小型四轴飞行器硬件的选择
采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统
采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统四轴飞行器飞控系统是一种应用于四轴飞行器上的关键控制设备。
它包括硬件和软件两个部分，用于控制飞行器的姿态、稳定性和导航等功能。
其中，采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统因其高性能、低功耗和丰富的外设资源而受到广泛关注。
一、硬件设计：1.处理器模块：采用STM32系列微控制器作为处理核心。
STM32系列微控制器具有较高的计算能力和丰富的外设资源，能够满足飞行控制的计算需求。
2.传感器模块：包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等传感器。
加速度计用于测量飞行器的线性加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量飞行器的方向，气压计用于测量飞行器的高度。
3.无线通信模块：采用无线通信模块，如蓝牙、Wi-Fi或者无线射频模块，用于与地面站进行通信，实现飞行参数的传输和遥控指令的接收。
4.电源管理模块：对飞行器的电源进行管理，确保各个模块的正常运行。
包括电池管理、电量检测和电源开关等功能。
5.输出控制模块：用于控制飞行器的电机、舵机等执行机构，实现对飞行器的姿态和动作的控制。
二、软件设计：1.飞行控制程序：运行在STM32微控制器上的程序，用于实时读取传感器数据、运算控制算法、输出控制信号。
该程序包括姿态解算、飞行控制和导航等模块。
-姿态解算模块：根据加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器数据，估计飞行器的姿态信息，如俯仰角、横滚角和偏航角。
-飞行控制模块：根据姿态信息和目标控制指令，计算出电机和舵机的控制信号，保证飞行器的稳定性和灵敏度。
-导航模块：利用GPS等导航设备获取飞行器的位置和速度信息，实现自动驾驶功能。
2.地面站程序：在地面计算机上运行的程序，与飞行器的无线通信模块进行数据交互。
地面站程序可以实时监测飞行器的状态和参数，并发送控制指令给飞行器。
总结：采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统是一种高性能、低功耗的控制设备，包括硬件和软件两个部分。
硬件包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源管理模块和输出控制模块。
四轴飞行器DIY入门 篇一：主要部件介绍及选购
四轴飞行器DIY入门篇一：主要部件介绍及选购楼主打小就喜欢会飞的东西，《航空知识》从初一就开始看（伪军迷一枚），第一架航模是橡皮筋动力的塞斯纳，但是随着学业和工作关系，一直没有真正的堕入模界，直到7年前离开家到外地工作，有自己的一片小天地后，就一发不可收拾，楼主是静态动态双修，今天借张大妈的平台，给大家介绍下四轴飞行器DIY。
为啥要玩四轴呢第一是四轴DIY的门槛近些年一路走低，各式各样的飞控层出不穷（这里要感谢那些Do飞控的大神们！），不必花费太多就能拥有一架四轴飞行器；第二就是咱能飞的空间越来越萎缩，想方便的在市内去飞固定翼实在是难找地方，四轴无需太大的场地就能爽飞。
下面进入正题：什么是四轴飞行器？通俗点说就是拥有四个独立动力旋翼的飞行器，四轴飞行器是多轴飞行器其中的一种，常见的多轴飞行器有两轴，三轴，四轴，六轴，八轴。
四轴飞行原理为什么四轴能飞起来没有机翼，升降舵，方向舵，他怎么控制升降/方向？飞行器的主要飞行动作有垂直（升降）运动，俯仰运动，前后运动，横滚运动，侧向运动，偏航运动：垂直（升降）运动最好理解，就是油门控制，推油门上升，拉油门降低，所有升力来自旋翼。
仰俯运动，在固定翼中是靠推拉升降舵来实现，四轴则是通过控制其中2个（或4个）轴线上的电机转速来实现，如下图所示：1号电机提速，3号电机降速，四轴延X轴方向仰起。
并且，仰俯运动的同时，四轴也会做前后运动，四轴发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。
向后飞行与向前飞行正好相反而已。
横滚运动，在固定翼中是靠控制副翼来实现，四轴则也是通过控制其中2个（或4个）轴线上的电机转速来实现，和仰俯运动控制方式一样，只是作用的电机不同而已，如下图所示：4号电机提速，2号电机降速，四轴延Y轴方向翻滚。
并且，小幅度的横滚运动，会导致四轴做侧向运动。
偏航运动，在固定翼中是靠控制方向舵来实现，四轴则是通过反扭力来实现。
旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭力，为了克服反扭力影响，四个旋翼，两个正转，两个反转，且对角线上的来自4各个旋翼转动方向相同；反扭力的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭力相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭力会引起四旋翼飞行器水平转动，从而实现偏航运动，入下图所示：1,3号电机转速提高，2,4号电机转速降低，四轴就会水平旋转起来，由于总体的升力不变，所以不会导致四轴上升/下降。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
四轴飞行器的设计
四轴飞行器的设计随着电子技术的快速发展，四轴飞行器被越来越多的人们喜欢和使用，特别是用于航拍和军事领域，在不久的将来必然也会应用于越来越多的其他领域。
文章设计一款基于STM32F103C8T6为主控系统的小型四轴飞行器，采用keil5为软件开发环境，用MPU6050芯片进行姿态采集，根据采集到的数据进行姿态分析，进而控制其稳定飞行。
标签：四轴飞行器；单片机；PID1 无人机的发展历史及意义无人飞行器是指具有动力装置，而不要求有专业操纵人员的飞行器。
它利用螺旋桨通过转动形成向地面的气流来抵消机身的质量，可实现独立飞行或者远程控制飞行。
