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四軸飛行器屬旋翼飛行器，具有操作簡單、控制靈活，便于起降， 可以懸停等優點，它小巧的體積可以適應于很多的用途。四軸飛行器在結構上較單一直升機相比，結構緊湊、能產生更大的升力，同時可以通過反扭矩作用使飛行器平衡，不需要專門的反扭矩旋翼，懸停性能更加良好，易于控制，對于操作者的要求不高等特點，這對于廣泛的應 用推廣具有重要的意義，在民用和軍事領域都有廣泛的應用前景，因此對于四軸飛行器 的研究具有重大的現實意義。 隨著科技的發展，人們生活的節奏也越來越快，隨之人們對方便，快捷的要求也隨之不斷增高。遙控器的出現，在一定程度上滿足了人們這個要求。遙控器是由高產的發明家Robert Adler在五十年代發明的。而紅外遙控是20世紀70年代才開始發展起來的一種遠程控制技術，其原理是利用紅外線來傳遞控制信號，實現對控制對象的遠距離控制，具體來講，就是有發射器發出紅外線指令信號，有接收器接收下來并對信號進行處理，最后實現對控制對象的各種功能的遠程控制。
紅外遙控具有獨立性、物理特性與可見光相似性、無穿透障礙物的能力及較強的隱 蔽性等特點。隨著紅外遙控技術的開發和迅速發展，很多地方都應用了紅外遙控，而飛 行器也不例外。從單純的在飛行器控制面板上通過按鈕控制，到 10 米以上遠距離
的遙 控，雖然改變不大，但其帶來的便利無疑是巨大的。而紅外遙控技術的成熟，也使得遙控器控制飛行器變得設計簡單，價格低廉。 小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優勢在于其機械結構較為簡單，并且只需改變四個馬達的轉速即可實現控制，飛行機動能力靈活。另一方面，小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能，并具有小區域范圍內起飛、盤旋，飛行、著陸的能力。小型四旋翼飛行器研究也為自動控制以及計算機科學等諸多領域的融合研究提供了一個平臺。 本設計主要通過stm32單片機識別遙控器發出的信號對四個直流小電機進行速度控制，由電機帶動四個旋翼旋轉，實現飛行器的加速、減速、升降、前后左右移動等功能。內容涉及力學分析、直流電機驅動、微型計算機控制等學科領域。 設計主要實現以下主要功能： 基于stm32單片機，用遙控器控制飛行器啟停、加減速、前進后退、左右側飛以及左右轉； 二 主要部件設計選擇及介紹組成結構如下： 四軸飛行器主要組成： 1、遙控器 MCU STM32F103C8T6Cortex-M372MHz64K(Flash)20K(SRAM) 交互 0.96 寸藍色 OLED 通信 NRF24L01++PA+3dbi 天線 2、飛行器 MCU STM32F411CEU6Cortex-M4100MHz512KB(Flash)128K(SRAM 傳感器 MPU9250（ 3 軸加速計+3 軸陀螺儀+3 軸磁力計）+BMP280（氣壓傳感器） 通信 NRF51822-QFAA2.4G 槳葉 716 空心杯電機 +48mm 槳葉 對角電機軸距 92mm*92mm 電池 3.7V/250mAh 鋰電池 充電時間 30min 飛行時間約 9min 總體設計結構： 圖2 設計結構 2.1 遙控器2.1.1 通道遙控器用于發送各種控制指令，常用通信頻段為 2.4G。四軸飛行器的控制至少需要4個通道，功能越多需要的通道數越多。通道就是遙控器可以控制飛行器的動作的路數，一個通道控制一個動作，比如油門的高低 控制就使用掉一個通道，方向的控制又使用掉一個通道。四軸的基本動作有垂直（升降）運動，俯仰\前后運動，橫滾\側向運動，偏航運動，所以遙控器最低要求四通道。實際我們還需要預留一些額外通道來控制其他的部件，所以最好選用六通道遙控器。 2.1.2 日本手、美國手遙控器按操作習慣可分為美國手和日本手兩種，這個是根據遙控器搖桿的布局取得俗名。我們使用的是美國手。美國手：說左手搖桿負責油門和偏航，右手搖桿負責俯仰和橫滾。左手搖桿上下為油門控制， 左右是偏航控制；右手搖桿上下為俯仰控制， 左右為橫滾控制。對應的另外一種遙控為日本手。 左手搖桿負責俯仰和偏航， 右手搖桿負責油門和橫滾。 2.2 飛行控制器飛行控制器是四軸飛行器的核心，用來控制四個電機協調工作，檢測飛行器高度、姿態，自動調節飛行動作。 2.3 四軸機架常見的四軸機架有十字型，X 型，H型，木材，PVC管，鋁合金，波纖，碳纖都可用來做機架。DIY大四軸常用的碳纖維支架，小四軸也可用PCB 做機架。 三 四軸飛行器運動原理四軸飛行器基本原理是通過飛控控制四個電機旋轉帶動漿葉產生升力，分別控制每一個電機和漿葉產生不同 的升力從而控制飛行器的姿態和位置。 四軸在空中可以實現八種運動，分別為垂直上升、垂直下降、向前運動、向后運動、向左運動、向后運動、 順時針改變航向、逆時針改變航向。 下面以+模式介紹四軸飛行器飛行原理（X 模式，+模式后面介紹）。 3.1 垂直運動 如圖 3.1 所示，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。
圖 3.1 垂直運動當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋 翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實 現了沿 z 軸的垂直運動。 當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。 3.2 俯仰運動（PITCH）圖 3.2 電機 1 的轉速上升，電機 3 的轉速下降，電機 2、電機 4 的轉速保持不變。為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼 1 與旋翼 3 轉速改變量的大小應相等。由于旋翼 1 的升力上升， 旋翼3 的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉（方向如圖所示），同理，當電機 1 的轉速下降，電機 3 的轉速上升，機身便繞 y 軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。 