小型四旋翼飛行器的研究與制作

楊建　扎西加　周歡歡　楊倩

摘 要： 小型四旋翼無人機廣泛應用在教育、現(xiàn)場巡視、救災、物流、航拍和軍隊等領(lǐng)域，其應用前景十分廣闊。為了實現(xiàn)小型四旋翼無人機的制作，首先根據(jù)四旋翼控制系統(tǒng)的基本原理及理論框架，利用開源硬件構(gòu)建小型四旋翼無人機，最終實現(xiàn)了通過遙控進行航拍和測繪等任務。

關(guān)鍵詞： 四旋翼飛行器； 自動控制； 無人機； 四旋翼飛行器原理

中圖分類號：V279+.2 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）01-09-04

Research and production of small quadcopter

Yang Jian1， Za Xijia1， Zhou Huanhuan2， Yang Qian2

（1. Tibetan information technology engineering research center， Lhasa， Tibet 850000， China； 2. College of Engineering， Tibet University）

Abstract： Small Quadcopter is widely used in education， on-site visits， relief， logistics， aerial photography， military and other fields， and it has very broad application prospects. According to the basic principles and theoretical framework of Quadcopter control system， a small Quadcopter is built by using the open-source hardware in this paper. Through the remote control， the small Quadcopter has completed the tasks such as aerial photography， surveying and mapping and so on.

Key words： quadcopter； automatic control； UAV； quadcopter principle

0 引言

四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機，是一種有四個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器[1]。相對于載人飛機，四旋翼飛行器成本低、體形小、對飛行環(huán)境要求低，空中生存能力強，還能夠節(jié)省大量的人力和物力資源，使用起來更加安全方便。這些優(yōu)勢使無人機在商業(yè)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域都備受青睞。四旋翼飛行器的發(fā)展更加小型化、多樣化，使得四旋翼飛行器的應用范圍也越來越廣泛，比如救災，航拍，甚至是物流等，其靈活性和經(jīng)濟性是及其高的。

1 四旋翼原理

1.1 四旋翼控制系統(tǒng)原理

如圖1所示，四旋翼由十字型的機架組成，中間的藍色方塊部分是飛行控制器，飛行控制器的內(nèi)部有陀螺儀、加速度傳感器和慣性測量儀等傳感器。飛行控制器根據(jù)傳感器的測量數(shù)據(jù)進行計算，然后輸出相應控制信號至四個電調(diào)以控制對應1、2、3和4號無刷電機的轉(zhuǎn)速。每一支機架上安裝有一對旋轉(zhuǎn)方向相同（順時針或逆時針）的一對無刷電機（圖1中相同顏色的為一對）由響應速度極快的飛行控制器輸出信號至電調(diào)控制，不同的轉(zhuǎn)速對應不同的升力和扭力，兩對無刷電機通過飛行控制器的協(xié)調(diào)控制，從而使四旋翼能夠以黃色箭頭為正方向進行保持懸停、上升下降、前后左右移動和原地轉(zhuǎn)變方向等基本動作，這就是四旋翼的基本原理[2]。

1.2 四旋翼姿態(tài)分析

四旋翼能夠進行保持懸停、上升下降、前后左右移動和原地轉(zhuǎn)變方向等基本動作，是因為在飛行控制器中為四旋翼定義了一個方向（如黃色箭頭所示）為正方向，并以此作為參考系?？梢酝瓿纱怪逼鸾?、俯仰、偏航等動作。垂直起降，是四旋翼最基本的功能，即當四個電機轉(zhuǎn)速一致并逐漸提升轉(zhuǎn)速即可進行垂直起降；其次是俯仰，即1、2號電機保持轉(zhuǎn)速，3、4號電機提升轉(zhuǎn)速即可進行前俯仰，后、左和右俯仰動作控制模式與上類似；最后是偏航（轉(zhuǎn)向動作），當四個電機轉(zhuǎn)速相同時，扭矩相互抵消，不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)[4]。但是由于對角線兩對電機轉(zhuǎn)速不相同時，由于扭矩數(shù)值不相等，螺旋槳產(chǎn)生的扭矩不能被完全抵消，飛行器會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作，這就是偏航（轉(zhuǎn)向動作）。

1.3 無線遙控器及接收機

遙控器采用型號為WTF07 2.4GHz的無線遙控器（如圖2所示），其超大圖形點陣液晶顯示屏LCD，方便了參數(shù)的觀察以及及時的調(diào)整；此外，WTF07 2.4GHz的無線遙控器采用3組可編程混控、總線數(shù)據(jù)傳輸和高端擴頻+跳頻技術(shù)，不僅滿足了復雜動作和操控敏捷度的需要還滿足了多臺同時開機工作而互不影響的需要[5]。

接收機（如圖3所示）采用型號為WFR07S7通道2.4GHz WFLY PCMS接收機使用原生2.4G技術(shù)，可兼容PCMS 4096，PCMS 1024和PPM模式（自適應），且有失控保護功能[3]。

2 四旋翼結(jié)構(gòu)與硬件分析

一個簡易的四旋翼由七大部分構(gòu)成，如圖4所示。

⑴ 飛行控制器，其相當于是整架四旋翼的大腦，內(nèi)置的多種傳感器時刻了解當前四旋翼的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)進行計算然后對四旋翼進行動態(tài)控制。