相对于固定翼无人机，旋翼无人飞行器的发展就较为缓慢，这是因为旋翼无人飞行器的控制系统较为复杂，早期的技术不能满足飞行要求。
然而旋翼机具备所有飞机和固定翼无人机的优点，其成本低，结构简单，无大机翼的限制，具有自主起飞及下降功能，事故代价低等特点。
四轴飞行器是多旋翼飞行器中结构最简单的一种，由于其应用前景广泛，很快就吸引了众多研究者的注意，特别是以美国等西方国家为主的大学在无人机的控制算法研究以及导航等方面取得了不少成果。
在我国，北京理工大学在基于PID控制算法，姿態控制方面也取得一定的成果。
国防科技大学从2004年开始对四轴飞行器相关技术展开研究，并自主设计了四轴飞行器的原型样机。
但四轴飞行器真正的进入公众视野却是2012年2月，美国宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出四旋翼飞行器里程碑式的演讲[2]。
2 四轴飞行器的动力分析2.1 四轴飞行器的飞行模式四轴飞行器的飞行模式主要包括十字模式和X字模式两种，如图1所示。
十字模式下的飞行方向与其中一个电机的安装方向一致，而X模式下的四轴飞行器前进方向指向两个电机中间。
由于十字模式可以直接明了的分清四个电机在四轴飞行器飞行过程的作用，所以操纵简单，但动作灵活性差。
X模式飞行模式复杂，但动作灵活。
本次课题的四旋翼飞行器设计采用X模式。
四轴飞行器设计方案
四轴飞行器设计方案四轴飞行器设计方案一、引言四轴飞行器是一种具有四个电动机的飞行器，通过控制电机的速度来调整姿态和飞行方向。
本文将介绍一种四轴飞行器设计方案，包括材料选择、电机配置、控制系统等方面。
二、材料选择1. 框架材料：选择轻质且具有足够强度的材料，如碳纤维复合材料，以提高飞行器的耐用性和飞行稳定性。
2. 电机：选用高效率、低功耗的无刷电机，以提高续航时间和飞行效能。
3. 电池：选择高能量密度的锂聚合物电池，以提供足够的电力供应。
4. 传感器：配置加速度计和陀螺仪，以实时测量飞行器的运动状态，并通过算法进行控制。
三、电机配置为了实现四轴飞行器的稳定飞行和灵活操控，需要配置四个电动机，分别安装在飞行器的四个角落。
电机和框架之间采用弹性支撑装置，以减少机械振动和飞行噪音。
电机与框架之间的连接采用可调节的装置，以便根据飞行器的需要进行调整。
四、控制系统飞行器的控制系统包括飞行控制器、遥控器、传感器等。
飞行控制器是整个系统的核心，负责接收遥控器的指令，并通过内部的算法计算出合适的电机转速来实现飞行器的姿态调整和飞行控制。
飞行控制器还需要与传感器进行数据交互，以获取飞行器实时的运动状态。
五、功能扩展为了增加飞行器的功能，可以增加以下扩展设备：1. 摄像头：配备高清摄像头，实现视频拍摄和实时传输功能。
2. 红外传感器：用于无人机的避障功能。
3. GPS导航系统：提供飞行器的定位和导航功能，实现航线的自动规划和自主飞行。
4. 载荷释放装置：用于携带和释放物品，可在特定场景下使用。
六、安全保障措施为了确保四轴飞行器的安全性，应采取以下措施：1. 安全起飞和降落：制定飞行区域和起飞降落区域，确保无人机在安全的条件下起飞和降落。
2. 自动返航功能：确保在遇到故障或信号丢失时，飞行器能够自动返回起飞点。
3. 遥控频率选择：在多无人机飞行环境中，选择不同的频率，以避免干扰和冲突。
七、总结通过以上设计方案，我们可以实现一款稳定飞行、灵活操控、功能丰富且安全可靠的四轴飞行器。
四轴飞行器设计概述
四轴飞行器设计概述首先是机身结构设计。
四轴飞行器的机身一般由主体机架、飞行控制电路和机载设备等组成。
主体机架通常采用轻质、坚固的材料制作，如碳纤维或铝合金。
其设计应考虑到在飞行中的稳定性和机动性，尽量减少风阻并提高机体刚性。
此外，机身上还需要安装螺旋桨挡板、摄像机支架等附属设备。
其次是电力系统设计。
四轴飞行器的电力系统由电机、电调器和电池等组成。
电机是提供动力的核心部件，一般采用无刷直流电机。
电调器用于控制电机的转速和方向，根据飞行控制信号调节电机的输出功率。
电池则是供给飞行器能量的源头，常用的是锂聚合物电池，其轻量、高能量密度的特点适合飞行器的需求。
控制系统是四轴飞行器的重要组成部分。
其主要功能是稳定和控制飞行器的姿态、高度、速度等。
该系统一般包括陀螺仪、加速度计、飞行控制器等硬件设备以及相关的软件算法。
陀螺仪用于测量飞行器在三个轴向上的角速度，加速度计则用于测量飞行器的加速度。
飞行控制器是整个控制系统的核心，将传感器数据进行处理，并根据预设的飞行控制算法来实现姿态稳定和飞行控制。
设计四轴飞行器还需要考虑到通信系统、导航系统、遥控系统等。
通信系统用于与地面站进行数据传输，如视频传输、遥测数据传输等。
导航系统用于飞行器的位置和定位，一般采用全球定位系统（GPS）等技术。
遥控系统是四轴飞行器的操控手段，一般包括遥控器和接收器等设备。
最后，设计四轴飞行器还需要考虑到安全性和可靠性。
飞行器应具备防风能力，以应对恶劣天气条件下的飞行。
此外，应考虑电池电量、电机温度等因素，以保证系统的安全运行。
对于关键部件如电机、电调器等，应进行质量控制和可靠性测试。
综上所述，设计四轴飞行器需要从机身结构、电力系统、控制系统等多个方面进行综合考虑。
在实际设计中，还需要根据具体应用需求和性能要求进行详细设计和优化。
随着科技的不断发展，四轴飞行器的设计将进一步完善，提升其飞行性能和应用范围。
小型四轴飞行器运动学分析及控制系统设计
科技 一向导
◇ 科技创新◇
小型四轴飞行器运动学分析及控制系统设计
刘 骁 （ 东北林业大学机 电工程学院 黑龙江
哈尔滨
பைடு நூலகம்
１ ５ ０ ０ ４ ０ ）
【 摘 要】 本 文首先 简单介绍 了小型四轴飞行器的运动学模型 ， 然后分析并设计飞行器飞行位姿检测 电路 ， 并在最后分析介绍 了飞行器 的 控制算法设计。 【 关键词】 四轴飞行 器； 运动学 ； 位姿检 测； 飞控算法
