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四軸飛行器進入尋常百姓的視野，可能是因為一部有趣又勵志的電影、影片中小小的四軸飛行器，象征著那位年輕學生的爰好和夢想。后來，國內(nèi)外的開源硬件浪潮，讓四軸飛行器成為了的耀眼明星。事實上四軸飛行器的歷史已經(jīng)很悠久了，早在1907年，法國就有人已經(jīng)制造了架四旋翼式直升機，由于沒有用到平衡控制系統(tǒng)，飛行的穩(wěn)定性非常差，近年來得益于微機電控制技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。

一、四軸飛行器的簡介

四軸飛行器又稱四旋翼無人機、四旋翼飛行器。簡稱四軸、四旋翼。四軸飛行器是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的簡單機構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過改變電機轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。具體的技術(shù)細節(jié)在“基本運動原理"中講述。因為它固有的復雜性，歷從未有大型的商用四軸飛行器。

無人飛行器是指具有動力裝置，而不要求有專業(yè)操縱人員的飛行器。它利用螺旋槳通過轉(zhuǎn)動形成向地面的氣流來抵消機身的質(zhì)量，可實現(xiàn)獨立飛行或者遠程控制飛行。相對于固定翼無人機，旋翼無人飛行器的發(fā)展就較為緩慢，這是因為旋翼無人飛行器的控制系統(tǒng)較為復雜，早期的技術(shù)不能滿足飛行要求。然而旋翼機具備所有飛機和固定翼無人機的優(yōu)點，其成本低，結(jié)構(gòu)簡單，無大機翼的限制，具有自主起飛及下降功能，事故代價低等特點。四軸飛行器是多旋翼飛行器中結(jié)構(gòu)的一種，由于其應(yīng)用前景廣泛，很快就吸引了眾多研究者的注意，特別是以美國等西方國家為主的大學在無人機的控制算法研究以及導航等方面取得了不少成果。我國基于PID控制算法，姿態(tài)控制方面也取得一定的成果。

二、四軸飛行器的結(jié)構(gòu)部件

四軸飛行器雖然有大有小，形狀各異，但是基本原理和結(jié)構(gòu)還是很類似的，以下是一些常見的配置。

1、四軸機架

機架就是一個十字形的支持結(jié)構(gòu)。微型四軸常常直接用電路板客串支架，一些DIY的高手會己設(shè)計和制作輕便簡潔的支架如果你沒有加工條件，直接在網(wǎng)上也可以買到各種成品。機架帶有彈性的支撐腿，避免降落時損壞電機。另外，如果可能的話，可以給螺旋槳加上一個框，避免葉片傷人或者被打斷。

2、四軸飛行器的電機和螺旋槳

為了讓四軸更小巧和輕便，一般來說微型四軸會選擇空心杯電機，每個只有幾克重。而大家玩航拍的干克量級的四軸飛行器，則選用航模專用的無刷電機。這些電機會標明kV800、kvl 000之類的參數(shù)，表示輸入電壓每增加1V，電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的值。電機的型號一般是2212、2018之類的數(shù)字，前兩位表示轉(zhuǎn)子直徑，后兩位表示轉(zhuǎn)子高度，數(shù)字越大的電機功率越大。入門航拍用的四軸飛行器，選擇2212或稍大的電機即可。

另外，購買電機的時候一般都會有推薦使用的配套螺旋槳。四軸飛行器的螺旋槳是正反槳，需要成對購買。槳的參數(shù)類似1045這樣，前面2位代表槳的直徑（linch=25.4mm)后面2位是槳的角度。

3、無人機的電子調(diào)速器

電子調(diào)速器簡稱電調(diào)，用來控制電機的轉(zhuǎn)速，4個電機需要對應(yīng)4個電調(diào)來控制。傳統(tǒng)的直流有刷電機接兩根線，電壓越大，轉(zhuǎn)得越快，反接電源則反著轉(zhuǎn)。而無刷電機一般至少有3根接線，靠電調(diào)不斷切換電流來控制轉(zhuǎn)速。電調(diào)控制的信號一般是PWM，通過不同的占空比時間來設(shè)置。電調(diào)有個重要的參數(shù)是安培數(shù)，代表著它能支撐多大的功率。航拍使用的電調(diào)推薦使用20至30A以上另外，選擇電調(diào)的時候，帶有BEC輸出，其實就是一個5V的電壓輸出，可以給飛機上的單片機和傳感器供電，降低電路的復雜度。

