四轴飞行器的原理与优化设计研究

杨武帅 王俊杰 徐淑婉

摘 要：当今社会，无人飞行器已经日益成熟化普及化了。而相比于其他固定翼飞行器，直升机式飞行器，多旋翼飞行器由于其自身可以垂直起降，易于制作易于操控，可完成各种姿态飞行等特点，已经像雨后春笋般涌现出来。而在多旋翼飞行器中我们会发现，四轴等偶数倍的多旋翼飞行器几乎占据了100%的市场。这也是因为偶数倍的多旋翼飞行器其易于制作，原理简单等原因。但在实际应用中，如果对其没有充分的优化，其飞行时的抗干扰能力和适应能力仍然不是非常理想。在此文中。我们将以四轴为代表仔细分析其工作原理，并尝试对其进行进一步的优化设计。

关键词：多轴飞行器；稳态

作为飞机的一种，四轴飞行器因为它的四角有四个对称的螺旋翼而得此名。四轴飞行器的体积一般都比较小，所以它操作简便而且灵活度高。可以进行垂直起降，俯仰运动，滚转运动，偏航运动。除此之外高度可拓展性强价格便宜也是四轴飞行器的优点。在机身上可以按照摄像头，武器，等各種所需要的外设。在实际应用中，在军事方面四轴飞行器可用于代替士兵进行侦查探测、攻击、警戒等任务。四轴飞行器也将迎来一个更高速发展的时代。

一、四轴飞行器工作原理

由于多旋翼飞行器均是由电机作为动力源，而电机转动会对设备产生自转。所以四轴飞行器将其电机放置在机身的四周个顶端，且都在同一高度平面上，四个旋翼其结构完全相同，中间的空间用来安放飞控芯片和电子设备。在正常情况下四轴飞行器一条轴上的逆时针旋转的同时，另一条轴的顺时针旋转，所以当飞行器飞行时，自转效应将被抵消掉。而改变四个电机的转速就可以实现四轴在各个方向上的运动。四轴飞行器是一种六通道的飞行器，其力的输入只有4个，却有6种飞行状态，所以它是一种欠驱动系统。在以下分析中，箭头的位置代表电机转速的变化。在旋翼上方表示增大转速，在旋翼下方则表示降低转速。其具体的六种飞行姿态分析如下：

1.1垂直运动

同时增大四个电机的转速，提升升力，当其产生的总的升力大于重力的时候，四轴飞行器即可离地上升；相反，同时减少四个电机的转速，四轴飞行器就会垂直下降。当不受外界的干扰情况时，电机所产生的动力与四轴飞行器的自重相等，其就能保持悬停。

1.2俯仰运动

电机1的速度增加，电机3的速度下降（其变化量相等）。电机2和电机4的转速保持恒定。因为电机1的升力增加，电机3的升力减少，所以升力不平衡则机身会绕y轴自转。当然，也可降低电机1的速度，提高电机3的速度，机身依然绕y轴旋转。从而可实现飞行器的俯仰运动。

1.3滚转运动

与俯仰运动道理一样，将电机2与电机4的速度大小朝相反的方向改变，电机1与电机3的速度仍然恒定，四轴即可围绕x轴自转，就会产生滚转运动。

1.4偏航运动

四个电机在转动的过程中由于受到空气的阻力作用会形成自转现象，为了解决自转产生的影响，可将四个电机中的两个正向旋转，两个反向旋转，并且相对方向上的电机旋转方向相同。自转的力的大小与电机转速相关，如果四个电机的转速一样，那么其产生的自转的里之间就会相互平衡；当四个电机转速有差异时，不平衡的自转力就会引起四轴飞行器发生转动。增加电机1和电机3的速度，其产生的反扭矩增大，电机2和电机4的转速降低时，其产生的反扭矩变小。机身就会在反扭矩的力下围绕z轴进行转动，进行偏航运动，旋转的方向与电机1、电机3的旋转方向相反。

1.5前后运动

四轴飞行器要进行水平面中的前后左右的运动时，则飞行器要有水平面上的力。增加电机3的速度，降低电机1速度的速度，但不改变另外两个电机的速度，则电机1与电机3的合力就会不平衡。参考图b，飞行器开始会产生倾斜，从而旋翼产生的拉力会分解出水平上的力，以此来实现飞行器向前飞。向后飞行的情况与向前飞行相反。（四轴进行俯仰和翻滚动作的时候会沿x与y轴产生水平方向的运动）。