功能。Ｍ Ｐ Ｕ 一 ６ ０ ５ ０ 为全球首例整合性 ６ 轴运动处理芯片 。 相 较于多组 可以有效避免组合 陀螺仪与加速器时之轴 间差 的问题 。 同时 四轴飞行器 为多轴飞行器的一种 ， 是近些 年来新兴 的热 点之 一。 件方案 ． Ｐ Ｕ 一 ６ ０ ５ ０ 内置 ３ 轴 陀螺仪 、 ３ 轴加速器 ， 并可 其机翼固定在机架 的四个角 ． 按照机架 的形状可 以分为 十字型和 ｘ 字 能够进一步节省空 间。Ｍ 型。 以通过第 二个 Ｉ ２ Ｃ端 口连接其他传感器 ． 然后通过主 Ｉ ２ Ｃ 端 口以单一 相对于固定翼 飞行器 ， 多轴飞行器具有空中动作灵 活 ， 反应迅速 ， 数据流的形式 ． 向控制器输出 ９ 轴信号 。 数字罗盘 的的作用是根据测量得 到的地 磁场在飞行器 三个 轴向 可悬停等特点。 计算 当前 飞行器的航 向． 通过后 面的数据融合算法校 正陀 目前 四轴飞行器的设计 与控制正在 日渐成熟 ． 更多 的人正在致力 上 的分量 ． 螺仪 ｚ 轴的偏差。本 系统选用 Ｈ Ｍ Ｃ ５ ８ ８ ３ Ｌ作为数字罗盘 ． 该芯片内置 于四轴飞行器的小型化设计制作 低 噪声 Ａ Ｍ Ｒ传感器及 １ ２ 位 Ａ Ｄ ， 测量 范围可达＋ ８ Ｇ ｓ 。 数据 输 出频 率 ２ ． ， Ｊ 、 型 四轴 飞 行 器 动 力 学分 析 ６ ０ Ｈ ｚ ． 其接 Ｅ ｌ 为Ｉ ２ Ｃ 小 型四轴 飞行器控制 的基 础是对其进行运动 学建 模 四轴飞行 可达 １ 上述两个芯片即为位姿检测单元传感器 ． 主控芯片读取传感器数 器 的按 照结构可 以分为 ｘ型与十字 型两类 ． 本 文的论述仅针 对十字 据进行处理后即可得到实时的位姿信息 。 型。 主控制器负责飞行 器的姿态解算算法 、 飞行控制算法的计算以及 四只旋翼分为顺时针与逆 时针两组 ． 位于 同一杆上 的两只旋翼为 同组旋翼 。 通过调整四只旋翼 的旋转速度 ， 为飞行器提供不 同的力 ， 从 人机交互程序的运行 因此 ． 主控芯片应具有较 高的运算速度 ， 较高的浮点数运算精度 ， 而实现飞行器的控制。 比如 ， 四只旋翼转速相 同时可 以实现飞行器 的 Ａ Ｍ与 Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ 空 间。同时 ， 考虑到飞行器端为 电池供 电 ， 且对 悬停 动作 ： 等量增大或减小 四只旋翼的转速时 。 可 以实现飞行器 的上 足够的 Ｒ 因此主控 芯片的功耗应较低 ， 且封装应尽可能小 。 升或下降动作 ：增大某一旋翼 的转速 的同时减小 同组旋翼 的转速 ． 可 质量 与体积有要求 ， 综上选取 Ｓ Ｔ Ｍ ３ ２ Ｆ １ ０ ３ Ｃ ８ 作为主控芯片 。该芯片是 Ｃ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ — Ｍ ３内核 的 以实现俯仰动作 ： 增大某一组旋翼转速 的同时减小另外一组旋翼 的转 高性 能 ３ ２ 位Ａ Ｒ Ｍ处理器 ． 支持 Ｔ ｈ ｕ ｍ ｂ 一 ２ 指令集 ． 内置 向量 中断控制 速． 则可产生偏航动作。 Ｖ Ｉ Ｃ ． 是 面向嵌入式的一款控制器 。该芯片的最高主频 为 ７ ２ ＭＨ ｚ ． 运动学模型 为简化后的模型 ． 假设 飞行器平行 于水平 面。定 义笛 器 Ｎ 具有 １ ． ２ ５ Ｄ Ｍ ｉ ｐ ｓ ／ ＭＨ ｚ 的指令执行效率 ． 满足 系统对 于计算速度 与浮点 卡尔坐标 系 Ｂ为物体 坐标 系 ， 其 坐标轴分别为 ｘ ． ｖ ＇ ｚ 轴 定义笛卡尔 数计 算精 度 的要求 该 芯 片片 内集成 了 ６ ４ Ｋ的 Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ以及 ２ ０ Ｋ的 坐标系 Ｅ为大地坐标系 ， 其坐标轴分别 为 ｘ ， Ｙ， ｚ轴。 Ｒ Ａ Ｍ存储器 。 足 以存储位姿解算算法 、 控制算法 的代码 以及计算过程 设绕ｘ ， Ｙ ， ｚ 轴旋转 ｘ ， Ｙ ， ｚ得到的欧拉角矩阵 ＠ ＝ ｅ ］ Ｔ ，进行整 中产生的大量数据 。且该芯片 的片 内资源很丰富 ， 具有 ３ ７ 个独立 １ ０ 理后可得各坐标轴 的变换矩阵 Ｒ ｘ ， Ｒ ｖ 。 Ｒ 卫 。 口， ３ 个 独立 的 Ｕ Ａ Ｒ Ｔ 模块 ． ２ 个Ｉ ２ Ｃ 模块。 ２ 个 １ ２ 位模 数转 换器 ， 足 则物体坐标 系到大地坐标系的变换矩阵为： Ｒ ＝ Ｒ ｚ ． Ｒ ｙ ． Ｒ ｘ 够满足控制系统对 主控芯片资源的需求。 同时该芯片是一款低功耗芯 由于多旋翼 产生 的力与力矩之间存在较 大耦合性 ． 故本文按照理 片， 最 高主频下 工作电流仅 ３ ６ ｍ Ａ 。 其 封装 为 Ｌ Ｑ Ｆ Ｐ ４ ８ ． 满 足飞行器 的 想条件下 ． 及 飞行器保持水平状态进行力学分析 。设推力 Ｔ为四旋翼 小体积要求。 的升力总和 ， 则飞行器受力 Ｆ Ｂ为 Ｆ Ｂ ＝ ： 『 Ｏ ０， Ｉ １ ４ ． 控制算法介绍 Ｋ为空气阻力系数 ． 低速情况下可忽略不计 小型 四轴飞行器控制算 法可分为位姿解算 、 飞控解算 、 通讯 三部 ３ ． 控制 系统方案分 析 分 ．其 中位姿解 算与 飞控算 法是 影响 飞行器 飞行可 靠性 的关键 因 四轴飞行器 分为遥控装置与飞行器部分 素。 遥控装置为遥控器 与无线信号收发模块 两个部分 遥控器提供操 传感器在测 得飞行器 的瞬时角速度后 ． 通过方 向 余 弦演化公式的 作界面 ． 在检测到操作人 员的控制指令后 ． 遥控器对信号进行 编码并 计算 ， 即可得到当前 时刻飞行器的姿态信息。 但是 ， 任何传感器采集电 发送至飞行器端 。 无线信号收发模块仅提供无线信号收发 以及无线转 路都会存在误差 、 噪声 、 温漂等情况 ． 因此单纯的方 向余弦演化公式无 其他接 口的功能 ． 从而使操作人员可以其他终端 的上位机软件控制飞 法长时 间保证位姿数据的准确性 ． 故需要对三个传感器获得的数据进 行器 以及监测飞行器状 态 行数据融合处理 。 常用 的方法有卡尔曼滤波以及互补滤波 陀螺仪 的 飞行器控制部分的功能包括 ： 主控单元 、 飞行器位姿检测单元 、 电 响应速度快 ． 但 是会受到零点 温漂产生 的低频干扰 ： 加 速度传感器用 机及其驱动 、 无线信号收发、 电源。 飞行器位姿检测单元 的精度直接影 于测量重力加速 的矢量 ．但是会受到飞行器振动引起 的高频干扰 ： 数 响飞行器 的飞行状态 ． 