四旋翼無人機設計

單 杰，湯曉樂

（1.江蘇聯合職業技術學院揚州分院，江蘇揚州 225003；2.江蘇汽車技師學院，江蘇揚州 225003）

0 引言

四旋翼最顯著的開發方向就是在無人機領域的應用。相比于單旋翼直升機而言，四旋翼飛行器可以完成上升、下降、前傾、后仰、左旋、右旋、左傾、右傾等動作，還可以進行垂直起降空中懸停等，對地理飛行環境有超強的適應性，使其擁有其他各種飛行器無可比擬的優勢。四旋翼無人機最大的優勢在于體積小，運動方便靈活，可以輕松完成各種狹窄空間的飛行任務[1]。

雖然四旋翼飛行器在各個領域的應用需求非常大，但是其控制系統的復雜程度遠超過其他類型的飛行器，機械結構的可靠度和運動控制算法的復雜性，以及對于通信和遠程操控的高要求性，在一定程度上阻礙了它的發展。本文對于四旋翼無人機做出的進一步研究，有助于推動四旋翼飛行器的進一步發展和完善。

1 總體設計思路

本設計的飛行器是一種結構輕巧、外觀新奇的飛行器，其結構精致合理。運動原理是通過改變分置在機身四周的4 個電機的轉速改變旋翼產生的升力，由不同旋翼升力的不同變化來改變飛行姿態。本設計最終可達到垂直起飛降落、空中自由懸停等動作，適應各種飛行環境和各種飛行任務。系統結構主要包括：四旋翼飛行器總體方案設計、機械結構設計、驅動系統設計、控制系統的設計、檢測系統設計等（圖1）。

圖1 系統結構框

1.1 四軸飛行器總體結構

本設計的機械結構由機械本體（螺旋槳）、電機和傳動機構構成，使電機輸出動力傳到執行部分。4 個大小、結構、重量都相等的螺旋槳互相呈90°對稱安裝在飛行器機架末端且處于同一水平高度，機身主體部分提供上下2 個安裝板面，下平板主要是用來安裝電池和腳架，上平板可以安裝控制電路板電調、傳感器和其他信息采集設備。

1.2 傳動機構設計

傳統設計大多數將電機立放，直接與螺旋槳相連，其結構存在著電機安裝不牢固或4 個旋翼不平衡等問題，并且損壞后較難拆卸修理。本設計將電機橫置固定于電機底座上，配以聯軸器將扭矩源源不斷向前傳遞，聯軸器后面采用一對直齒圓錐齒輪傳動，并配合一對角接觸球軸承以抵消圓錐齒輪大端軸向力，外加一個箱體使其成為閉式傳動，具有傳動平穩、噪聲小等優點，還有利于阻擋灰塵雨水等雜質進入傳動系統損壞元件，增強了無人機對特殊工作環境的適應性。動力部分如圖2 所示。此傳動系統具有結構緊湊精密、安裝牢固可靠、工作穩定等優點。

圖2 動力部分

1.3 機身主體設計

主體結構采用上下2 個平板用一組螺栓組鏈接，上平板安裝控制器電路板，下平板安裝電池、腳架和外設裝備（如微型航拍攝像機等）。螺栓組連接結構設計本著各螺栓受力合理、方便制造和安裝的原則。本設計采用1 組共計8個螺栓用以連接和支撐上下平板，細分為4 組，每組2 個呈中心對稱分布在上下平板之間，使螺栓組受力合理，避免了載荷分布不均等問題；采用相同材料及規格的螺栓螺母，還可以避免螺栓組承受附加的彎曲載荷（圖3）。

圖3 三維裝配

1.4 腳架設計

腳架的設計對于飛行器保持平衡和著陸穩定要求至關重要，本設計的腳架設計成高腳架，以便于對飛行器后續的功能開發（圖4）。為了克服高腳架在降落時重心高、不平穩等問題，將腳架做成半圓弧形狀，并且安裝2 根橫向支撐軸，增大了4 個著陸點之間的相對距離，提高了飛行器著陸時的穩定性。在4 個最遠處的著陸點設計安裝了著陸減振皮圈，降低無人機降落時所帶來的沖擊振動，以起到保護機器的作用。

