微型四旋翼飞行器硬件设计和控制

陈飞

摘 要四旋翼飞行器以其优良的气动能力与便携性越来越受到学术界的重视，但是市面上成熟的四旋翼飞行器体积较大且价格昂贵，本设计旨在解决目前民用四旋翼飞行器价格高昂，体积大的问题，利用小功率电机与STM32系列微控制器完成四旋翼的基本系统搭建，做到四旋翼的基本功能，并且可以通过上位机控制与规划四旋翼的飞行路线与方案。

【关键词】四旋翼飞行器 低成本 小体积

1 四旋翼发展现状

1.1 四旋翼的简介

不同于平时乘坐的波音客机与常见的战斗机等固定翼飞机，四旋翼飞行器是一种不稳定，欠驱动的飞行系统，四旋翼飞行器在启动后无法像固定翼飞机一样自动对抗气流干扰，同时由于四旋翼飞行器的四个螺旋桨只能提供向上的升力，所以四旋翼飞行器如果在升空后不加以控制，只需一阵风就可以吹翻飞行器。

1.2 四旋翼的发展历史及发展现状

由于四旋翼飞行器的不稳定性与欠驱动性[1]，四旋翼通常需要搭载姿态控制模块用于实时控制当前的飞行姿态，防止失控的发生，同时也必须搭载惯性导航系统用于提供飞行器当前的姿态信息。然而在20 世纪，陀螺仪的体积普遍过大，直到20 世纪90 年代后，出现了几克重的MEMS（微机电系统，Micro -Electro -Mechanical System）惯性导航系统[2]，四旋翼的姿态控制问题才有了初步的发展。

在MEMS 惯性导航芯片出现后，由于其传出数据的杂波与干扰较大，人们又花了大量时间研究惯性导航的算法，然而复杂的算法就对机载微处理器的运算速度提出了要求，于是直到2005 年前后，四旋翼飞行器才正式问世。

如今，四旋翼技术已经十分成熟，也逐渐开始了商业化，在航空拍摄、地质探测等领域发挥了极其重要的作用。

2 经济化与小体积化设计原则

2.1 常见四旋翼飞行器的重量比较

2.1.1 商业公司成品四旋翼飞行器

目前商业公司的成品四旋翼飞行器根据其功能不同，体积也大小不一，通常最常见的航拍型飞行器重量在1kg 以上，而目前的大型多旋翼飞行器更可以重达5kg，较大的体积会对电机的转速提出更多的要求，加快电池的消耗，同时也会增大电池的体积。

2.1.2 DIY 组装飞行器

当下的DIY 组装飞行器主要还是受制于机架的大小与重量，通常来说，DIY 机架的轴长多在70cm 之内，采用碳纤维材料来减轻机架的重量，然而即使是采用了碳纤维材料，由于电池与电调的存在，其整机重量仍然在1kg 以上，并且若要加挂云台则需要更大的机架空间。

2.2 经济化与小体积化设计方案

2.2.1 控制器部分

控制器是四旋翼飞行器的核心部分，主要负责解算四旋翼当前的飞行姿态，维持四旋翼飞行稳定，处理地面站或者遥控器给出的飞行指令，或者控制四旋翼按照预设的航线飞行，并且可以将摄像头采集到的数据转存到存储设备中。

2.2.2 惯性导航部分

惯性导航部分主要提供飞行器在某一时间上在三个轴向上的加速度，并将数据发送给控制器，控制器可以根据接收到数据解算飞机当前的飞行姿态，并且，由于MEMS 惯性导航模块的数据存在许多干扰与杂波，所以需要设计滤波算法，目前较为常见的滤波算法为卡尔曼滤波算法（Kalmanfiltering），卡尔曼滤波利用线性系统状态方程，通过观测系统

输入输出得到的数据，对系统状态进行最优估算。由于其主要用途是去除噪声与杂波干扰，所以其估算过程可以大概地认作滤波过程。

2.2.3 通信部分

通信部分主要负责接受控制器的信号，并且将四旋翼飞行器的当前状态传送回上位机，便于地面站进行数据分析与图像处理。

2.2.4 电机

为了减轻能量消耗与缩减体积，本设计放弃了通常四旋翼上的大功率无刷电机，而是使用空心杯电机作为动力的来源，空心杯电机在结构上与传统电机最大的不同就是采用无铁芯转子，采用这种转子可以完全消除由铁芯形成的涡流对电机的影响。空心杯电机主要具有以下特性：

能量转换效率高，较好的空心杯电机的能量转换效率可以达到90%以上，较一般的产品也可以达到70%左右的能量转换效率。

控制灵敏，空心杯电机可以达到28ms 的机械响应时间，启动与制动都极其迅速，当其处于高速转动时，也可对其转速进行精确的调节。

稳定性可靠，空心杯电机在转动时的转速误差一般不超过2%，完全满足四旋翼控制的需要。

2.2.5 电源部分

电源部分主要为电压转换模块与电池构成，为了减轻体积，此设计选择了低容量的锂电池供电，因为空心杯电机的能量消耗较低，使用较低功耗的锂电池也可以保证长时间的飞行。

2.2.6 机架

机架是传统四旋翼必不可缺的部分，同时也是产生重量最主要的部分，本设计完全抛弃了传统的机架设计，利用电路板自身的强度作为载体，可以搭载一微型摄像头，用于采集视频信息。

3 详细硬件设计方案

3.1 系统整体设计方案与布局

鉴于采用尽可能小的设计方案，所以对于电路板的器件布置位置提出了要求，器件的摆放应该尽可能密集，同时，为了增加结构强度，减少风阻，整体PCB 的形状应该是梅花状，而不是常见的长方形设计，综上所述，

图1给出了一简要的器件分布方案。

3.2 控制器设计方案

控制器部分使用STM32F103C8T6 单片机，其主频为78MHz，通過外接一8MHz 晶振进行9 倍倍频可以达到单片机推荐的晶振频率。此部分使用3.3V 电源供电，其对外提供了2 路I2C 接口，2 路USART 接口，足以满足外部设备的使用需求，其核心控制部分电路如图2所示。

3.3 传感器模块设计

为了同时兼顾高度与运动方向的检测，本设计使用了一颗气压计与一颗六轴加速度传感器，以及一颗电子罗盘，可以提供水平方向的机头朝向信息，气压计选择了MS5611，MS5611 为一颗I2C 接口的高精度大气压传感器，可以返回当前的海拔。电子罗盘了选择了MHC5883 三轴数字罗盘，其使用I2C 接口，精度控制在1°-2°，完全满足四旋翼导航的需要。六轴传感器使用了MPU6050，其为I2C 接口，可以提供六个方向上的加速度数据。

传感器部分的设计图见图3。

3.4 舵机模块设计

升力用空心杯电机提供，其电路设计中使用一MOS 门提供3.7V 的电压，利用STM32 内置的定时器生成PWM 波形，由于STM32 输出电压为3.3V，无法驱动电机，所以使用一MOS 门进行控制，其整体电路设计数据透传模块说明Wifi 模块与蓝牙模块可以根据需要进行切换，当需要遥控器进行控制时，可以使用蓝牙模块进行通信，当使用计算机作为地面站进行控制时，可以选择WiFi 模块进行控制，两者之间可以通过单片机使能电源芯片进行切换。

4 結论

经过实际组装，本设计全部器件的市场价格总和可以控制在120 元以内，尺寸比同类产品小60%以上，完全达到了最初的设计目标。

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作者单位

装甲兵工程学院 北京市 100071