故下文将对该单元进行详细介绍 字 罗盘测量地磁矢量 ， 数据测量较准确 ， 但是易受到电磁干扰。 由此可 位姿检测单元 由三轴陀螺仪 、 三轴加速度传感器 、 三轴陀螺仪 以 知三种传感器信号测量相同的量在频域 内特性互补 ． 故可采用互补滤 及数据处理芯片组成。 该单元 固连于飞行器的中心 。 跟随飞行器运动 ， 波器进行数据处理。互补滤波器的计算公式为 ： 从而实现实时准确地采 集飞行器 的姿态 、 飞行速度 、 航向等数据 。 若控 制器 的主控芯片性能较好 ，则可 以数据处理部分可 由主控芯片完成 ： Ｑ ＝ ｒ ｎ ＋ Ｐ Ｊ ∞ ｊ ＋ Ｊ ∞ ｄ ｔ ＋ ｋ Ｄ ２ ２ 十 ｆ ∞ ２ 若 主控芯片功能不是足够强大 ． 则此处应保留数据处理芯片。 其 中 ｎ表 示校正后的角速度矢量 ， ∞ 、 （ １ ） 为数字罗盘测量 的矢量 陀螺仪的作用是检测飞行器 的 ｘ 、 ｙ 、 ｚ 三个轴的角速度。常见陀螺 与估算矢 量的偏差及加速度 传感器测量 的重力加 速度与估算矢量 的 仪 可以分 为机械 式陀螺仪 、 声学 陀螺 仪 、 光学陀螺仪 和微机电系统陀 偏差 。ｎ 为陀螺仪测量得到的载体 坐标系 内的角速度矢量。 螺仪 。 根据 四轴飞行器的需求 。 选择微机 电系统陀螺仪 ． 该类 型陀螺仪 位姿 解算 算法 的功 能即根据计算得到 的公式 对传感器输人数据 具有体积小 、 成本低 、 使用方便 等特点 。 加速度传感器的功能是测量重 进行处理 ． 并最终得到可用的位姿状 态信息 。 力加速度在飞行器 ｘ ， ｙ 、 ｚ 三个方 向上 的分量 在较成熟的控 制系统设 ５ ． 结 论 计方案 中， 通过位姿解算算法进行数据融合 ． 校正 陀螺仪 的偏差 ， 得 到 从 上文不难看 出． 小 型四轴飞行器 的机械 结构 比较简单 ． 控制电 准确的俯仰角与横滚角 路受限于飞行器 的体积与质量要求 ， 也尽量简单 化 、 小型化。同时 ． 随 综合 以上 因素 ，选用 Ｍ Ｐ Ｕ ６ ０ ５ ０ 芯片来实现 陀螺仪 与加速度计 的 着传感 器技术 的发展 ， 一些功能可以由传感器直接完 （ 下转第 １ ３ ６ 页）
四轴飞行器的系统设计
四轴飞行器的系统设计盛希宁;蔡舒旻【摘要】四轴飞行器作为当前最热门的一种飞行器,以其体积小、质量轻、灵活便携、机动性高、能工作于各种恶劣环境等特点在安保、消防等领域得到了广泛应用.本设计以Arduino控制板为四轴飞行器的控制核心,通过6轴运动处理组件MPU6050、蓝牙模块HC-05、四个直流无刷电机、四组电子调速器、四个螺旋桨、F450机身和锂电池等构成硬件系统,以Arduino控制板读取MPU6050中三轴的电压变化量,经过低通滤器滤波后获得稳定的电压值,再转换成角度.在MultiWiiConf飞行配置软件中设定PID控制器的参数,以修正四轴飞行器的姿态控制,使飞行器的状态输出可在有限的时间内达到姿态稳定.【期刊名称】《林业机械与木工设备》【年(卷),期】2018(046)004【总页数】4页(P40-43)【关键词】四轴飞行器;Arduino;MultiWiiConf;PID【作者】盛希宁;蔡舒旻【作者单位】江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院,江苏常州213000;江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院,江苏常州213000【正文语种】中文【中图分类】V2411 四轴飞行器的平衡和飞行原理四轴飞行器又称四旋翼飞行器，其四个螺旋桨呈十字形布置，由电机直接驱动[1]。
通过改变电机的转速可使飞行器获得旋转机身的力，从而调整飞行姿态。
四轴飞行器前侧和后侧的电机均为逆时针旋转，左侧和右侧的电机则为顺时针旋转，这种相反方向转动设计可以将螺旋桨对机身的反作用力相互抵消，进而获得向上的动力。
与直升机相比，四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少，仅有基本的前进、后退和平移等，但四轴飞行器的机械结构远比直升机简单，维修和更换零件的成本也比较低，因此四轴飞行器具有自己独特的市场应用优势。
四轴飞行器的飞行模式分十字模式和X字模式两种[2-3]。
(1)十字模式。
该模式操作方式简单，适合于四轴飞行器的初学者，其优点为操作方式简单且稳定，缺点是无法做出飞机特技。
基于STM32控制的微型四轴飞行器
西华大学610039摘要：在对我很感兴趣的项目微型四轴飞行器进行了功能描述的基础上展开了对系统深入研究的方案设计。
该系统（装置）主要由飞控，遥控，蓝牙或WIFI模块，通信模块等组成。
飞控是由stm32f103作为主控，采用MPU6050作为惯性测量单元。
遥控是由arduino作为主控。
通信运用2.4G无线模块。
在AD环境中完成对飞控的的设计。
在keil 5中完成软件的设计。
然后，通过proteus软件完成飞控的模块的仿真与调试。
最后，分析了项目的计划完成情况。
关键词：四轴飞行器控制 stm32 通信设计引言随着社会的发展和科技的进步，我们迎来了新的时代。
在这个高速发展时代，所有的物品都在日新月异的变化。
我们小时候的纸飞机玩具变成了现在的遥控飞机，其中的四轴飞行器备受大众喜欢。
但是四轴飞行器的用处还有多，如林业，侦察，航拍，运输，娱乐观赏等领域，目前热门的航拍就是基于稳定四轴及云台搭建的平台实现，然后其他邻域应用还有相当的潜力。
四轴飞行器将会是很有潜力和未来需求的，代替人类运输，派遣去危险的地方拍摄，或者是交通，个人飞行器等等。
所以四轴飞行器以后一定可以成为主流产品，在生活的方方面面都可能会用到。
1项目1.1 项目描述近年来,国内科技领域对四轴飞行器的研究如火如荼,相关技术得到了迅速的发展。
随着信息化时代的蓬勃发展, 科学技术不断更新, 飞行器被广泛的应用在军事侦查、航拍以及民用快递运输等诸多行业。
四轴飞行器结构简单,操作灵活,单位体积内可提供巨大的升力,适合在狭窄环境中飞行,携带各种电子设备可执行各种任务,例如军事侦察、定位跟踪、农田监测等,在军事、民用等领域均有广泛的应用和广阔的前景。
