個方面都對其有很大的需求，不僅能夠大大降低作業成本，而且可以有力保障人員的安全?，F在的飛行器在商業，農業，軍事，消防，工業方面的前景是非常廣闊的，在軍事方面，飛行器可以執行偵察與營救任務，達到一系列軍事目的，比如在四旋翼飛行器攜帶軍事武器等等，飛行器的研究意義重大。在地質研究方面，飛行器可以起到收集科學的數據，對地質和林業進行勘探;影視制作方面，可以進行航拍，來更好的優化攝影效果;農業生產方面，可以用來進行高空灑農藥，監控農作物生長速度，從而及時進行病蟲害防治，進行田地的勘測，而裝有太陽能電池板的四旋翼飛行器可以進行種子的播撒。

它的主要優點包括：很好的保證人員安全，同時，人員也很容易上手操作，操控性很強。旋翼式飛行器在固定翼飛行器的條件上取得了很大的進步。較固定翼飛行器相比，旋翼式飛行器在起飛和降落時，所占的空間小。同時不僅可以很好的靈活的躲避障礙物，而且旋翼式飛行器的能夠很好地保持姿態能力。

四、結語

科技在不斷地發展，新的控制理論不斷出現，也在不斷的完善。四旋翼飛行器的發展趨勢也會越來越好，研究者也將不斷擴大四旋翼飛行器的應用領域，向著智能化不斷發展，小型高效的新能源也會應用其中，從而能夠更好地造福社會。

參考文獻：

[1]何瑜. 四軸飛行器控制系統設計及其姿態解算和控制算法研究[D].電子科技大學，2015.

[2]廖懿華，張鐵民，廖貽泳. 基于模糊-比例積分偏差修正的多旋翼飛行器姿態測算系統[J]. 農業工程學報，2014，30（20）：19-27.

[3]邱日鵬. 基于四旋翼飛行器的大氣環境監測系統研究與設計[D].南昌航空大學，2018.