四軸飛行器的原理與優(yōu)化設計研究

楊武帥 王俊杰 徐淑婉

摘 要：當今社會，無人飛行器已經(jīng)日益成熟化普及化了。而相比于其他固定翼飛行器，直升機式飛行器，多旋翼飛行器由于其自身可以垂直起降，易于制作易于操控，可完成各種姿態(tài)飛行等特點，已經(jīng)像雨后春筍般涌現(xiàn)出來。而在多旋翼飛行器中我們會發(fā)現(xiàn)，四軸等偶數(shù)倍的多旋翼飛行器幾乎占據(jù)了100%的市場。這也是因為偶數(shù)倍的多旋翼飛行器其易于制作，原理簡單等原因。但在實際應用中，如果對其沒有充分的優(yōu)化，其飛行時的抗干擾能力和適應能力仍然不是非常理想。在此文中。我們將以四軸為代表仔細分析其工作原理，并嘗試對其進行進一步的優(yōu)化設計。

關鍵詞：多軸飛行器；穩(wěn)態(tài)

作為飛機的一種，四軸飛行器因為它的四角有四個對稱的螺旋翼而得此名。四軸飛行器的體積一般都比較小，所以它操作簡便而且靈活度高?？梢赃M行垂直起降，俯仰運動，滾轉(zhuǎn)運動，偏航運動。除此之外高度可拓展性強價格便宜也是四軸飛行器的優(yōu)點。在機身上可以按照攝像頭，武器，等各種所需要的外設。在實際應用中，在軍事方面四軸飛行器可用于代替士兵進行偵查探測、攻擊、警戒等任務。四軸飛行器也將迎來一個更高速發(fā)展的時代。

一、四軸飛行器工作原理

由于多旋翼飛行器均是由電機作為動力源，而電機轉(zhuǎn)動會對設備產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。所以四軸飛行器將其電機放置在機身的四周個頂端，且都在同一高度平面上，四個旋翼其結(jié)構完全相同，中間的空間用來安放飛控芯片和電子設備。在正常情況下四軸飛行器一條軸上的逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，另一條軸的順時針旋轉(zhuǎn)，所以當飛行器飛行時，自轉(zhuǎn)效應將被抵消掉。而改變四個電機的轉(zhuǎn)速就可以實現(xiàn)四軸在各個方向上的運動。四軸飛行器是一種六通道的飛行器，其力的輸入只有4個，卻有6種飛行狀態(tài)，所以它是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。在以下分析中，箭頭的位置代表電機轉(zhuǎn)速的變化。在旋翼上方表示增大轉(zhuǎn)速，在旋翼下方則表示降低轉(zhuǎn)速。其具體的六種飛行姿態(tài)分析如下：

1.1垂直運動

同時增大四個電機的轉(zhuǎn)速，提升升力，當其產(chǎn)生的總的升力大于重力的時候，四軸飛行器即可離地上升；相反，同時減少四個電機的轉(zhuǎn)速，四軸飛行器就會垂直下降。當不受外界的干擾情況時，電機所產(chǎn)生的動力與四軸飛行器的自重相等，其就能保持懸停。

1.2俯仰運動

電機1的速度增加，電機3的速度下降（其變化量相等）。電機2和電機4的轉(zhuǎn)速保持恒定。因為電機1的升力增加，電機3的升力減少，所以升力不平衡則機身會繞y軸自轉(zhuǎn)。當然，也可降低電機1的速度，提高電機3的速度，機身依然繞y軸旋轉(zhuǎn)。從而可實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。

1.3滾轉(zhuǎn)運動

與俯仰運動道理一樣，將電機2與電機4的速度大小朝相反的方向改變，電機1與電機3的速度仍然恒定，四軸即可圍繞x軸自轉(zhuǎn)，就會產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運動。

1.4偏航運動

四個電機在轉(zhuǎn)動的過程中由于受到空氣的阻力作用會形成自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為了解決自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響，可將四個電機中的兩個正向旋轉(zhuǎn)，兩個反向旋轉(zhuǎn)，并且相對方向上的電機旋轉(zhuǎn)方向相同。自轉(zhuǎn)的力的大小與電機轉(zhuǎn)速相關，如果四個電機的轉(zhuǎn)速一樣，那么其產(chǎn)生的自轉(zhuǎn)的里之間就會相互平衡；當四個電機轉(zhuǎn)速有差異時，不平衡的自轉(zhuǎn)力就會引起四軸飛行器發(fā)生轉(zhuǎn)動。增加電機1和電機3的速度，其產(chǎn)生的反扭矩增大，電機2和電機4的轉(zhuǎn)速降低時，其產(chǎn)生的反扭矩變小。機身就會在反扭矩的力下圍繞z軸進行轉(zhuǎn)動，進行偏航運動，旋轉(zhuǎn)的方向與電機1、電機3的旋轉(zhuǎn)方向相反。