本项目设计了一种基于STM32的微型四轴飞行器控制系统,以STM32单片机为主控制器,MPU6050为惯性测量单元模块核心,3.7V锂电池供电,通过蓝牙模块或wifi模块实现在手机App上来控制飞行器，或者通过自制遥控器来控制。
四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计
四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计首先，在硬件电路设计中，关键是选择合适的传感器。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计等。
加速度计用于测量飞行器的线性加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量飞行器的方向。
这些传感器需要与处理器进行接口连接，并能够提供准确的数据。
因此，在硬件电路设计中，需要选取高性能的传感器，同时设计稳定可靠的电路板。
其次，处理器是控制系统的核心。
处理器的选择应综合考虑性能、功耗和成本等因素。
常用的处理器有单片机和微处理器。
单片机适用于简单的控制任务，如姿态控制和飞行模式切换等。
而微处理器适用于复杂的控制任务，如路线规划和数据处理等。
在硬件电路设计中，处理器需要与传感器和电调进行接口连接，并能够高效地处理控制指令。
此外，处理器还需要具备足够的计算能力和存储空间，以便实现飞行控制算法和数据记录功能。
电调是控制电机转速的关键组件。
通常，四旋翼飞行器需要四个电调以控制四个电机的转速。
电调需要接收处理器发送的PWM信号，并将其转换为适当的电机转速。
在硬件电路设计中，电调需要具备快速响应的能力，并能够输出稳定的PWM信号。
此外，电调还需要有适当的保护机制，以避免过载和短路等故障。
最后，电机是驱动飞行器旋转的关键组件。
电机的选择应综合考虑功率和效率等因素。
常用的电机有无刷电机和有刷电机。
无刷电机具有高效率和长寿命等优点，因此在硬件电路设计中通常选择无刷电机。
电机需要与电调进行接口连接，并能够输出适当的推力。
此外，电机还需要具备足够的扭矩和转速范围，以应对不同的飞行任务。
总之，四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计涉及多个组件的选择和接口设计等方面。
在设计过程中，需要综合考虑传感器、处理器、电调和电机等因素，以实现飞行器的控制能力和飞行稳定性。
四轴飞行器简介
temp10[i][j]=Kg[i]*H[j];
for(i=0;i<2;i++)
for(j=0;j<2;j++)
temp11[i][j]=1-temp10[i][j];
for(i=0;i<2;i++)
for(j=0;j<2;j++)
{
for(k=0;k<2;k++)
P_optimal[i][j]+=temp11[i][k]*P_estimate[k][j];
Q为系统过程中的协方差
至此，已经有了现在状态的预测结果，接下来收集现在状态的测量值，结合预测值和测量值最后得出现在K时刻的最优估计值X(K|K)
第三步：
得到最优估计值之前需要将卡尔曼增益求出来：
第四步：
求出K时刻的最优估计值X(K|K)：
X(K|K)=X(K|K-1)+ *[Z(K)-H*X(K|K-1)]
CNC碳管固定座4个
3k 12MM全碳碳管4根
铝合金机身板2块
塑料脚架1对
效果图如下：
图2.1四轴飞行器效果图
第三章
硬件的基本模块主要包括：控制模块、传感器模块、通讯模块、电机驱动模块这四大模块。
4.1控制模块
控制模块这部分需要处理数据，并作出控制决策。控制器只用过单片机，由于缺乏经验，要参考老师的意见。
第五步：
计算最优估计值的协方差P(K|K)：
P(K|K)=[I- *H]*P(K|K-1)
试着编了一下程序：其中输入参数为经过处理转化后的加速度的角度，陀螺仪的角速度
四旋翼飞行器元件清单
四旋翼飞行器原件清单1、机架。
（建议买碳纤维材料的450机架）大小：我做的那个飞行器的机架是450的，450的意思是对角线上的两个电机轴为450mm。
网上也有卖550，380的材料：建议买碳纤维的，质轻且耐摔，刚性又好，价钱大概是200元左右。
2、电机。
（建议买朗宇2212，1000KV无刷电机）4个无刷电机是航模的最佳选择。
选型：建议买朗宇的无刷电机，参数2212,1000kv肯定够了。
电机参数解释：2212前两位是指无刷电机转子的直径为22mm，后两位是指无刷电机转子高度为12mm。
kv值是指外加1v电压对应的每分钟空转转速。
所以1000kv就说明电机供电电压增加1v，电机每分钟空转转速提升1000转。
3、电子调速器（建议买好盈天行者40A或者30A都行）4个4、1045正反浆（建议多买些正反桨，因为比较容易损坏，属于耗材）1045是指桨的直径为10英寸（1英寸=254mm），桨的角度是45°。
5、2200mAh 11.1V 30C 充电锂电池买2块可以换着用这种电池为动力锂电池，2200 mAh表示电池的容量，如果电池以2200mA放电的话可以放电一小时。
11.1V表示电池的额定电输出压。
C是普通锂电池与动力锂电池的最大不同，动力锂电池的容量与C值的乘积即为锂电池的最大放电强度。
本设计中的电池放电强度为2200*30=66000mA。
如果升力够大，可以选用容量更大的电池，不过我用的就是上面这种电池。
6、飞行主控建议使用STM32F103ZE，STM32F103ZE的GPIO口较多，闪存和RAM容量都比较大，有利于将来的功能扩展7、惯性器件MPU6050 1个8、NRF24L01无线通信模块2个9、天地飞7遥控器及无线接收器以上这些元件就可以使得飞行器平稳起飞了。
我做的那个飞行器没有用地磁传感器HMC5883L，也就是先放弃偏航角的测算和控制。
建议可以在飞行器起飞之后加上这个模块，可以使得飞行器更稳，没有自转现象。
四轴飞行器评价标准
四轴飞行器评价标准1.引言1.1 概述四轴飞行器是一种通过四个电动机带动螺旋桨实现垂直起降和飞行的无人机。
它采用了先进的飞行控制技术和稳定系统，具有灵活、机动性强的特点。
随着科技的不断发展，四轴飞行器已经成为无人机领域中最常见和最受欢迎的机型之一。
