基于教学和科普工作的微型四轴四旋翼无人机的设计

周三元　亓君艺　邹珊　田耕

摘 要：众所周知，无人机的研究主要是针对军事训练以及实战模拟的工具。20世纪20年代，第一次世界大战爆发，无人机首次出现于军事应用中。至今，无人机在军事、城市管理和视频拍摄等方面的应用较为广泛。随着科技的发展，无人机已逐渐在经济发达地区的高校课堂上出现，但在西藏地区此现象寥寥无几，故希望借助这次研究，认真分析当下无人机的发展状况，了解掌握无人机工作原理（涉及力学、电工学等），研发一款微型的用于教学实践的无人机。在此希望将来能有更多无人机爱好者参与其中，也希望将来能够开设相关课程，积极培养学生在无人机方面的兴趣，以实验、设计推动学生学习兴趣和热情。

关键词：教学；科普；无人机

中图分类号：V249 文献标志码：A

0 前言

自20世纪60年代中期开始，我国研制无人机已有50多年的历史，其研究发展在总体设计、组合导航、飞行控制、传感器技术、图像传输、信息对抗与反对抗等诸多领域都有所建树。现如今，无人机主要应用于航拍、军事、农业等方面。通过这次研究，我们已自购相关耗材，并亲自实验、设计，目的是希望将我们的设计理念扎根于学生这样一个群体中，让学生们知道无人机的飞行原理与设计。例如，无人机如何起飞？如何编程使无人机正常起飞？如何使无人机定高、定速飞行？如何使无人机更多功能化服务于人群中？其涉及的学科非常多，作为一种学习的介质，以实践求真知，会有很好的教学效果。除此之外，无人机在高原学科的应用一直是个盲区，我们希望能够利用本次研究，培养一批学生无人机爱好者，更希望今后能将其应用于实验设计和课堂教学，以开辟新的学科和研究领域，激发学生兴趣和创新热情，这无疑是一个极好的开端。

1 微型四轴四旋翼无人机材料分析

我们选择了一款支持材料生产的公司，进行无人机材料加工，基本的硬件設计有：

（1）STM32F103C8T6 32位微控制器；

（2）MS5611 气压计（IIC）；

（3）MPU6050 三轴陀螺仪，三轴加速度计（IIC）；

（4）HMC5883 磁强计（IIC）；

（5）nRF24L01 2.4G无线模块（SPI）；

（6）蓝牙（串口2）；

（7）上位机 （串口1）；

（8）LED （I/O口）；

（9）电机，MOS管 （PWM输出）。

四旋翼主控芯片为 ARM Cortex-M3 内核的32位微控制器 STM32f103C8T6。遥控器主控芯片为 ARM Cortex-M0 架构的32位微控制器 STM32f030C8T6。传感器采用高精度陀螺仪和加速度计 MPU6050。电源采用了先升压再降压的方案，确保了控制系统和传感器供电的稳定。电池采用 500mAh 航模锂电池，续航能力强。

采用 2.4G 无线遥控和蓝牙手机遥控两种遥控方式。2.4G 无线遥控的手感更佳，而蓝牙手机 APP 遥控会更加便捷。

2 四旋翼姿态描述和基本控制

Roll为滚转角，主要表示飞机的滚转；Pitch为俯仰角，主要表示飞机的俯仰；Yaw为偏航角，主要表示飞机的偏航。通过这3个角度，可以唯一确定飞机在空中的姿态。而如果保持这3个角度稳定，比如说都为0，则飞机水平竖直垂直稳定，就是姿态稳定。具体到四旋翼上，在选定了四旋翼的机头后，我们就可以规定以上3个角度。接下来我们就可以用传感器测量这3个角，通过控制器，让这3个角保持为遥控器给出的姿态角，从而就可以稳定地控制四旋翼。

PID控制器的对于无人机也是至关重要的，其决定着系统的稳定性。控制的核心就是学习控制理论，采用反馈的概念，将输出引入到输入中，用输出来调节输入，从而保证输入对输出影响符合我们的设计要求。