1.6倾向运动

倾向飞行与前后运动的情形是相同的。所以不再多加解释。

二、系统总体方案设计

整个系统由PC机、航模遥控器、和四轴飞行器组成。研究人员通过PC机上的地面站软件规划巡航路线，并将巡航路径数据下载到自主巡航控制模块。飞行器在巡航过程中遇到难以处置问题时，可以切换到遥控模式以免发生危险。四轴飞行器使用11.1V的锂电池进行供电，从GPS模块和气压计模块得到飞行器的具体坐标及飞行高度，通过3DR模块进行数据的传输，保证了飞行器稳定的数据传输，并将数据显示在PC机上的地面站监控软件上，这样便可实现了人机交互的时效性和准确性。四轴飞行器的控制系统由STM32F407主控模块、GPS模块、气压计模块、磁力传感器模块、控制选择器和APM飞控构成，主控模块将从GPS模块、气压计模块和磁力传感器模块获得无人机当前坐标信息，然后通过控制算法将控制信号传递到APM飞控，最终实现飞行器的自主巡航。

2.1自动飞控系统

自主飞控系统功能是在无人操控的状态下，控制飞行器在预设的坐标点之间巡航。要完成这个功能就需要多个模块的互相配合，才能完成给定的任务。系统采用高精度GPS模块通过串口获取经纬度数据，在巡航过程中系统需要不断调整飞行姿态，所以利用气压计采集飞行器的飞行高度，用磁力传感器获得飞行器的偏航角，这两个模块都是采用I2C驱动程序与主控芯片进行通信。

2.2STM32F407主控模块

因为控制芯要计算偏航角并进行PID控制，所以对主控芯片的运行速度要求比较高，通过查询资料最终选择STM32F407为主控芯片。STM32F407系列基于最新的ARMCortexM4内核，在现有出色的STM32微控制器产品组合中新增了信号处理功能，并提高了运行速度；ST-M32F405x集成了定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外存接口、实时时钟、CRC计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设。

2.3控制选择器

控制选择器由CD4053芯片、主控模块以及必须元器件构成。遥控器产生开关信号，通过接收机产生PWM信号并传输到主控模块，单片机对PWM信号进行检测。通过对PWM信号高电平的检测，得到PWM信号的占空比。当占空比大于0.90时单片机输出高电平，选通CD4053芯片的x通道关闭y通道，从而实现STM32F407核心控制器对四轴飞行器的控制；当占空比小于0.5时单片机输出低电平，选通CD4053芯片的y通道关闭x通道，从而实现遥控器对四轴飞行器的控制。

2.4GPS模块

四轴飞行器实现自主巡航需要高精度的GPS模块提供经纬度数据，在考察了市面上的定位芯片后，我们选用的是NEO-7MGPS模块，它是一个低功耗主芯片的超小外型GPS接收模组，该产品采用了新一代U-blox芯片，超高灵敏度，具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求，串口输出数据用户使用方便，而且成本较低。

2.5气压计模块气压计模块用来测量飞行器的高度，我们选用的是MS5611-o1BA气压传感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I?C总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达到10cm，该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位Σ模数转换器，具有高稳定性以及非常低的压力信号滞后。

三、结论

本文说明了四轴飞行器自主巡航系统的软硬件实现方案。运用模块化的硬件电路设计方式，使得本系统具有出色的再开发性和外扩性。选用STM32F407为主控制器，具有高效的计算能力及多个外设接口，为四轴提供了一个强大的大脑，罗盘HMC588L，气压计MS5611，和NEO-7MGPS，保证飞行器稳定飞行；预设许多接口，以便再次开发与拓展。本文设计的四轴飞行器具有编程步骤容易、便利操纵，稳固性好、拓展性强等优势。经过实验，成功完成四轴飞行器固定高度下的自主巡航。

基金项目：辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目（项目编号：201810146024。

作者简介

杨武帅（1997-），男，吉林长春人，本科，研究方向，飞行器数据采集

（作者单位：辽宁科技大学）