本文旨在对四轴飞行器的评价标准进行探讨和总结，帮助读者更好地了解和选择适合自己需求的飞行器。
为了达到这一目的，本文将从轴距和负载能力以及飞行稳定性和控制性能两个方面进行详细的分析和评价。
首先，轴距和负载能力是评价一个四轴飞行器性能的重要指标。
轴距决定了飞行器的体积和稳定性，较长的轴距可以提高飞行器的稳定性和飞行平稳度。
负载能力则表征了飞行器携带物品的能力，这对于特定应用场景中的物品运输和投放任务非常关键。
其次，飞行稳定性和控制性能是评价四轴飞行器好坏的核心要素之一。
飞行稳定性包括飞行器在不同环境和风力条件下的稳定性能力，例如对风的适应能力和平稳悬停能力。
控制性能则涉及到飞行器的操控能力和敏捷性，对于需要进行精确控制和灵活飞行的应用场景尤为重要。
本文将通过综合评价标准的引入，对四轴飞行器进行全面且客观的评价。
综合评价标准将考虑以上所述的轴距、负载能力、飞行稳定性和控制性能等多个因素，从而为读者提供一个量化的、综合考虑飞行器性能的方法。
最后，本文将根据以上评价标准，推荐适用于不同场景的四轴飞行器的选择。
这将帮助读者更加准确地了解不同飞行器的特点和适用范围，从而满足不同需求的飞行任务。
通过本文的编写，我们希望能够为读者提供一个全面和系统的四轴飞行器评价标准，帮助他们在选择和购买飞行器时做出明智的决策，并找到最适合自己需求的飞行器。
同时，我们也希望通过本文的总结和推荐，为四轴飞行器的发展和应用提供一些参考和借鉴。
1.2 文章结构本文将按照以下结构进行展开讨论四轴飞行器的评价标准：1. 引言：介绍本文的背景和目的，概述四轴飞行器的基本概念和应用背景。
2. 正文：主要分为两个部分，分别是轴距和负载能力以及飞行稳定性和控制性能。
STM32的四轴飞行器
题目：基于STM32F4的四轴航拍飞行器关键词：四旋翼飞行器，STM32F4，捷联式惯导，飞行控制系统，四元数，云台摘要本设计是基于STM32F4的四轴航拍平台。
以STM32F407为控制核心，四轴飞行器为载体，辅以云台的航拍系统。
硬件上由飞控电路，电源管理，通信模块，动力系统，机架，云台伺服系统组成。
算法上采用简洁稳定的四元数加互补滤波作为姿态解算算法，PID作为控制器，实现飞行，云台增稳等功能。
具有灵活轻盈，延展性，适应性强好等特点。
1.引言四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器。
进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。
四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。
四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。
在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。
在实际应用方面，四轴飞行器可以在复杂、危险的环境下可以完成特定的飞行任务，也可以用于监控交通，环境等。
比如，在四轴飞行器上安装甲烷等有害气体的检测装置，则可以在高空定点地检测有害气体；进入辐射区检查核设施；做军事侦察；甚至搬运材料，搭建房屋等等。
本设计利用四轴搭载云台实现航拍任务，当然经过改装也可以执行其他任务。
本设计主要研究了四轴飞行器的姿态结算和飞行控制，并设计制作了一架四轴飞行器，对关键传感器做了标定，并利用用matlab分析数据，设计算法，还进行了单通道平衡试验调试，进行试飞实验取得了一定的效果。
2.系统方案本设计采用STM32F4作为核心处理器，该处理器内核架构ARM Cortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特点。
主控板包括传感器MPU6050电路模块、无线蓝牙模块、电机启动模块，电源管理模块等；遥控使用商品遥控及接收机。
【创客】手把手教你DIY四轴无人飞行器（建议收藏！）
【创客】⼿把⼿教你DIY四轴⽆⼈飞⾏器（建议收藏！）很多DIY爱好者想做⼀个⾃⼰的⽆⼈机，但很多⼈都被制作过程中的各种问题难住。
不去研究复杂的算法和硬件，也能做出⾃⼰满意的⽆⼈飞⾏器？那么你就来对地⽅了！现在，我们从零开始⼿把⼿教你DIY四轴⽆⼈飞⾏器！DIY制作的四轴飞⾏器配置清单：1.四轴机架（轴距450mm）2.中⼼沉⾦PCB板3.好盈天⾏者30A⽆刷电调4.朗宇2212⽆刷电机（980KV）5.3200mah锂电池（30C）6.APM2.8开源飞控7.M8N GPS8.BB响（低压报警器）9.减震架10.MR 1045(1047)正反螺旋桨11.电流计12.⾹蕉头，T插，⾼温硅胶线材等若⼲⼩零件⾸先普及⼀下基础知识⼩葵花课堂1.⽆刷电机（图为有刷电机）我们⼩时候玩的四驱车⾥⾯的马达⼀般都是直流有刷电机，有刷电机⼯作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流⽅向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的，简单来说，就是通过电刷改变线圈的电磁场⽅向，因此有刷电机是可以直接使⽤直流电驱动。
顾名思义，⽆刷电机是没有电刷的，它只能通过⽅向交替的电流来改变电磁场，因此⽆刷电机需要电调（电⼦调速器）将直流电转化为交流电才能正常⼯作。
（图为⽆刷电机）航模通常使⽤⽆刷电机，⽆刷电机相对来说可以容易达到很⾼的速度，响应速度也会更快。
⽆刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产⽣的电⽕花，这样就极⼤减少了电⽕花对遥控⽆线电设备的⼲扰。
这次我使⽤的是朗宇的电机（建议不要使⽤新西达的电机和电调，质量太烂）。
选⽤的980KV的电机配MR 1045或1047的螺旋桨（MR指四轴专⽤桨）。
其中，KV值是挑选⽆刷电机的⼀个重要指标。
⽆刷电机KV值定义为转速/V，意思为输⼊电压增加1伏特，⽆刷电机空转转速增加的转速值。
从这个定义来看，我们能知道，⽆刷电机电压的输⼊与电机空转转速是遵循严格的线性⽐例关系的。
四轴飞行器飞行参数介绍
