基于Multiwii的開源四軸飛行器

費(fèi)科程　吳佳偉　邱曉榮

摘要：基于Multiwii的開源四軸飛行器是目前主流的開源四軸項(xiàng)目之一。該文介紹了四軸飛行器的概念和特性，對(duì)Multiwii四軸飛行器的硬件組成、安裝調(diào)試以及關(guān)鍵技術(shù)做了一定的探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該飛行器能較好地執(zhí)行飛行任務(wù)。

關(guān)鍵詞：Multiwii；四軸飛行器；開源

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）28-6758-03

目前世界開源網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了一批較為優(yōu)秀的開源飛行器航模產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者通過(guò)分工協(xié)作從硬件模塊和軟件算法上對(duì)四軸飛行器進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，并通過(guò)Google Code等方式進(jìn)行共享，極大地促進(jìn)了四軸飛行器研究發(fā)展，具體的開源項(xiàng)目有：KK四軸、Mikrokopter四軸、ArduCopter四軸和Multiwii四軸。

Multiwii也稱MWC，一般用于多旋翼航模的飛行控制器，它最初由法國(guó)航模愛(ài)好者Alex創(chuàng)立，后經(jīng)不斷地改造擴(kuò)展，現(xiàn)在Multiwii不僅僅支持三軸、四軸、六軸等系列的多旋翼飛行器，還支持固定翼和直升機(jī)等航模。

1 四軸飛行器的硬件組成

1.1 結(jié)構(gòu)框架

四軸飛行器的結(jié)構(gòu)框架有2種：十字模式（如圖1所示）和X模式（如圖2所示）。

十字模式的前進(jìn)方向與四軸中的一個(gè)電機(jī)一致，也就是飛行控制模塊上的箭頭指向其中一個(gè)電機(jī)；而在X模式下，飛行控制模塊上箭頭指向的是前端兩個(gè)電機(jī)的中間位置。因?yàn)槭帜Ｊ侥苊鞔_四軸前后左右的作用，因此比較適合新手，飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較容易。而X模式更靈活，適合特技飛行，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相對(duì)較難。

1.2 硬件組成

十字模式和X模式僅限于飛行姿態(tài)的不同，兩者的硬件組成是完全相同的，主要模塊有：

1） 飛行控制模塊

該模塊被固定在飛行器的幾何中心，用于控制整個(gè)飛行器的飛行姿態(tài)，其中包括主控制器模塊、姿態(tài)采集模塊、遙控接收模塊等。

Multiwii飛控模塊硬件分為Arduino mega（ATmega2560）和Arduino 328P（ATmega328P）兩種版本。兩個(gè)版本各有優(yōu)缺點(diǎn)，均支持多種外設(shè)，但接口稍有不同。Arduino mega版本只能用串口接GPS和聲吶，由于兩個(gè)外設(shè)占用了串口，無(wú)法實(shí)時(shí)用藍(lán)牙或FTDI查看飛行狀態(tài)信息。Arduino 328P版本雖然容量小，但可以采用雙328P的模式，另一塊ATmega328P用于制作I2C-GPS/Sonar導(dǎo)航板，這樣就可以用I2C來(lái)讀取GPS和聲吶的數(shù)據(jù)，不必占據(jù)串口，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看飛行狀態(tài)信息。

因此，目前主流的MultiWii飛行控制模塊（如圖3所示）一般由Arduino Pro Mini、GY-86模塊和PCB底板組成。Arduino Pro Mini板上有ATmega328P微處理器和一些接口電路。GY-86是傳感器板，上面集成了MPU6050（整合了3軸陀螺儀和3軸加速器）、HMC5883L（3軸數(shù)字羅盤）、MS5611（氣壓傳感器）等集成電路模塊，能夠確保飛行器的平穩(wěn)飛行。

2） 四個(gè)旋翼模塊

該模塊被固定安裝在飛行器機(jī)身的四軸末端，其中包括螺旋槳（如圖4所示）、電子調(diào)速器（如圖5所示）、無(wú)刷電機(jī)（如圖6所示）等。

螺旋槳要注意的是四軸飛行器為了抵消螺旋槳的自旋，相鄰槳的旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正反槳，正反槳的風(fēng)都向下吹，用以提供飛行器飛行時(shí)的升力。安裝的時(shí)候，無(wú)論正反槳，有字的一面必須朝上。正槳在槳片上以“L”字母標(biāo)注，以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)氣流；反槳在槳片上以“R”字母標(biāo)注，以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)氣流。螺旋槳的型號(hào)一般是1045、7040這些4位數(shù)字，前面2位代表槳的直徑，后面2位是槳的角度。

電子調(diào)速器，簡(jiǎn)稱電調(diào)。它的作用是充當(dāng)電壓變化器的作用，將電源電壓（一般是11.1V）轉(zhuǎn)換為5V電壓為飛行控制模塊和遙控器接收機(jī)模塊供電，同時(shí)它也能把飛行控制模塊輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮?，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡姍C(jī)的瞬時(shí)電流很大，通常平均有3A左右的工作電流，如果沒(méi)有電調(diào)的存在，飛行控制模塊根本無(wú)法承受這樣大的電流。特別注意的是，電調(diào)初次使用時(shí)要進(jìn)行油門校準(zhǔn)。

