四轴飞行器系统研究与设计.docx

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四轴飞行器系统研究与设计

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李瑞平++杜华巍

【摘要】近些年来智能硬件蓬勃发展，而作为智能硬件中一颗耀眼的明星，四轴飞行器也越来越贴近我们的生活。伴随着电子科技的进步和自动化控制理论的完善，四轴飞行器所具有的功能越来越多，也越来越多的能承担人类赋予它的任务。最开始的四轴飞行器诞生于1907年的法国，是Breguet兄弟制造的。但由于当时技术的限制，当时的四轴飞行器无法克服操作复杂度高，系统鲁棒性极差等缺点，在诞生的上个世纪一直没有得到很好的发展。但如今随着卡尔曼滤波算法提出，高精度的陀螺仪和高性能的主控芯片的问世。使得四轴飞行器无论在控制复杂度、可靠性和生产成本上都有很大的改善。为其大规模生产及投入使用提供了可能。本文主要介绍了利用STM32作为主控芯片，陀螺仪MPU6050为主要测量部件。设计一架四轴飞行器的过程。本文主要从各部件的特性，实现原理，算法控制等方面讲解了从建模到设计一架四轴飞行器这一过程。

【关键词】STM32；MPU6050；陀螺仪；算法

0前言

作为飞机的一种，四轴飞行器因为它的四角有四个对称的螺旋翼而得此名。四轴飞行器的体积一般都比较小，所以它操作简便而且灵活度高。可以进行垂直起降，俯仰运动，滚转运动，偏航运动。除此之外高度可拓展性强价格便宜也是四轴飞行器的优点。在机身上可以按照摄像头，武器，等各种所需要的外设。

在实际应用中，在军事方面四轴飞行器可用于代替士兵进行侦查探测、攻击、警戒等任务。在工业方面四轴飞行器可以进行航拍、运输等任务。在一些人难以到达的地方或危险的地方代替人去执行一些任务。在生活方面，民用的航拍四轴飞行器的出现让我们多了一个视角看待我们的世界。

近些年来，随着科技的发展，关于四轴飞行器的各种算法，理论都日趋完善。各种高性能的传感器的出现也加速了四轴飞行器的发展。所以我们相信，四轴飞行器的研究将是一个广阔的课题。而在在不就的将来，四轴飞行器将如其他日用电子产品一样进入我们的生活。四轴飞行器也将迎来一个更高速发展的时代。

1四轴飞行器的简介

2005年第一架四轴飞行器诞生至今已有十余年，这几年随着各类技术的进步，与所有热门的技术一样，四轴飞行器已经成功吸引到了许多科学爱好者和科技公司的注意力。这一点从京东用四轴飞行器为客户投递包裹的举动就可见一斑。故笔者认为，作为现在最炙手可热的智能硬件之一，其在以下几个领域具有很好的发展前景。

一是，可作为新概念交通工具。早在第二次时间大战期间，科学家就设计了用以载人的四轴飞行器的原型机，但因为惯性测量单元太大飞行器不稳定等原因无法做到精确控制故而无法投入实际应用。但是随着科学技术的发展，今天以上所有问题都已解决。现在的四轴飞行器可以在高度密集的城市中以其灵活的姿态自由穿梭。

二是，作用于安保领域，现在我们常听到监控死角一词，那是因为现在的监控摄像头一般都是固定在建筑物上，所以在一定程度上会存在监控死角。但如果用四轴飞行器来进行监控追踪则完全可以避免这个问题。而且它还能顺带改善监控碎片化带来的监控不流畅等问题，大大加强了监控的能力与效率。

三是，作用于军事与搜救领域，现在美国的部队已经开始在使用了，他们在美军在中东地区的作战行动中发挥了巨大的作用。他们的轻便性灵活性是对美军的大规模重武器的一个很好的补充。

2整体设计

2.1整体设计方案

我们使用的惯性测量模块是MPU6050，在飞行器工作时MPU6050可以不断收集三个轴线（X轴Y轴Z轴）的加速度和它们的角速度。在收集后MPU6050利用串口与我们的主控芯片STM32进行通信，把数据发送给STM32。主控芯片在接收到数据后用PID算法进行处理。处理完成后把数据分别传给四轴飞行器四个无刷电调，从而控制每一个电机的转速。除此之外我们还利用外部中断接受来自地面遥控器的信号，主控芯片在接收到相应的信号后结合惯性测量模块发来的数据，对无刷电调发出指令改变电机转速，从而使得四周飞行器在动态平衡中改变运动方向和运动姿态。

2.2整體设计框图

3部分元器件简介

3.1无刷电机

普通直流电机因为其自身限制，如马力不够、自重太大、寿命短、效率低等原因，难以为四轴飞行器提供稳定的动力。所以我们使用专业的三相交流无刷电机。无刷直流电机是一种典型的机电一体化产品。其主要由电动机主体和驱动器组成。但直接使用无刷电机无法对电机实时精确的控制，所以我们还使用了无刷电调配合使用。以便让我们可以对飞行器实现高精度的控制。

无刷电机的单位为KV值，该单位的意思是电压每增加一伏特时转速所增加的值。因此从这个单位我们便知，无刷电机的转速与其输入电压成正比关系。无刷电机的这一特性为我们控制电机提供了极大的便利。

3.2无刷电调

随着无刷电机的大力发展，无刷电调也开始慢慢占据了市场的主流。市场上有很多个无