四轴飞行器的设计与研究
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电子技术 · Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
四轴飞行器的设计与研 究
文 ／文 豪
四轴 飞行 器 因其具备 可垂 直 起 降、造价 低 、可 重复 利用 、事 故代 价 小诸 多优 点，广 泛的 用 于 军 事侦 察、航 拍、 交通巡 逻 等 多 个领域 ，逐渐走进普通 大众生活 。 基 于对技 术现 状 分析 总结 ，设 计 了四轴 飞行 器整体 技 术方 案， 并 对其在航拍 、定轨迹 飞行 、ｇｐｓ地 理位 置反 馈 等方 面的应 用进 行初 步 研 究 。
（２）数 据输入 。接 收来 自于地 面遥控 器 的控制命 令和 来 自于姿态传 感器的测量数据， 其中姿态 传感 器的测 量数据 包括陀螺仪传 感器 和加速度传感 器数据 ；
（３）姿态融 合。姿态融 合将地面遥 控器 控制命令数据和姿态传感器 的测量值 比较 ，将 二者的差值通过 ＰＩＤ控制器转换成不 同占空 比 ＰＷＭ 脉冲输 出，控制 电机转速；
（４）ＰＩＤ控 制器 。ＰＩＤ控 制 器 的作 用 是
行 器 可 以实 现 电 力 设 备 的 空 中 红 外测 温 等 。
３ 四轴飞行器的应用展望
四 周 飞 行 器 的 应 用 前 景 十 分 广 泛 ， 例 如 在机场可 以可加装蜂 鸣器模仿 老鹰等猛 禽的叫 声来驱散鸟类 ，也可 以增加其称重 能力加装农 药喷洒装 置用 于给高树 喷洒 农药，电力公司可 以使 用 它 来巡 视 高压 电 力 线 路 等 以 便 及 时 发 现 线路故障隐患，众多快 寄公司正在研 究使 用四 周 飞 行 器 等 小 型 无 人 飞 行 器 来 实 现 城 市 中 近 距 离 的 快 寄 业 务 ， 甚 至 于 未 来 的 一 天 四 轴 飞 行 器 有可能作为人类 出行 的工具代 替私家车 以改善 地 面 交 通 拥 堵 的 问题 ，
通 过 ＰＩＤ 控 制 器 和 ＰＷＭ 占空 比控 制 实 现 各 电 机转速的闭环控制，实现不 同的飞行姿态： 同 时 ，鉴于 四轴飞行器 的发散性 ，引入角速度 陀 螺 仪 反 馈 环 辅 助 飞 行 控 制 。
主要执行流程如下 ： （１）系 统初始化 。系统初始化 主要是对
内部各模块时钟 、总线 、控制参数及 内部 资源 等 ：
四轴 飞行器 的设 计涉及 到 多个学 科 的知 识 ，包括 自动控制理论 、计算机技术、无线通 讯 技 术 、 空 气 动 力 学 等 各 个 学 科 ， 但 随 着 四 轴 飞行器市场化的逐步成熟 ，其设计和制作 的技 术难度大大降低 。本文借鉴 已有的研究成果 ， 采用较为成熟 的设计理念和元器件型号，对四 轴 飞行器进行硬件和软件的设计。
难 救 援 四 轴 航 拍 飞 行 器设 计 【Ｊ］．四 川 兵
块、主控模块及相关扩展接 口等部分组成 ，其
工 学报 ，２０１４（６）：１２ ５—１２８．
四轴飞行器 （ＭＡＡＶ）是无人飞行器的一 种 ，应用 四个对称十字交叉分布螺旋桨，调整 螺旋桨转速控制飞行器各种飞行姿态 ，可 以实 现地面控制飞行和 自主飞行两种控制方式 ，随 着传感器和微处理器技术 的发展 ，四轴飞行器 也得到 了快速发展 。四周飞行器的应用领域十 分广泛 ，从军事领域侦察到测绘航拍甚至于表 白求婚无 不见其 身影 ： 自主 飞行模式 的实现解 放了控 制者的劳动 ，大大节省 了人力 。
道 ；姿态传感器需要有加速度传感器和角度传 感器两种 ，为飞行控制系统提供飞行器姿态数
无线通 讯模块
据 ；选用无刷 电机作为飞行器 的驱动 电机 ，需
要设计 电子调速器作为 电机驱动模块 ，而且需
要单独设计 ，另外考虑到开关频率特性 ，电机
驱动模块与 电机一一对应 ，频率一致。 １．２ 系统 软 件 设 计
