四旋翼無(wú)人機(jī)的組成及各部分功能

董明飛　侯恭　康立鵬　孟瑞鋒

摘 要：文章主要研究四旋翼無(wú)人機(jī)的組成及其各部分的功能。四旋翼無(wú)人機(jī)具有造價(jià)低廉，小巧靈活的特點(diǎn)。整個(gè)四旋翼無(wú)人機(jī)由遙控器，四旋翼飛行器兩部分組成。飛行控制芯片以STM32芯片為核心，控制算法采用PID算法，從而實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)的安全穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī)；STM32；PID算法

中圖分類(lèi)號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）21-0085-02

Abstract： This paper mainly studies the composition and the functions of each part of the four-rotor unmanned aerial vehicle （UAV）. The four-rotor unmanned aerial vehicle has the characteristics of low cost， small and flexible. The whole four-rotor UAV is composed of a remote control and a four-rotor aircraft. The core of the flight control chip is STM32 chip and the control algorithm is PID algorithm， which realizes the safe and stable flight of the four-rotor unmanned aerial vehicle.

Keywords： four-rotor unmanned aerial vehicle （UAV）； STM32； PID algorithm

1 緒論

1.1 研究背景及意義

四旋翼無(wú)人機(jī)越來(lái)越多的進(jìn)入人們的生活當(dāng)中，比起傳統(tǒng)的直升機(jī)，四旋翼無(wú)人機(jī)具備造價(jià)低廉，小巧靈活的優(yōu)點(diǎn)。四旋翼能夠節(jié)約資源，且便于攜帶，能進(jìn)入更多的狹小空間采集所需數(shù)據(jù)。所以四旋翼常用來(lái)進(jìn)行航拍，監(jiān)控，地形勘測(cè)等。因而，四旋翼無(wú)人機(jī)的研究是現(xiàn)今發(fā)展的趨勢(shì)之一。

1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容

對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)的組成及各部分的功能，本文介紹的主要內(nèi)容如下：

第一章為緒論，主要介紹四旋翼無(wú)人機(jī)的研究背景及意義。

第二章主要介紹四旋翼無(wú)人機(jī)飛行器的硬件，硬件包括遙控器與四旋翼飛行器兩大部分。

第三章為STM32芯片介紹及PID算法的簡(jiǎn)介。

第四章為總括與展望。總結(jié)本文的基本內(nèi)容及不足之處并展望未來(lái)四旋翼無(wú)人機(jī)的研究重點(diǎn)與方向。

2 四旋翼無(wú)人機(jī)飛行器的硬件

2.1 四旋翼無(wú)人機(jī)遙控器

目前市場(chǎng)上對(duì)于四旋翼來(lái)說(shuō)，控制方式主要有兩種：傳統(tǒng)的航模遙控器、藍(lán)牙/WIFI等遙控器。相比較于藍(lán)牙/WIFI而言，傳統(tǒng)的用于航模遙控器操作手感更好，有效范圍更遠(yuǎn)。但是隨著智能硬件的盛行，現(xiàn)在也有很多使用藍(lán)牙/WIFI等通信作為遙控器。本文主要介紹傳統(tǒng)的航模遙控器。

傳統(tǒng)的航模遙控器都使用2.4G遙控器，其中著名的品牌包括天地飛、JR、Futaba等。以上這些遙控器的優(yōu)點(diǎn)是控制距離遠(yuǎn)、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、姿態(tài)調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

因?yàn)樗男砉灿邪朔N比較基本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（上升、下降、左旋、右旋、左飛、右飛、前飛、后飛），因此至少需要一個(gè)四通道的遙控器來(lái)控制四旋翼的姿態(tài)。

2.2 四旋翼飛行器介紹

四旋翼無(wú)人機(jī)還包括機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。機(jī)架由機(jī)身、機(jī)臂、起落架構(gòu)成。機(jī)身是用來(lái)承載四旋翼所有設(shè)備的平臺(tái)，從一定程度上來(lái)講，四旋翼的安全性、穩(wěn)定性都與機(jī)身密不可分。因此在選用四旋翼機(jī)身時(shí)要綜合考慮機(jī)身的尺寸、材料、形狀、重量、強(qiáng)度等因素。機(jī)臂決定了四旋翼的軸距，軸距是用來(lái)衡量四旋翼尺寸的重要參數(shù)，通常被定義為電機(jī)軸圍成的外接圓周的直徑。通常情況下，軸距即為對(duì)角線上的兩電機(jī)軸心的距離。軸距的大小限定了螺旋槳的尺寸上限，從而限定了螺旋槳能產(chǎn)生的最大拉力，進(jìn)而決定了四旋翼的載重能力[1]。起落架功能包括支撐四旋翼的起飛與降落、保持機(jī)身的水平平衡、保證四旋翼與地面有足夠的距離避免螺旋槳與地面發(fā)生碰撞、減小起飛和降落時(shí)螺旋槳?dú)饬鳑_擊地面產(chǎn)生的氣流干擾。