1.5前后運動

四軸飛行器要進行水平面中的前后左右的運動時，則飛行器要有水平面上的力。增加電機3的速度，降低電機1速度的速度，但不改變另外兩個電機的速度，則電機1與電機3的合力就會不平衡。參考圖b，飛行器開始會產(chǎn)生傾斜，從而旋翼產(chǎn)生的拉力會分解出水平上的力，以此來實現(xiàn)飛行器向前飛。向后飛行的情況與向前飛行相反。（四軸進行俯仰和翻滾動作的時候會沿x與y軸產(chǎn)生水平方向的運動）。

1.6傾向運動

傾向飛行與前后運動的情形是相同的。所以不再多加解釋。

二、系統(tǒng)總體方案設計

整個系統(tǒng)由PC機、航模遙控器、和四軸飛行器組成。研究人員通過PC機上的地面站軟件規(guī)劃巡航路線，并將巡航路徑數(shù)據(jù)下載到自主巡航控制模塊。飛行器在巡航過程中遇到難以處置問題時，可以切換到遙控模式以免發(fā)生危險。四軸飛行器使用11.1V的鋰電池進行供電，從GPS模塊和氣壓計模塊得到飛行器的具體坐標及飛行高度，通過3DR模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，保證了飛行器穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)顯示在PC機上的地面站監(jiān)控軟件上，這樣便可實現(xiàn)了人機交互的時效性和準確性。四軸飛行器的控制系統(tǒng)由STM32F407主控模塊、GPS模塊、氣壓計模塊、磁力傳感器模塊、控制選擇器和APM飛控構成，主控模塊將從GPS模塊、氣壓計模塊和磁力傳感器模塊獲得無人機當前坐標信息，然后通過控制算法將控制信號傳遞到APM飛控，最終實現(xiàn)飛行器的自主巡航。

2.1自動飛控系統(tǒng)

自主飛控系統(tǒng)功能是在無人操控的狀態(tài)下，控制飛行器在預設的坐標點之間巡航。要完成這個功能就需要多個模塊的互相配合，才能完成給定的任務。系統(tǒng)采用高精度GPS模塊通過串口獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在巡航過程中系統(tǒng)需要不斷調(diào)整飛行姿態(tài)，所以利用氣壓計采集飛行器的飛行高度，用磁力傳感器獲得飛行器的偏航角，這兩個模塊都是采用I2C驅(qū)動程序與主控芯片進行通信。

2.2STM32F407主控模塊

因為控制芯要計算偏航角并進行PID控制，所以對主控芯片的運行速度要求比較高，通過查詢資料最終選擇STM32F407為主控芯片。STM32F407系列基于最新的ARMCortexM4內(nèi)核，在現(xiàn)有出色的STM32微控制器產(chǎn)品組合中新增了信號處理功能，并提高了運行速度；ST-M32F405x集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進外設。

2.3控制選擇器

控制選擇器由CD4053芯片、主控模塊以及必須元器件構成。遙控器產(chǎn)生開關信號，通過接收機產(chǎn)生PWM信號并傳輸?shù)街骺啬K，單片機對PWM信號進行檢測。通過對PWM信號高電平的檢測，得到PWM信號的占空比。當占空比大于0.90時單片機輸出高電平，選通CD4053芯片的x通道關閉y通道，從而實現(xiàn)STM32F407核心控制器對四軸飛行器的控制；當占空比小于0.5時單片機輸出低電平，選通CD4053芯片的y通道關閉x通道，從而實現(xiàn)遙控器對四軸飛行器的控制。

2.4GPS模塊

四軸飛行器實現(xiàn)自主巡航需要高精度的GPS模塊提供經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在考察了市面上的定位芯片后，我們選用的是NEO-7MGPS模塊，它是一個低功耗主芯片的超小外型GPS接收模組，該產(chǎn)品采用了新一代U-blox芯片，超高靈敏度，具備全方位功能，能滿足專業(yè)定位的嚴格要求，串口輸出數(shù)據(jù)用戶使用方便，而且成本較低。

2.5氣壓計模塊氣壓計模塊用來測量飛行器的高度，我們選用的是MS5611-o1BA氣壓傳感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I?C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10cm，該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高穩(wěn)定性以及非常低的壓力信號滯后。

三、結(jié)論

本文說明了四軸飛行器自主巡航系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)方案。運用模塊化的硬件電路設計方式，使得本系統(tǒng)具有出色的再開發(fā)性和外擴性。選用STM32F407為主控制器，具有高效的計算能力及多個外設接口，為四軸提供了一個強大的大腦，羅盤HMC588L，氣壓計MS5611，和NEO-7MGPS，保證飛行器穩(wěn)定飛行；預設許多接口，以便再次開發(fā)與拓展。本文設計的四軸飛行器具有編程步驟容易、便利操縱，穩(wěn)固性好、拓展性強等優(yōu)勢。經(jīng)過實驗，成功完成四軸飛行器固定高度下的自主巡航。

基金項目：遼寧科技大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃專項經(jīng)費資助項目（項目編號：201810146024。

作者簡介

楊武帥（1997-），男，吉林長春人，本科，研究方向，飛行器數(shù)據(jù)采集

（作者單位：遼寧科技大學）