１．１ 系统 硬 件 设 计
转 速 的控 制 。
飞行控制 系统硬件部分主 要 由电源模块 、 ２四轴飞行器 的应 用研究
结 构设 计 与模 态 分析 ［Ｊ］．制 造 业 自动 化 ， ２０１４．３６（２）：３７—３９． ［３］黄鹏 字 ，曾路 荣 ，杨川 ，等 ．一 种新型 灾
无 线 通 讯 模 块 、 姿 态 传 感 器 模 块 、 电 机 驱 动 模
图 １： 飞行 控 制 系统 原 理 图 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ四轴飞 行器通 过程 序设 定可 以实现 定轨
本次设计采用的微处理器为 ＳＴＭ３２系 列， 迹 飞 行 ，这 就 解 放 了地 面 控 制 人 员 的 劳 动 ， 是
支 持 Ｃ语 言编 写嵌入 式软件 。使用 Ｃ语言编 四轴 飞行 器 具备 了初 步 自 主飞 行 的能 力 ，也 具
写嵌入式软件在 项 目管理、程序 移植 等方面相 备 了 工业 化 应用 的 可 能 性 ， 实现 定轨 迹 的 四轴
【关键词 】四轴飞行器 ＰＩＤ ＳＴＭ３２ 飞行控 制 器
比 其 它语 言 具有 很 大 的优 势 ， 因此 本 次 设计 采 用 Ｃ语 言。编程方式采用直接面向寄存器编程， 提高运行效率。飞行控 制系统的主要功能是接
参考文献
【１】刘 峰 ，吕 强 ，王 国 胜 ．四 轴 飞 行 器 姿 态 控 制 系 统 设 计 … ．江 西 科
１飞行器 的设计
计算姿态 差值将 其转换成 电机 ＰＷＭ 输 出占空
学 ，２０１１，２９（１）：６６—６９．
比，进而输 出电机驱 动模块 ，实现飞行器电机 【２］田 卫 军 ，李 郁 ，何 扣 芳 ．四 轴 旋 翼 飞 行 器
飞 行 器在 实 现 简 单 重 复 性 工作 方 面 具 备 很 大 的 优 势 ， 同 时 成 本 十 分 低 廉 ， 例 如 通 过 设 定 好 巡 逻轨迹的四轴飞行器可 以携带摄像机实现小区
受地面控制器遥控信号和姿态传感器的信号 ， 的 定 时 定 点 巡 逻 ，携 带 有 红 外 热 像 仪 的 四 轴 飞
四轴飞行器的设计与研 究
文 ／文 豪
四轴 飞行 器 因其具备 可垂 直 起 降、造价 低 、可 重复 利用 、事 故代 价 小诸 多优 点，广 泛的 用 于 军 事侦 察、航 拍、 交通巡 逻 等 多 个领域 ，逐渐走进普通 大众生活 。 基 于对技 术现 状 分析 总结 ，设 计 了四轴 飞行 器整体 技 术方 案， 并 对其在航拍 、定轨迹 飞行 、ｇｐｓ地 理位 置反 馈 等方 面的应 用进 行初 步 研 究 。
（２）数 据输入 。接 收来 自于地 面遥控 器 的控制命 令和 来 自于姿态传 感器的测量数据， 其中姿态 传感 器的测 量数据 包括陀螺仪传 感器 和加速度传感 器数据 ；
（３）姿态融 合。姿态融 合将地面遥 控器 控制命令数据和姿态传感器 的测量值 比较 ，将 二者的差值通过 ＰＩＤ控制器转换成不 同占空 比 ＰＷＭ 脉冲输 出，控制 电机转速；
（４）ＰＩＤ控 制器 。ＰＩＤ控 制 器 的作 用 是
行 器 可 以实 现 电 力 设 备 的 空 中 红 外测 温 等 。
３ 四轴飞行器的应用展望
四 周 飞 行 器 的 应 用 前 景 十 分 广 泛 ， 例 如 在机场可 以可加装蜂 鸣器模仿 老鹰等猛 禽的叫 声来驱散鸟类 ，也可 以增加其称重 能力加装农 药喷洒装 置用 于给高树 喷洒 农药，电力公司可 以使 用 它 来巡 视 高压 电 力 线 路 等 以 便 及 时 发 现 线路故障隐患，众多快 寄公司正在研 究使 用四 周 飞 行 器 等 小 型 无 人 飞 行 器 来 实 现 城 市 中 近 距 离 的 快 寄 业 务 ， 甚 至 于 未 来 的 一 天 四 轴 飞 行 器 有可能作为人类 出行 的工具代 替私家车 以改善 地 面 交 通 拥 堵 的 问题 ，
