（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軸旋转，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。