四軸飛行器的電機(jī)一般采用外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，它的用途類似于馬達(dá)，用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷電機(jī)中間是定子，外圈是轉(zhuǎn)子，通過(guò)控制無(wú)刷電機(jī)三根線的時(shí)序可以使電機(jī)達(dá)到不同的旋轉(zhuǎn)方向。由于無(wú)刷電機(jī)不存在電刷磨損，因此使用壽命長(zhǎng)，功率大，性能優(yōu)越。電機(jī)的型號(hào)一般是2212、2018這些4位數(shù)字，前面2位代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑，后面2位是電機(jī)轉(zhuǎn)子的高度。一般來(lái)說(shuō)，前面2位越大，電機(jī)越肥，后面2位越大，電機(jī)越高，又高又大的電機(jī)，功率就更大，適合做大四軸。

3） 機(jī)身模塊

機(jī)身模塊由四個(gè)機(jī)臂和上下中心板構(gòu)成（如圖7所示），主要用于連接四個(gè)旋翼模塊和固定飛行控制模塊。目前，市場(chǎng)上主流的產(chǎn)品基本都是大疆F450機(jī)架及其仿制品，機(jī)臂的主要材質(zhì)是尼龍加纖維，上下中心板的主要材質(zhì)是沉金PCB板。

4） 遙控器模塊

遙控器模塊主要由遙控器和接收機(jī)兩部分組成（如圖8所示），一般都使用2.4GHz的頻率。遙控器操作主要包括油門（升降）、俯仰（前后）、橫滾（左右）、偏航（自轉(zhuǎn)）等控制，實(shí)現(xiàn)飛行器6個(gè)自由度的飛行。目前市場(chǎng)上主流的遙控器有“美國(guó)手”和“日本手”兩種手柄布局（如圖9所示），兩者的區(qū)別在于控制油門的手柄在左側(cè)還是右側(cè)。

5） 電池及充放電設(shè)備

目前飛行器一般使用聚合物鋰電作為動(dòng)力電池。為了解決聚合物鋰電使用后各片電池電壓不平衡的問(wèn)題，常用平衡充放電設(shè)備，此類設(shè)備能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)聚合物鋰電中各片電池的電壓情況，提供放電保護(hù)功能，并能起到平衡各片電池電壓的功能。

2 四軸飛行器的安裝調(diào)試

2.1 安裝注意事項(xiàng)

1） 機(jī)架組裝

機(jī)架組裝就是把飛行控制模塊、四個(gè)旋翼模塊、機(jī)身模塊、遙控器接收機(jī)模塊、聚合物鋰電池等組裝成一套完整的四軸飛行器（如圖10所示）。必須注意的是，為使整個(gè)四軸多旋翼飛行器的重心在飛行過(guò)程中保持中心穩(wěn)定，飛行控制模塊必須固定安裝在飛行器的中心，四個(gè)旋翼模塊的螺旋槳也應(yīng)處于同一水平面高度，這樣飛行控制模塊就可以通過(guò)調(diào)整電子調(diào)速器來(lái)控制無(wú)刷電機(jī)，通過(guò)無(wú)刷電機(jī)控制四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)控制飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

2） 接線連接

接線連接就是用跳線連接電調(diào)、飛行控制模塊和遙控器接收機(jī)模塊。如果飛行器采用的是X模式結(jié)構(gòu)框架，電調(diào)和飛行控制模塊的連接可以參考圖2和圖3。飛行控制模塊和遙控器接收機(jī)模塊的連接必須參考遙控器說(shuō)明書，不同遙控器的接線方法不一定相同。

2.2 調(diào)試注意事項(xiàng)

四軸飛行器在安裝完畢以后，必須經(jīng)過(guò)調(diào)試才能試飛。調(diào)試主要包括遙控器和接收機(jī)對(duì)頻、電調(diào)油門校準(zhǔn)、MultiWii飛行控制模塊解鎖、陀螺儀校準(zhǔn)和加速器校準(zhǔn)、MultiWii GUI參數(shù)配置（如圖11所示）等步驟。成功完成了調(diào)試之后，就可以試飛了，試飛時(shí)身體一定要和飛行器保持一定距離，因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)的螺旋槳極有可能對(duì)人體造成極大的傷害。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，Multiwii四軸作為眾多開源四軸項(xiàng)目中較為成熟的一個(gè)案例，受到了廣大科研工作者和航模愛(ài)好者的關(guān)注。相對(duì)于其它類型的四軸飛行器，Multiwii四軸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控制、重量輕、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然Multiwii四軸也有一定的不足之處，與APM四軸相比，Multiwii四軸最大的不足之處就是不支持地面站，這有待Multiwii四軸的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

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