⑵ PCB板，即印刷電路板，以下的大部分部件都要焊接在上面，以減少布線難度和減輕整體質(zhì)量。

⑶ 機架，機架包括四支力臂和中間的承力板，飛行控制器和電池等部件都要放置在中間的承力板上。

⑷ 無刷電機，即無刷直流電機，其由電動機永磁體作為主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。

⑸ 電調(diào)，用于輸出控制無刷電機的信號。

⑹ 槳葉。

⑺ 航模鋰離子電池。

3 四旋翼相關(guān)硬件選擇

四旋翼最重要的就是進行姿態(tài)控制，所以姿態(tài)控制儀（飛行控制器）是極其重要的，所以我們選擇DJI出品的Naza-M Lite，相較其他產(chǎn)品，其具有All In One設(shè)計、先進的姿態(tài)穩(wěn)定算法、多種飛行控制模式/智能切換、GPS模塊擴展/精準定位懸停、智能方向控制、失控保護模式、低電壓保護、掰桿啟動及掰桿停止模式、支持普通接收機和PPM接收機及D-BUS支持、支持的多旋翼類型、云臺增穩(wěn)、遠程調(diào)參等特性。四旋翼中的電調(diào)我們同樣選擇DJI E300系列搭配15A 960KV的無刷電機和直徑為9寸，螺距為43的槳葉，相較于其他的搭配，此組合具有質(zhì)量和協(xié)調(diào)性好、響應迅速、穩(wěn)定和油門一致性高等無可比擬的優(yōu)點，同時兼具更好的控制性和經(jīng)濟性。根據(jù)以上所選擇的電機及螺旋槳，選用容量為4000mAh、電壓為11.1v（3s），放電倍率為30C的鋰離子電池，這樣在大電流放電的情況下能夠獲得較好的續(xù)航時間。

4 四旋翼機組裝與調(diào)試

4.1 四旋翼機的組裝

將電機電源線及鋰電池電源線焊接在PCB板的金屬點位上并打上溶膠以絕緣，將飛行控制器用3M膠粘在PCB底板的中央位置，這樣能夠使傳感器獲得準確的整個四旋翼的姿態(tài)數(shù)據(jù)。將電調(diào)及接收機的控制線連接到飛行控制器的對應接口。隨后利用M2.5號內(nèi)六角螺絲固定四支旋臂，覆蓋PCB上板。連接電池，機身組裝完畢，如圖5所示。

4.2 NAZA飛行控制器的調(diào)試

由于選用的是DJI NAZA-M LITE系列飛行控制器，所以使用 Micro-USB 連接線連接飛行控制器系統(tǒng)和電腦利用調(diào)參軟件進行參數(shù)的校準。其界面如圖6所示，主要包括①查看：包括飛行器類型、遙控器類型、安裝位置、感度、通道監(jiān)測、馬達、失控保護模式、智能loc設(shè)置、云臺設(shè)置、電壓等相關(guān)信息的顯示。②基礎(chǔ)：在此頁面進行飛行器類型、遙控器類型、安裝位置、感度、通道監(jiān)測的設(shè)置。③高級：在此頁面進行馬達、失控保護模式、智能IOC設(shè)置、云臺設(shè)置、電壓的設(shè)置。④工具：在此頁面進行IMU（慣性測量單元）校準。當四旋翼的某部分出現(xiàn)問題時，便在相應的選項頁中進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整。

5 結(jié)論及展望

本文研究簡易四旋翼的構(gòu)建和組裝，是因為四旋翼飛行器在社會各行各業(yè)廣泛的應用中，其易操控性和經(jīng)濟性得到了體現(xiàn)，它是一種潛力巨大的機器人。其最常使用的場景便是替代傳統(tǒng)的直升機進行航拍，用最小代價獲得最大收益。同時，利用多機器協(xié)調(diào)攝影工作，并進行圖像匹配也是未來研究的一大熱點。

未來可在城市上空飛行多架無人機，它們可以互相協(xié)調(diào)，實時構(gòu)建城市的三維模型和對地區(qū)進行實時掃描和監(jiān)控，并對突發(fā)事件提供全視角信息，方便相關(guān)人員進行合理的支援部署。我們也可以利用無人機進行農(nóng)業(yè)項目的實驗，比如通過無人機監(jiān)控農(nóng)場的植物生長情況，并將數(shù)據(jù)傳回后臺進行分類識別分析。

無人機作為智能設(shè)備的一個延伸分支，開始慢慢走向市場，未來將有越來越多的無人機部署到各行各業(yè)中并扮演者重要的角色，其擁有無限可能。

參考文獻（References）：

[1] 劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].上

海交通大學，2009.

[2] 龐慶霈，李家文，黃文浩.四旋翼飛行器設(shè)計與平穩(wěn)控制仿真

研究[J].電光與控制，2012.3：51-55

[3] 陳海濱，殳國華.四旋翼飛行器的設(shè)計[J].實驗室研究與探索，

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[4] 聶博文，馬宏緒，王劍，王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)

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[5] 趙常均，宮勛，白越，續(xù)志軍，徐東甫，高慶嘉.四旋翼飛行器中

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