一種教學用四旋翼無人機系統的設計*

于來寶，張 濤，宋 晶

(武漢城市職業學院，湖北 武漢 430071)

0 引言

四旋翼無人機應用廣泛，新的應用場景不斷出現，“無人機+行業應用”呈爆發式發展的趨勢短期內不會改變，與之對應的是越來越多的職業院校為滿足所在區域經濟社會發展需要，新開設了無人機類專業，目前具有無人機類專業的高職院校就有300多所。作為新興行業，構建完善無人機職業教育理論體系需要一定的時間，這與行業的快速發展并不協調。職校參與無人機科學研究項目，深度參與無人機研發、制造、生產調試流程，對職校了解行業最新發展趨勢、提升理論層次、科研能力、教學水平并與行業無縫對接具有積極的意義。基于此，本文設計了一種教學用四旋翼無人機系統，所設計系統具備無人機系統的基本要素特征，可用于教學、實驗、算法驗證等，且成本較低。

1 四旋翼無人機總體設計

傳統四旋翼無人機一般由機架、飛控、電動系統等部分構成。其中，機架包括機臂﹑中心板和腳架，主要功能是承載其他構件的安裝；電動系統主要由電池﹑電調﹑電動機和螺旋槳4個部分組成，為無人機提供動力；飛控由陀螺儀、加速度計、角速度計、氣壓計、GPS、指南針和控制電路等組成，是無人機控制決策單元[1]。

與傳統機型不同，教學用無人機對性能、載荷、平均故障時間MTTF等要求相對較低，在兼顧教學需求的前提下，本文所設計系統可采用一體化的系統設計。所謂一體化設計是指將飛控、電調、通訊等所有電路模塊設計在一塊PCB板上，同時將PCB板設計為“X”型作為無人機機架，電機通過卡座安裝到PCB板機臂上。PCB板主要材料為玻璃纖維，具有較高的強度和韌性，選用1.6 mm厚的PCB板即可滿足教學中一般的飛行測試要求。

設計的一體化四旋翼無人機結構簡圖如圖1所示，軸心距100 mm，整體結構緊湊，調試測試簡單，可滿足無人機應用技術專業飛控、裝調等課程的基本教學需求，且成本較低。

圖1 一體化四旋翼無人機結構簡圖

2 硬件設計

四旋翼無人機硬件結構框圖如圖2所示[2，3]。

圖2中，無線通信芯片為NRF51822；UART為串行通訊口；IMU是無人機慣性導航模塊的簡稱。

圖2 四旋翼無人機硬件組成框圖

2.1 主控MCU

主控MCU選用STM32F411,為四軸飛行器的大腦，對飛行器穩定飛行起著至關重要的作用，其作用主要包括：電機控制、傳感器數據讀取、數據濾波、外圍芯片控制等。STM32F411應用電路成熟，此處不再單獨列出。

2.2 傳感器

系統選用芯片MPU9250和BMP280作為姿態和氣壓檢測傳感器。

MPU9250內部集成了3軸加速度傳感器、3軸陀螺儀傳感器和3軸磁力計，且自帶DMP(Digital Motion Processor)。BMP280為氣壓傳感器，該傳感器是BOSCH公司旗下的一種高精度低功耗數字氣壓傳感器，同時支持溫度和氣壓測量，氣壓相對精度為±0.12 hPa(百帕斯卡)，溫度分辨率高達0.01 ℃，且功耗低、性能卓越[4]。

MPU9250和BMP280電路如圖3所示。

圖3 無人機主要傳感器電路

2.3 無線通信

通信模塊選用無線通信芯片NRF51822和功率放大芯片RFX2401C。

RFX2401C是射頻前端集成電路，可為系統提供服務所需的射頻功能無線傳感器網絡。所設計系統使用NRF51822的2.4 GHz通信方式。它和主控STM32F411的通信是通過UART進行；NRF51822非常適用2.4 GHz低功耗無線應用，它基于CM0S內核高性能IC，集成256 kB片內flash和16 kB的數據存儲器。同時，NRF51822外部擴展芯片2450BM15A0002，進一步提升無線通信的性能。450BM15A0002的信號接到功率放大芯片RFX2401C上，無線信號放大后再發射出去，這樣通信距離可大于100 m。

NRF51822和RFX2401C電路如圖4所示。

圖4 無線通訊模塊電路

2.4 狀態指示

系統板布局2顆紅色LED、2顆綠色LED和2顆藍色LED，用于指示機頭位置、程序運行狀態和電機的旋轉狀態,電路成熟，不再單獨列出。

2.5 電機接口

電機采用微型空心杯電機716型，選用MOS管電路即可驅動電機，電機工作時轉速可達400 000 r/min，驅動采用NMOS管SI2302，在3 V門級驅動電壓下，驅動電流高達3 A，可滿足系統要求。

電機接口電路如圖5所示。

圖5 電機接口電路

2.6 電源

系統調試電源為外接電源，飛行時由鋰離子電池提供電源，系統所需電壓經低壓差線性穩壓器LDO三端穩壓芯片轉為3.3 V，系統選擇的LDO芯片為XC6204B302，電路成熟，不再單獨列出。

3 軟件設計

四旋翼無人機的動力來自于四個螺旋槳的旋轉，其運動特性具有高耦合性。對于無人機系統其飛行的穩定性極為重要，而其穩定性主要取決于姿態控制。

系統選用MDK5作為軟件開發平臺，STM32F411讀取加速計和陀螺儀數據，對加速計和陀螺儀數據進行濾波后輸出姿態數據(俯仰/橫滾/偏航)。期望值來自于遙控器，通過無線接收芯片NRF51822獲取，期望值減去測量的姿態數據得到偏差角度，這個偏差值作為角度PID的輸入，經過角度控制PID后輸出期望角速度。測量角速度來自陀螺數據，期望角速度減去測量角速度得到一組偏差值，這組偏差值作為角速度控制PID的輸入，經過角速度控制PID后輸出的姿態控制量作為電機的控制輸入[5]。

無人機系統有手動和定高兩種模式。手動模式下，完全由遙控器輸入量控制電機；定高模式下，系統氣壓傳感器的數據處理后作為高度測量值，高度期望值則來自Z軸設定值的積分，期望值減去測量值得到偏差值，偏差值用作高度PID控制器的輸入，輸出則是油門控制變化量(無人機控制升機的搖桿，稱之為油門)。得到實際油門值和姿態控制量數據，我們就可以把油門值和姿態控制量數據整合，然后通過控制PWM控制電機，從而控制四個空心板電機的轉速。

無人機姿態控制算法框圖如圖6所示。

圖6 無人機姿態控制算法框圖

4 結語

所設計四旋翼無人機可以為無人機組裝、調試、維修維護、飛控類課程提供硬件平臺，也可作為無人機算法驗證、飛行基本功練習、產品工藝實習等課程提供硬件支撐。經驗證測試，所設計四旋翼無人機結構簡單、調試組裝方便、運行穩定、成本較低，具有一定的推廣價值。