周 超，刘长华（中国民用航空飞行学院民航飞行技术与飞行安全科研基地，四川广汉，618307）



具有超视距巡航的四旋翼无人机研制

周 超，刘长华
（中国民用航空飞行学院民航飞行技术与飞行安全科研基地，四川广汉，618307）

本文以四旋翼作为飞行平台，用arduino mege 2560 单片机，三轴陀螺仪MUP6000，三轴加速度仪MUP6000，高精度数字空气压力传感器MS5611，三轴磁力计，高精度6M-GPS，3DR RADIO与无人机实时通信，实现对无人机姿态的控制和地理坐标的检控。以APM无人机开源程序为基础，修改程序代码，依靠三轴陀螺仪和三轴加速度仪对无人机的姿态进行修正，利用GPS和气压高度计的信号对无人机的航向、位置进行修正，使无人机的飞行姿态更加稳定。实际测试表明：该无人机具有一键返航、一键定高、预先设置航点飞行、地面站实时监控和超视距巡航等功能，能够用于航拍航测等领域。

无人机；四旋翼；APM；超视距；巡航

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。与传统的无线电遥控飞机的区别，无人机能通过其内部设定的程序实现自主飞行。由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等优势，除军事用途外，在航拍航测、农业植保、高压巡线、油田管路检查、交通管理、森林防火巡查、消防、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护等民用领域应用前景极为广阔。国内无人机近几年来发展比较快，特别是消费级无人机正在以极快的速度进入人们的眼球。本文以开源飞控APM为基础，通过修改程序代码，设计制作一款具有预设航线、自动起降、一键返航和超视距飞行的四旋翼无人机，搭载不同的任务载荷，能够广泛用于航拍航测、高压巡线、交通监管等领域，具有一定的实用价值。

1　四旋翼机架及电源

本文选用轴距700MM的中型四轴机架，空机架重量为600g，四根支撑杆采用的是16×14的3K斜纹碳杆，中心板为玻纤板。

四旋翼飞行时需要由旋翼提供升力克服无人机自身的重力进行飞行，所以特别消耗能量，一般采用聚合物锂电池（Lipolymer，又称高分子锂电池）进行供电。相对以前的电池来说，锂聚合物电池具有能量高、小型化、轻量化等特点，是一种化学性质的电池。由于四旋翼的四个电机的功率较大，我们采用的C数较高的电池以保证电池能输出足够的电流确保飞机能正常飞行。要满足这样的条件，电池就会比较大同时也会比较重。本文选用格氏 6S 10000毫安锂电池，它是电是由6块电电芯串联而成的电池，标称电压22.2V，电压很高。

2　飞控

飞控板相当于无人机的大脑，控制无人机的一切运动。本文采用APM飞控板，它是国外的一个开源飞控系统，能够支持固定翼，直升机，3轴，4轴，6轴飞行器。APM飞控板硬件构成：飞控主芯片Atmega1280/2560，PPM解码芯片Atmega168/328，双轴陀螺、单轴陀螺、三轴加速度计等惯性测量单元，GPS模块，三轴磁力计模块HMC5843/5883，空压计BMP085，ADS7844，电源芯片，usb电平转换芯片等。

3　四旋翼动力系统

四旋翼驱动模块包括：螺旋桨，电机，电调。

本文设计的无人机需要执行较远的航程和较大飞行高度，则必须具有一定抗风性。因此在设计阶段考虑较大的动力冗余，最终选用大电机，配大的螺旋桨。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。这样的电机会在实际使用时没有电刷的损耗，电机更加耐用。基于上述原因，本文选用无刷电机。

电机与螺旋桨需要合理搭配才能达到设计的初衷，具体原理阐述如下：螺旋桨越大，升力就越大，但对应需要更大的力量来驱动；螺旋桨转速越高，升力越大；电机的kv越小，转动力量就越大。综上所述，大螺旋桨就需要用低kv电机，小螺旋桨就需要高kv电机，因为需要用转速来弥补升力不足。如果高kv带大桨，力量不够，就很困难，实际还是低俗运转，电机和电调很容易烧掉。如果低kv带小桨，完全没有问题，但升力不够，可能造成无法起飞。基于上述考虑，本文选用kv400的朗宇4110s无刷电机，搭配DJI15寸桨。单轴最大输出为2870g，四轴最大起飞重量11480g，飞机空载（飞行器+电池）重量2500g，在航拍领域，足以挂载微单相机。