四轴飞行器飞行参数Predator四轴航拍飞行器：飞行器电池7000mAh 锂电池重量（含电池和桨）1150g悬停精度（可安全飞行状态）垂直：0.8m；水平：2.5m最大旋转角速度300°/s最大可倾斜角度45°最大上升/下降速度上升：6m/s；下降：2m/s最大飞行速度20m/s（不推荐）轴距400mm云台(可选) 最大工作电流静态：750mA；动态：900mA角度控制精度±0.03°可控转动范围俯仰：-90°-0°最大控制转速俯仰：90°/s相机(可选) 工作环境温度0℃-40℃有效像素1200 万最大分辨率4032×3024高清录像1080p30 和720p遥控器工作频率 2.4GHz最大通讯距离（开阔室外）CE：400m；FCC：800m接收灵敏度（1%PER） -93dBm等效全向辐射功率（EIRP） CE：25mw；FCC：100mw工作电流/电压87mA@12V电池AA电池4只APP 移动设备系统版本要求Android 系统版本4.0 及以上支持的移动设备三星Galaxy S3、S4、Note 2、Note 3 或相近配置的手机功能遥控飞行获取飞行器的飞行数据及其状态瑞伯达致力于成为全球无人机飞行器领导品牌，是智能化无人机飞行器及控制系统的研制开发的专业厂商，生产并提供各行业无人机应用的解决方案。
产品线涵盖各种尺寸多旋翼飞行器、专业航拍飞行器、无人机飞行控制系统、无人机地面站控制系统、高清远距离数字图像传输系统、专业级无线遥控器、高精飞行器控制模块及各类飞行器配件。
四轴飞行器改装方案
四轴飞行器改装方案引言四轴飞行器是一种近年来发展迅速的无人机类型，由于其灵活性和多功能性，它在各种领域得到了广泛应用。
然而，在特定应用场景下，针对个性化需求进行改装是必要的。
本文将介绍四轴飞行器改装方案，重点探讨了电池、动力系统、载荷以及飞行控制系统的改装。
1. 电池改装一般四轴飞行器使用锂聚合物电池供电，但在一些长时间飞行的任务中，电池续航能力可能成为限制因素。
为了解决这个问题，可以采用以下两种改装方案：1.1 增加电池容量通过增加电池组的数量或采用更高容量的电池，可以有效提升飞行时间。
这需要对四轴飞行器的结构进行调整，以适应更大的电池尺寸和重量。
1.2 采用可充电电池传统的锂聚合物电池具有一定的充放电次数限制。
改装为可充电电池，如锂铁电池或燃料电池，可以延长四轴飞行器的使用寿命，并提高能量密度。
2. 动力系统改装四轴飞行器的动力系统包括电机、螺旋桨和电调。
在进行长时间飞行或携带重载的任务时，可以采取以下改装方案：2.1 增加电机功率通过更换功率更大的电机，可以提高四轴飞行器的承载能力和飞行速度。
2.2 优化螺旋桨改装更高效的螺旋桨，可以提升飞行器的升力产生和动力传输效率。
选择具有更优空气动力学设计的螺旋桨，能够降低能量损耗，延长电池续航时间。
2.3 配备智能电调智能电调可以提供精确的电机控制和电源管理功能，可实现更稳定的飞行和更高的能源利用效率。
改装智能电调可以提升整体飞行器的性能和稳定性。
3. 载荷改装四轴飞行器改装的一个重要方面是适应特定的载荷需求。
以下是几种常见的载荷改装方案：3.1 摄像机和图像传输设备在无人机领域广泛应用的载荷改装方案之一是安装摄像机和图像传输设备。
这样可以实现视觉监控、影像记录和实时图像传输等功能。
3.2 载重舱通过添加载重舱，四轴飞行器可以携带各种不同的载荷，如传感器、样品收集器等。
这种改装方案可用于农业、环境监测等领域。
3.3 传感器根据具体的应用需求，可以添加各种传感器，如温度传感器、气体传感器、湿度传感器等。
详细的F450四轴装机实例
机架轴距是450m的4个机臂（2个黑色、2个红色）、1个带PCB上中心板，螺丝24个M2.5*6、16个M3*82、机架附加脚架脚架高度是14cm的4个（对新手来说，脚架是个易损品，建议买多3、无刷电机我们选择的无刷电机是朗宇V系列V2216 KV900。
用这个型号的电机不表示是最优的选择，你可以根据《电机朗宇V系列V2216 KV900 4个零配件主轴4个、主轴螺丝12个，垫片4个，子弹头4个，螺母4个4、螺旋桨螺旋桨1055 正反桨2对，共4只（建议买多2对4只）桨垫5mm 4个总价格20元OPTO-PRO电调，铂金30A电调持续电流是30A，并为多轴飞行器优化过油门响应。
电调好盈铂金系列Platinum-30A-OPTO-PRO电调，共4只6、飞控供电模块飞控供电模块APM 2.8 使用的带电压电流计的供电模块，电源输入输出用T型插口总价格50元实称总重量23g7、电池8、飞控飞控APM 2.8 弯针，带外壳两块玻纤支架，4个减震球，2个海绵双面胶用于固定APM在支架上。
减震球安装时候较容易损9、GPS（可选）GPS兼容APM 2.8的带支架的NEO-7M，内置电子罗盘支架带折叠功能，减少携带时候GPS的高度。
GPS支架小零件较多，要确认零件是否齐全。
支10、遥控器遥控器乐迪AT9 美国手附件回传模块、遥控器电池、8条杜邦线11、充电器零配件1、香蕉公头香蕉公头12个香蕉母头12个直径约5mm热缩管1-2米元。
螺丝胶中强度厌氧性的螺丝锁固定胶总价格10ml的约8元电烙铁40W以上带防静电，约30元（3）电子称（可选）（4）桨平衡器（可选）（5）其它2）在电源线头部用美工刀环切5mm长度的外皮，剥开外皮露出裸线，用手把露出的裸线拧紧。
3）在裸线上绕一小段焊锡丝，用电烙铁加热焊锡丝，让整个裸线头被焊锡包住。
用焊锡处理过的裸线头能避免受力时候而让电线内铜丝散开。
（2）处理电源输出线2）这时候看下母头浅的那头（焊接电源线的那端，一般这端会有个小孔），估计有2mm的深度。
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小型四轴飞行器硬件的选择
作者：陈曦
来源：《商情》2017年第25期
（青岛工学院）
【摘要】目前四轴飞行器等多轴飞行器已经在很多行业得到广泛的应用，比如航拍、监控、喷洒农药等。
四轴飞行器具有成本低、体积小、重量轻、结构简单、没有机械结构、稳定性好等特点。
本文主要对各个重要模块上硬件的使用做出对比选择。
【关键词】stm32 四轴飞行器硬件设计
1相关概念
1.1 四轴飞行器的飞行原理
旋翼飞行器的一个旋翼转动，会对机身产生一个反扭矩，如若飞行器只有一个旋翼，旋翼在转动的同时，机身也会朝旋翼的反方向旋转，这就是反扭矩作用的结果。