4、飛控

飛控是傳感器、單片機、遙控接收裝置和其他一些周邊電路的統(tǒng)稱。一般飛控板除了自穩(wěn)之外，還各支持不同功能，如航拍云臺控制、夜航燈、GPS模塊等。飛控板的硬件，主要包括陀螺儀、加速度傳感器和單片機等。其中陀螺僅用于檢測飛行器的角速度，加速度用于檢測飛行器的姿態(tài)由于飛機上天之后，經(jīng)常受到空氣擾動和螺旋槳震動的影響，加速度傳感器測量的姿態(tài)角度是誤差非常巨大的。而陀螺儀雖然測量角速度精確，但是要獲得姿態(tài)的話，需要對角速度進行積分，時間長了會有很大的累計誤差。所以飛控板上的核心軟件部分，必須有糾正誤差的融合算法。據(jù)說現(xiàn)在的六軸傳感器（例如MPU6050）已經(jīng)帶融合算法。

5、電池

電池四軸飛行器需要使用重量輕、功率大的電源。一般都選用聚合物鋰離子電池。Li-po鋰電池的主要參數(shù)包括標稱電壓、電池容量和放電能力。以3S/2000mAh/25C為例，鋰電池每個單元的電壓是3．7v左右，一般根據(jù)需要會把幾塊鋰電池串聯(lián)起來。

6、四軸無人機的遙控器

遙控器如果你打算在室內(nèi)遙控微型四軸飛行器，那么選擇一款入門級的遙控器就可以了，有的四軸飛行器也可以通過藍牙手機遙控。如果你打算玩航拍，那么就需要專業(yè)一點的航模遙控器了。目前遙控器的品牌和種類繁多，價格從幾百到幾干都有，選擇時請各取所需。建議選用4通道以上的遙控器，通道越多，能控制的功能就越多。另外，航模遙控器分為“美國手"和“日本手"，分別對應(yīng)左手控制油門和右手控制油門。一般來說，正常人習慣用“美國手"，也有很多遙控器已經(jīng)支持在設(shè)置里進行切換。頻率一般選用2 4GHz,這個頻率比較主流，也很穩(wěn)定。至于遙控距離，一般的遙控器都在幾百米以上，高級的遙控器可以達到幾干米。但是話說回來，四軸飛行器到幾百米以外，基本已經(jīng)看不清姿態(tài)了，所以也沒有必要追求很長的遙控距離。

除了手持的遙控器外，四軸飛行器還可以通過一些其他方式進行遙控。例如目前市區(qū)的地面幾百米范圍內(nèi)，基本都已經(jīng)被手機信號覆蓋，所以可以在飛行器上安裝手機引SIM卡，通過GPRS或者3G網(wǎng)絡(luò)進行通信。還可以在飛行器上增加GPS模塊，這樣甚至可以無需遙控，通過預(yù)先設(shè)置好的軟件，就可以讓四軸飛行器到的地點執(zhí)行任務(wù)后自動返航。

三、四軸飛行器方案的動力原理

1、四軸飛行器的飛行模式

四軸飛行器的飛行模式主要包括十字模式和x字模式兩種，如圖1所示。

十字模式下的飛行方向與其中一個電機的安裝方向一致，而x模式下的四軸飛行器前進方向指向兩個電機中間。由于十字模式可以直接明了的分清四個電機在四軸飛行器飛行過程的作用，所以操縱簡單，但動作靈活性差。x模式飛行模式復雜，但動作靈活。本次課題的四旋翼飛行器設(shè)計采用x模式。

2、四軸飛行器的動力學分析

四軸飛行器的動力來自機翼上的四個電機，帶動螺旋槳來提供空氣動力，和普通風扇一樣，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時會通過自身的流線型結(jié)構(gòu)使空氣推向前方或后方（和將的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)）。而對于四軸飛行器而言，四個螺旋槳都需要將空氣推向下方，進而產(chǎn)生向上的推進力。對于空氣槳，當電動機在空中停車后，螺旋槳繪像風車一樣繼續(xù)沿著原方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象成為螺旋槳的自旋。通過對槳的受力分析可知，如果某一只螺旋槳是順時鐘旋轉(zhuǎn)，則該槳會對機身產(chǎn)生一個逆時針的反作用力，使得機身向逆時鐘方向旋轉(zhuǎn)。如果我們使用四個一模一樣的槳，要使槳螺旋槳空氣推向下方，那么四個電機的轉(zhuǎn)向相同，電機帶動螺旋槳產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩就會朝著同一個方向，四軸則開始旋轉(zhuǎn)。因此，為了抵消螺旋槳的自旋，應(yīng)該使四軸飛行器相鄰的一對槳轉(zhuǎn)向相反，讓這一對槳產(chǎn)生的反作用力互相抵消。