圖4 腳架

1.5 總體裝配

電機、機身主體和腳架3 個大部件組成了本設計的完整結構（圖5）。

圖5 總體裝配

2 控制系統

控制系統主要實現保持飛行器穩定飛行和人為遙控完成一定的飛行姿態任務。通過檢測電機轉速、轉向和飛行器在空中飛行時的姿態，將數據傳送給主控制器，然后由主控制器將由無線通信模塊傳來的指令與傳感器檢測到的信息進行對比，經過一系列復雜的計算過程轉換成4 路PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）信號傳送給驅動模塊，驅動模塊就是由位于機身四周的4 個無刷直流電機組成的，通過PWM 信號的改變來改變電機的轉速與轉向，達到對飛行器飛行姿態的控制目的（圖6）。

圖6 控制系統流程

2.1 主控制器的設計

本設計對單片機高速處理和運算能力的要求高，目前市場上最受歡迎的32 位STM32 單片機十分合適。

2.2 檢測部分

檢測部分所安裝的傳感器主要需要完成3 個任務：①檢測飛行器在空中的位置和姿態；②檢測驅動模塊4 個伺服電機的轉速、轉向；③將所收集的信息傳送給主控制器，由主控制器與需要執行的命令進行對比處理，進行后續任務。傳感器部分必須具備高精度、低消耗等優點，滿足整個系統所具有的可靠性、抗干擾性、高集成度等特點，以下對各個檢測模塊進行設計[2-4]。

（1）位姿檢測。位姿檢測傳感器模塊主要涉及陀螺儀和加速度計傳感器。陀螺儀測量的量是角速度的絕對值，綜合計算可得出相對旋轉速度，檢測響應快，不受外界磁場和加速度的影響，但是對陀螺儀長時間積分后，存在積分累計誤差。這種累計誤差無法通過陀螺儀自身消除，并且陀螺儀的靜態響應比較差。為了解決這一問題，就要給陀螺儀一個參考量，來修正陀螺儀的誤差。加速度計的情況剛好和陀螺儀的情況相反，加速度計的動態響應很差，但是靜態響應很準，所以只需要將陀螺儀和加速度計兩個信號量找到合適的耦合比例，就可以得到所需求的量，并且還能解決陀螺儀長時間使用帶來的誤差。本設計采用的是MPU6050 高精度陀螺加速度計，它集成了三軸MEMS 陀螺儀，三軸MEMS 加速度計，避免了陀螺儀和加速度計組合時軸間差的問題，同時內部嵌有數字濾波技術，能夠濾除外界噪聲，增加測量精準度。MPU6050 內部集成了姿態解算器，將其和互補濾波或卡爾曼濾波算法結合使用時，能夠在動態情況下精準地輸出當前測量的姿態角，測量的姿態角精度能達到0.01°，穩定性能非常高。

（2）轉速檢測。當陀螺儀和加速度傳感器將飛行器的位置和姿態反饋給主控制器單片機后，主控制器就需要得到當前電機的狀態，然后與無線模塊傳輸來的目標命令進行對比，經過計算得出控制方案，然后轉變為4 路PWM 信號改變電機的狀態。綜合考慮，本設計采用光電傳感器來檢測電機轉速，因為其檢測方式為非接觸式，檢測時不需要和物體接觸，也不受其影響。檢測對象的限制少，可依檢測對象的表面反射、遮光等進行檢測。其響應速度快，可檢測高速移動的物體。又因為其擁有光線直射性、波長短的優點，使分解能較高，最適合微小物體、高精度位置的檢測。再加上光纖的使用，可以進行投、受光，在狹窄或危險的場所裝置光纖，所受到的限制較少。綜合考慮采用光電傳感器來檢測電機轉速。

（3）轉向檢測。電機的轉向對于飛行器在空中完成橫滾、側飛和其他動作尤為重要。本設計采用位置傳感器來實時監控直流電機轉向，檢測主轉子在運動過程中的位置，將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，控制它的導通與截止，使電機電樞繞組中的電流隨著轉子位置的變化按次序換向，形成氣隙中步進式的旋轉磁場，驅動永磁轉子連續不斷地旋轉。

3 結語

從機械結構設計、驅動系統設計、控制系統設計和檢測系統設計等方面進行了四旋翼無人機設計，提出一種新型無人機設計方案：通過4 個電機分別控制4 個旋翼，并結合位姿檢測系統避免飛行過程中因外力造成的飛行誤差。其結構輕巧合理，避免了傳統旋翼類無人機的一些不足之處。