四轴飞行器的四个旋翼中，两两旋转方向相反，电机之间的反扭矩平衡抵消，机身不会产生自旋。
四轴飞行器可以分别沿机体的xyz方向进行各种运动。
垂直运动——当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，四旋翼飞行器则垂直下降。
当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
俯仰运动——对向电机转速相同，另两个电机一个升高转速一个降低转速。
由于一个旋翼的升力上升，一个旋翼的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
滚转运动——与俯仰运动原理相同。
机身可绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
偏航运动——四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。
旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，它的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。
前后运动——要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。
按俯仰运动的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。
向后飞行与向前飞行正好相反。
侧向运动——由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
1.2四轴飞行器的优点
优点：
（1）拥有简单的机械结构，没有传统直升机复杂的旋翼控制机构。
（2）飞行控制系统通过传感器采集飞行姿态数据，实时监测和控制飞行姿态，可以实现飞行器平稳飞行。
相比传统的单旋翼直升飞机，四轴飞行器的飞行更为稳定。
（3）由于机械结构简单，容易将体积做得很小，可以实现自主飞行器的小型微型化。
（4）四轴飞行器有四个电机，机身结构简单轻巧，所以具有更大的载重力。
2 硬件的选择
2.1 电机。
四轴飞行器目前采用的电机主流是中大型多轴飞行器均采用无刷电机作为动力电机。
无刷电机需要通过相对应的电子调速器电路对其进行驱动和控制，控制起来较为复杂，成本也较高。
空心杯电机具有体积小、质量小、转速高、节能、驱动简便、控制简单、精度高等优点，非常适合用于卫星小型的四轴飞行器。
但其动力较弱，负载能力也较弱。
小型四轴飞行器可采用空心杯电机。
2.2 控制电路板。
MCU控制器是四轴飞行器的大脑，选择一个适合于四轴飞行器非常重要。
目前有很多适合于多轴飞行器控制的小型MCU。
如意法半导体公司的stm32，美国TI公司的MSP430，atmel公司的AVR328，AVR2560等。
考虑到机体的重量和空心杯电机的拉力，为实现四轴飞行器小型化通用化的思路，可以选择有兼容性的arduino标准的arduino控制核心为AVR maga最小系统板。
如arduino nano小型系统板、microdunio型小系统板以及基于stm32的Maple mini型小系统板体积小巧的MCU模块。
基于比较，选择了主频较高的stm32 maple mini系统板来作为主控板，它的性能比较高。
Stm32 maple mini是leaflabs组织开发的、基于arduino软硬件标准的、采用32位stm32单片机控制核心的开源硬件平台，就是一个兼容arduino的小系统板。
Stm32比avr mega系列8位单片机拥有更好的精度和更快的速度，硬件性能更强，接口资源也更为丰富。
Stm32 mini系统板引脚设计及结构符合arduino标准。
Stm32 maple mini系统板结合了stm32嵌入式单片机的强大性能以及arduino易用、普及、开放的软硬件架构，可以实现快速、灵活兼顾强大性能的工程开发[2]。
2.3 陀螺仪和加速度计。
MPU-6050是结合了陀螺仪与加速度计，集成一体的姿态测量芯片。
它内部集成了3轴加速度计、3轴陀螺仪。
MPU-6050的陀螺仪与加速度计均具备16位精度的ADC模数转换器。
一块MPU-6050比两块独立的加速度计和陀螺仪总量和体积上更加轻
巧。
小型化的四轴飞行器，在机体重量上必须要通盘考虑。
所以，基于小型四轴飞行器的思路，所以选用MPU-6050集成姿态测量模块作为飞行器的姿态检测传感器。
2.3 无线通信模块。
nRF2401无线通信控制模块。
基本特点有2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，适合工业控制场合，125 频道，满足多点网络通信需要，内置硬件8/16位CRC校验和点对多点通信地址控制，结合TDMA-CDMA-FDMA原理，可实现无线网络通讯，低功耗1.9 -
3.6V 工作，待机模式下状态仅为1uA ，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程较为方便，收发完成中断标志，每次最多可发28字节，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果，标准DIP间距接口（5*2），便于嵌入式应用，CLK、DATA、DR三线接口，软件编写较为简单，双通道数据接收，标配外置柱状天线，开阔地无干扰条件通信距离可达100米。
该无线通信模块通过ShockBurstTM 收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，成本较低，并且使用和携带较为方便。
参考文献：
[1]刘峰，吕强，王国胜，等.四轴飞行器姿态控制系统设计[J].计算机测量与控制，2011，19（3）：583-585.
[2]唐懋.基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计[D].厦门大学，2014.
作者简介：陈曦，男，1995年12月出生，籍贯山东济南，大学本科，青岛工学院，2013级通信工程专业。