圖 3.2 俯仰運動 3.3 滾轉運動（ROLL）與圖 3.2 的原理相同，在圖 3.3 中，改變電機 2 和電機 4 的轉速，保持電機 1 和電機 3 的轉速不變，則可使 機身繞 x 軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。 圖 3.3 滾轉運動 3.4 偏航運動（YAW） 四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現。旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動 方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動 方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不 發生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。 在圖 3.4 中，當電機 1 和電機 3 的轉速上升，電機 2 和電機 4 的轉速下降時，旋翼 1 和旋翼 3 對機身的反扭 矩大于旋翼 2 和旋翼 4 對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z 軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉 向與電機 1、電機 3 的轉向相反。因為電機的總升力不變，飛機不會發會垂直運動。
圖 3.4 偏航運動 3.5 前后運動要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，前后運動 必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖 3.5 中，增加電機 3 轉速，使拉力增大，相應減小電機 1 轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭 矩仍然要保持平衡。 按圖 3.2 的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的 前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。 當然在圖 3.2 圖 3.3 中，飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿 x、y 軸的水平運動。 圖 3.5 前后運動 3.6 側向運動在圖 3.6 中，由于結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。 圖 3.6 側向運動 四 飛行控制器硬件設計飛行器控制器要能夠通過采集處理微型MEMS慣性器件和三維地磁傳感器數據，計算飛行器的姿態角和航向角，并根據飛行指令和任務要求，結合相應的控制律給出適當的控制信號，控制飛行器的執行機構，改變飛行器的姿態和位置等。 根據模塊化設計思想，設計了飛行控制器，其中包括主控制模塊、數據采集模塊、信號接收處理模塊、執行機構驅動模塊以及數據通訊接口。飛行控制器中選取STM32處理器作為主控芯片，硬件平臺總體結構如圖 2 所示。 圖4 飛行控制器硬件結構 4.1 主控模塊控制器的核心是主控制模塊，它應具有多路模擬信號的高精度采集能力；輸出PWM脈沖控制信號能力；具有 PPM信號捕獲解碼能力;；此外，還應具有多個通信信道、充足的負載伺服機輸出通道以及數據接口。 考慮到不同環境下調試的便捷性，主控模塊設計了2種程序下載方案即JTAG方式以及ISP方式，并預留了多個負載外設接口以滿足照相機等負載設備的控制需求。 4.2 數據采集模塊為了提高飛行器控制可靠性，需要得到飛行器的俯仰和滾轉角作為姿態反饋，形成閉環控制。為提高其飛行穩定性，需加入角速率反饋以增加阻尼。 飛行器的飛行姿態通過慣性測量單元來獲取，包括 3只MEMS陀螺儀、三軸加速度傳感器和全向磁場傳感器以及最高精度達15cm的靜壓高度計。 飛行器位置信息通過定位系統獲取。傳感器原理圖如下： 圖4.2 傳感器模塊 控制器中選用MPU6050作為三軸加速度計和三軸角速度傳感器。加速度計和角速率陀螺通過IIC接口與處理器進行通訊。 4.3 執行機構驅動模塊由于四旋翼飛行器要實現自主懸停的關鍵是需要飛行器在傾斜時能在最短的時間內回到平衡位置，這就要求執行機構能夠快速反應，即能迅速地增大或減小轉速。針對四旋翼飛行器，執行機構中選用了無刷電機，無刷電機需要配以無刷電調使用。常見商品電調采用的是 PPM信號，周期為20ms。 伍 飛行控制器軟件設計5.1 軟件設計流程本控制器的軟件部分采用 c 語言編制，主要完成硬件平臺初始化、數據采集處理、遙控信號解碼、電機控制、姿態角解算以及控制律的實現。主程序流程圖如 5 所示。 圖5.1 程序流程 5.2 控制方法比例、積分、微分( PID)控制器是當今工業界廣泛使用的過程控制器, 具有簡單、可靠和容易集成等特點[3]。PID控制器結構清晰，參數可調，適用于各種控制對象，不需要被控系統的精確分析模型，并且算法簡單高效，可在現場根據實際調節參數而取得較好的控制效果，通過PID參數整定實現在比例、微分、積分三個方面參數調整的控制策略來達到最佳系統響應和控制效果。完整的PID控制表達式如下： 其中， 為比例增益， 為時間積分常數， 為時間微分常數， 為輸出變量， 為偏差數量。 在FPGA中，PID算法的實現采用數字逼近的計算方法。由于FPGA的并行處理的方式，在傳感器滿足其更新速率和傳輸性能的基礎上，隨著數值采樣速率的增加，其數字逼近的數值越接近真實數值。在這里，采用求和的方法代替積分運算、向后差分運算代替微分運算。FPGA的精確時鐘信號能夠實現隨著傳感器性能的提高，使積分、微分運算結果精度越來越高，并能夠最大限度保證積分間隔的準確。 其中， 為采樣周期， 是采樣序列號。 在四旋翼飛行器控制系統中，可以將其積分運算和微分運算的結果近似看做四旋翼飛行器的姿態和角速度。 其中，AT代表相應axis（包括Pitch、Roll、Yaw）三個軸上的姿態，ACC代表相應axis（包括Pitch、Roll、Yaw）三個軸上的角速度。
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