电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转速。因为电机电流很大，通常每个电机正常工作时，平均有3a左右的电流，如果没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样大的电流，另外飞控板本身也没有驱动无刷电机的功能。同时电调在四轴当中还充当了电压变化器的作用，将22.2v的电压变为5v为飞控板和遥控器供电。结合电机和螺旋桨方案，本文选用好盈30A电调。

本文设计的四旋翼无人机如图1所示。

图1　四旋翼无人机

4　测试结果

4.1飞行稳定测试

通过从三轴陀螺仪MUP6000采集的数据进行解算，得出无人机的姿态，并利用算法调整无人机姿态使其飞行平稳。但由于每个旋翼桨自身的参数性能有所不同，因此需要通过调整PID来使飞机变得稳定。如图2为IMU采集的无人机X轴的加速度数据。可以看出无人机X轴的速度基本控制在5m/s范围内时，X轴的加速度很稳定。从实际目测看，无人机的姿态非常稳定，基本没有较大的波动，能够稳定飞行。

4.2飞行高度测试

本文采用BMP085气压高度计测量高度，在高度锁定模式（ALT-HOLD）下测试。由于气压高度计易受环境影响，无人机周围的气流和温度对气压高度的影响很大。测试中，无人机高度上下波动较大，波动在±40cm范围内。

实际使用中，如果在执行航点飞行，无人机以一定速度巡航，飞控板可以使用GPS测得的高度进行融合，同时利用惯性导航测得加速度参数进行修正，能够实现高度基本稳定。

4.3自动驾驶飞行

自动航点飞行测试如图3所示，无人机会以预设的飞行速度，飞往我们设置的3D航点（航点信息包括经纬度和高度），整个飞行过程十分流畅，没有出现停滞情况，且高度控制比较精确。从地面站上看到，飞行轨迹基本与预设航线吻合，而且位置显示比较准确，在GPS收星良好的情况下，误差在1-2m的范围内。

可能出现的问题：如果飞行速度过快，转弯时倾角较大。在完成飞行任务时，到达最后一个航点后，无人机会急剧减速，造成较大的倾角，有炸鸡隐患。以上问题，可以通过调慢飞机飞行速度来解决，目前测试中使用的5m/s不会造成较大倾角。

图3　自动航点飞行测试

5　结论

本文以四旋翼机架为飞行平台，采用开源飞控APM，选用格氏 6S 10000毫安锂电池、朗宇4110s无刷电机、搭配DJI15寸桨和好盈30A电调，制作出一款四旋翼无人机。飞行测试结果表明：该无人机能够实现自动返航、定高、预先设置航点飞行、地面

图2无人机X轴加速度

站实时监控和超视距巡航等功能，在航拍航测领域具有一定的应用价值。

［1］ 孙毅.无人机驾驶员航空知识手册.北京：中国民航出版社，2014

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周超（1980.9-），男，汉族，安徽省濉溪县人，博士，副教授，研究方向：无人机、电磁环境效应。

Development of four rotor UAV with over sight Cruise

Zhou Chao，Liu Changhua
（Civil aviation flight technology and flight safety research base of Civil Aviation Flight University Guanghan Sichuan，618307）

This paper on the quad rotor as a flying platform，Arduino mege 2560 microcontroller，three-axis gyroscope MUP6000， triaxial accelerometer MUP6000，high precision digital air pressure sensor ms5611 and three axis magnetometer and high precision 6M-GPS，3DR radio and no real-time human-computer communication，the realization of UAV attitude control and the geographical coordinates of the prosecution.APM UAV open source based，modify the program code，rely on three axis gyro and three axis accelerometer to correct the attitude of UAV，carries on the revision to the UAV heading and position using GPS and barometric altimeter signal，UAV flight attitude is more stable.The actual test results show： the UAV has a key to return，a key set high，set in advance Airlines flight，ground station real-time monitoring and oth cruise function，for aerial photography aerial and other fields.

UAV；four rotor；APM；over the horizon， cruise

民航飞行技术与飞行安全科研基地开放基金项目（F2014KF06，F2015KF02）资助。