動(dòng)力系統(tǒng)是四旋翼最主要的組成部分，動(dòng)力系統(tǒng)的好壞決定了四旋翼主要性能的優(yōu)劣，如承重能力、飛行速度、飛行距離、懸停時(shí)間及飛行穩(wěn)定性。動(dòng)力系統(tǒng)的選擇要相互兼容，否則會(huì)使四旋翼無(wú)法正常工作。螺旋槳是直接產(chǎn)生力和力矩的器件，合理匹配螺旋槳可以使電機(jī)工作更加高效穩(wěn)定。選擇合適的螺旋槳是提高四旋翼無(wú)人機(jī)性能的一種最直接的方法。一般來(lái)說(shuō)，螺旋槳型號(hào)由4位數(shù)字組成，如“1045”，前兩位代表螺旋槳的直徑，后兩位代表螺距。螺距定義為扭轉(zhuǎn)一圈螺旋槳進(jìn)步的間隔。四旋翼大多選用無(wú)刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)在扭力，轉(zhuǎn)速方面都有比較良好的特性。無(wú)刷電機(jī)具體大小反映在型號(hào)命名上，例如2212電機(jī)，其含義為直徑為22mm，轉(zhuǎn)子高度為12mm。一般來(lái)說(shuō)越大的電機(jī)其轉(zhuǎn)速和扭力越大。無(wú)刷電機(jī)KV值定義為“轉(zhuǎn)速/V”，意思是當(dāng)輸入電壓每增加1V時(shí)，無(wú)刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值大小[2]。其中，KV值越大，轉(zhuǎn)速越大，但扭力越小。KV值小則相反。電調(diào)的基本功能是接受PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電調(diào)通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和放大來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。無(wú)刷電調(diào)同時(shí)還可以把直流電源轉(zhuǎn)化為三項(xiàng)電源來(lái)給無(wú)刷電機(jī)使用。最大持續(xù)電流和峰值電流是無(wú)刷電機(jī)最重要的參數(shù)，常用的有10A、20A、30A。不同的電機(jī)需要裝配不同的電調(diào)。電池是四旋翼的動(dòng)力來(lái)源。電池的基本參數(shù)包括電壓、容量、內(nèi)阻和放電倍率。航模專(zhuān)用電池為鋰聚合物電池（LiPo電池），單節(jié)電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.7V，充滿電可達(dá)4.2V。如選用型號(hào)為2200mAh 3S 11.1V 25C的電池，其含義為：電池電流為2200mA·h，電壓為11.1V，3S表示三個(gè)鋰電池串聯(lián)在一起，25C是放電倍率，2200mA·h 25C，放電就是2.2A×25=55A。

3 STM32芯片及PID算法簡(jiǎn)介

飛控板是四旋翼無(wú)人機(jī)的核心設(shè)備，目前，主要的飛行控制板有零度飛控板、玉兔飛控板、MWC飛控板、APM飛控板、NAZA（哪吒）飛控板等。世界著名半導(dǎo)體公司意大利方法半導(dǎo)體公司研制的STM 32系列單片機(jī)是高性能單片機(jī)的杰出代表[3]。本設(shè)計(jì)中采用STM32中的STM32F767作為主控芯片。STM32F767由底板和核心板兩部分組成。四旋翼選擇F767作為主控芯片主要是因?yàn)槠浣涌谂c資源豐富，板子提供數(shù)十種標(biāo)準(zhǔn)接口，可以方便的進(jìn)行各種外設(shè)的實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)并且板載高性能音頻編解碼芯片、九軸傳感器、百兆網(wǎng)卡、光環(huán)境傳感器以及各種接口芯片，滿足各種應(yīng)用需求。

四旋翼在飛行過(guò)程中需要及時(shí)調(diào)整各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)使四旋翼的實(shí)際姿態(tài)逼近理想姿態(tài)。PID控制器便是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的控制器。其一般控制規(guī)律為：

四旋翼的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角理論上相互獨(dú)立，所以對(duì)四旋翼的姿態(tài)控制可分為三個(gè)相互獨(dú)立的控制。以其中一個(gè)角為例，其它角相同，在“X”飛行模式下的PID控制過(guò)程如圖1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)四旋翼的組成及各部分功能的學(xué)習(xí)，了解了四旋翼的基本組成，但本文研究不夠深入，只是給初學(xué)者與電子愛(ài)好者的一些參考，是為以后的深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。目前對(duì)四旋翼的鉆研主要集中在3個(gè)方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行控制、基于視覺(jué)的自主飛行控制和自主飛行器系統(tǒng)方案。

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