四軸飛行器本身是的欠驅(qū)動系統(tǒng)。當4個電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速相等且升力等于四軸飛行器本身重量時，四軸飛行器將會處于懸停狀態(tài)。當飛行器處于懸停狀態(tài)時，可以有留個6個方向的自由度組合，即俯仰（前后運動）、橫滾（左右運動）、升降（上下運動）。

四、四軸飛行器的硬件設(shè)計

四軸飛行器的整個控制系統(tǒng)主要包括電源模塊，控制模塊，電機驅(qū)動模塊，傳感器模塊和通訊模塊，如圖2所示。

電源模塊主要提供給多個模塊供電，提供的電壓主要分為三種：3．3V，5V，3·4V一4·2V。其中3．3V主要是給控制器和姿態(tài)傳感器供電；5V主要是給通訊模塊供電，3．4V一4·2V（電池直接輸出）主要是給電機供電。

其中通訊部分主要是來自遙控器的四個通道信號。分別俯仰，橫滾，自旋和油門的指令；傳感器模塊作為飛行器的姿態(tài)檢測部分，將檢測到的角速度和角加速度信號通過控制器轉(zhuǎn)化成角度，用角度信號作為當前飛行器的姿態(tài)，與遙控部分的信號比較行程所需的閉環(huán)控制。

主控制器則處理通訊接收的遙控信號和傳感器采集的姿態(tài)信號，對數(shù)據(jù)分析后進行融合處理，最終通過PID算法得出電機的控制值，其值最終以PWM的方式輸出來驅(qū)動電機。

五、四軸飛行器的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件采用c語言編寫，微處理器公司提供了強大的庫函數(shù)功能，使得整個軟件系統(tǒng)的設(shè)計可以更多的注重算法和軟件架構(gòu)上。四軸飛行器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的最終設(shè)計都是為控制電機轉(zhuǎn)速來服務(wù)的，所以控制電機轉(zhuǎn)速的PWM波是軟件系統(tǒng)的最終輸出。

軟件系統(tǒng)的主要功能有接收遙控器數(shù)據(jù)并進行解析，讀取姿態(tài)傳感器中角速度和加速度的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)融合，串級PID算法結(jié)合從遙控收到解析后的目標角度和數(shù)據(jù)融合后的當前角度得出控制電機所需的PWM波。

1、姿態(tài)解算實現(xiàn)

姿態(tài)解算是飛行器能否正?？刂频暮诵模渲饕饔檬菑倪b控器得到的目標的姿態(tài)（歐拉角）與從姿態(tài)傳感器得到的角速度和加速度通過互補濾波和四元數(shù)算法轉(zhuǎn)化為實際歐拉角，目標值與實際進行運算的最終結(jié)果提供給PID控制器，最終得到電機PWM的輸出值，其解算步驟如圖3所示。

2、PID控制算法

四軸飛行器的控制算法采用采用PID控制器作為系統(tǒng)的控制算法。PID控制器原理簡單，具有魯棒性好、適用范圍廣，參數(shù)易調(diào)節(jié)等特點。PID控制算法在自動化控制領(lǐng)域中有者廣泛的應(yīng)用，其原理如圖4所示。

比例控制：能迅速反應(yīng)誤差，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，從而減小誤差，但是比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差KP的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分控制：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制器就不斷的進行積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能*消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。

微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引人一個有效的早期修正信號，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，同時可以減小超調(diào)量，克制震蕩，從而提高系統(tǒng)性能。

因為四軸飛行器的動力系統(tǒng)是一個非線性的控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID算法不但參數(shù)調(diào)制麻煩，而且控制起來比較難。所以本設(shè)計系統(tǒng)采用的是串級的PID控制，即將級的輸出作為第二級的輸人。外環(huán)采角度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用角速度環(huán)，采用串級的PID算法可以很好的控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

軸飛行器的方案總結(jié)

以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的四旋翼飛行器的動力學分析、硬件的各模塊需求分析與選擇、以及軟件整體框架及核心的算法的解讀與分析。其中硬件設(shè)計中，各模塊的選型和電路設(shè)計以及板子外形的是最容易出錯的。

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