通 过 ＰＩＤ 控 制 器 和 ＰＷＭ 占空 比控 制 实 现 各 电 机转速的闭环控制，实现不 同的飞行姿态： 同 时 ，鉴于 四轴飞行器 的发散性 ，引入角速度 陀 螺 仪 反 馈 环 辅 助 飞 行 控 制 。
主要执行流程如下 ： （１）系 统初始化 。系统初始化 主要是对
内部各模块时钟 、总线 、控制参数及 内部 资源 等 ：
四轴 飞行器 的设 计涉及 到 多个学 科 的知 识 ，包括 自动控制理论 、计算机技术、无线通 讯 技 术 、 空 气 动 力 学 等 各 个 学 科 ， 但 随 着 四 轴 飞行器市场化的逐步成熟 ，其设计和制作 的技 术难度大大降低 。本文借鉴 已有的研究成果 ， 采用较为成熟 的设计理念和元器件型号，对四 轴 飞行器进行硬件和软件的设计。
难 救 援 四 轴 航 拍 飞 行 器设 计 【Ｊ］．四 川 兵
块、主控模块及相关扩展接 口等部分组成 ，其
工 学报 ，２０１４（６）：１２ ５—１２８．
四轴飞行器 （ＭＡＡＶ）是无人飞行器的一 种 ，应用 四个对称十字交叉分布螺旋桨，调整 螺旋桨转速控制飞行器各种飞行姿态 ，可 以实 现地面控制飞行和 自主飞行两种控制方式 ，随 着传感器和微处理器技术 的发展 ，四轴飞行器 也得到 了快速发展 。四周飞行器的应用领域十 分广泛 ，从军事领域侦察到测绘航拍甚至于表 白求婚无 不见其 身影 ： 自主 飞行模式 的实现解 放了控 制者的劳动 ，大大节省 了人力 。
道 ；姿态传感器需要有加速度传感器和角度传 感器两种 ，为飞行控制系统提供飞行器姿态数
无线通 讯模块
据 ；选用无刷 电机作为飞行器 的驱动 电机 ，需
要设计 电子调速器作为 电机驱动模块 ，而且需
要单独设计 ，另外考虑到开关频率特性 ，电机
驱动模块与 电机一一对应 ，频率一致。 １．２ 系统 软 件 设 计
１．１ 系统 硬 件 设 计
转 速 的控 制 。
飞行控制 系统硬件部分主 要 由电源模块 、 ２四轴飞行器 的应 用研究
结 构设 计 与模 态 分析 ［Ｊ］．制 造 业 自动 化 ， ２０１４．３６（２）：３７—３９． ［３］黄鹏 字 ，曾路 荣 ，杨川 ，等 ．一 种新型 灾
无 线 通 讯 模 块 、 姿 态 传 感 器 模 块 、 电 机 驱 动 模
图 １： 飞行 控 制 系统 原 理 图 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ四轴飞 行器通 过程 序设 定可 以实现 定轨
本次设计采用的微处理器为 ＳＴＭ３２系 列， 迹 飞 行 ，这 就 解 放 了地 面 控 制 人 员 的 劳 动 ， 是
支 持 Ｃ语 言编 写嵌入 式软件 。使用 Ｃ语言编 四轴 飞行 器 具备 了初 步 自 主飞 行 的能 力 ，也 具
写嵌入式软件在 项 目管理、程序 移植 等方面相 备 了 工业 化 应用 的 可 能 性 ， 实现 定轨 迹 的 四轴
【关键词 】四轴飞行器 ＰＩＤ ＳＴＭ３２ 飞行控 制 器
比 其 它语 言 具有 很 大 的优 势 ， 因此 本 次 设计 采 用 Ｃ语 言。编程方式采用直接面向寄存器编程， 提高运行效率。飞行控 制系统的主要功能是接
参考文献
【１】刘 峰 ，吕 强 ，王 国 胜 ．四 轴 飞 行 器 姿 态 控 制 系 统 设 计 … ．江 西 科
１飞行器 的设计
计算姿态 差值将 其转换成 电机 ＰＷＭ 输 出占空
学 ，２０１１，２９（１）：６６—６９．
比，进而输 出电机驱 动模块 ，实现飞行器电机 【２］田 卫 军 ，李 郁 ，何 扣 芳 ．四 轴 旋 翼 飞 行 器
飞 行 器在 实 现 简 单 重 复 性 工作 方 面 具 备 很 大 的 优 势 ， 同 时 成 本 十 分 低 廉 ， 例 如 通 过 设 定 好 巡 逻轨迹的四轴飞行器可 以携带摄像机实现小区
受地面控制器遥控信号和姿态传感器的信号 ， 的 定 时 定 点 巡 逻 ，携 带 有 红 外 热 像 仪 的 四 轴 飞