STM32单片机的开发。STM32是32位ARM Coterx-M3内核的处理器，主频可以达到72MHz，同时采用精简指令集，满足了四旋翼的控制需求，且能为以后的电子设计打下坚实的基础。

软件使用：C 语言源代码、工程基于 ARM 内核单片机主流开发环境：Keil-MDK、使用的库函数版本为 ST 最新官方 V3.5 固件函数库。

算法：硬件 DMP 进行姿态解算，姿态数据更为准确；卡尔曼滤波、低通滤波、滑动平均滤波，让数据稳定；串级 PID 控制算法，更稳定的控制效果。

3 微型四轴四旋翼无人机在教育中的应用

3.1 平台优势

无人机技术的发展，使无人机航拍在突发性事件、自然灾害、广告等纪实性报道中的画面充实感和镜头语言感获得更好的表达，其非常广泛的应用也实现了更多的社会和经济效益。在很多实时性新闻报道中，无人机以其能够近距离拍摄、将画面传送回来的一系列优势为人们了解事件进程提供了有效途径。除了上文提到的影视作品拍摄、突发事件现场报道、测绘勘测等应用场合外，无人机航拍还广泛应用于森林防火、边境巡逻、应急救灾、农业、地震调查、核辐射探测、管道巡检、保护区野生动物监测、军事侦察、海事侦察、保钓活动以及环境监测等方面。这也为我们无人机应用于教育事业打下了良好的基础。

随着我国低空管制政策开放、技术发展、电子设备模块化程度提高，无人机有其体积小、操控性强的特点，只要相对较小的场地就可以完成起落，不受场所限制，使得作业时的运输和转场都比较便利。比如需要走出野外专业的同学在危险的悬崖、深山、森林等地段，可以利用无人机的优势，将其传回的画面与相关信息结合来完成高难度的野外任务，这样就大大降低了野外操作的危险性，同时也弥补了我们日常教育单一化的不足，还可以利用全方位的探索来丰富和完善学习所需资料。

3.2 培养学生实践与技术相结合的能力需求

利用无人机来进行相关教育是一项动手能力和实践能力都非常强的技能，如果学生仅掌握了无人机的起飞、降落、空中悬停、航线作业等操作技能是远远不够的，还需要学生从原理上了解无人机，也就是我们要适时地进行无人机知识的科普，只有明白了无人机的原理机制才能够更好地去操作它，从而达到我们教育的目的。一方面，由于无人机本身还受到其他因素的影响（如：技术、天气以及无线电干扰等），容易造成无人机不同程度的损失。另一方面，当工作场合不同或影响无人机的其他因素发生改变时，我们学生需要对无人机的一些飞行要素进行调整或修改，而这就需要操作人员具备对无人机的结构、飞行控制技术和机械加工能力等技能的相关知识和能力。通过培养学生的动手实践能力，让学生除了可以运用本专业的知识开展无人机实践外，还能够完成无人机的维修与维护，既达到了学习的目的又掌握了部分无人机技术，符合当前跨学科、多领域、理论与实践并重的复合型创新人才培养要求。

3.3 开展无人机教学实践的初步构想

在无人机航拍技术培训实践中，初期以电脑模拟系统练习，使学生建立飞行空间意识和操控动作的条件反射能力。在具备了一定的飞行技术和经验之后，完成固定航线作业的模拟拍摄技术。然后进一步深入实现拍摄设备与地面接收设备之间的连接，使两者逐步磨合、达到默契。随着飞控手不断地观察拍摄场景，测试拍摄角度、景别，达到精准、稳定、灵活、熟练的操控无人机要求。最后，按照相关的航拍要求和流程，根据学习需要对真实场景进行拍摄。

参考文献

[1]李磊，熊涛，胡湘阳，等.浅论无人机应用领域及前景[J].地理空间信息，2010（5）：7-9.

[2]刘莹.遥控飞行器航拍在建设工程中的应[J].中华民居，2014（1）：183-184.

[3]谢春茂.无人机系统产业发展及市场研究[J].科技传播，2013（11）：77-79.

[4]曹永正，张海江，刘洋，等.无人机航拍在新媒体艺术教育中的应用[J].科技视界，2014（27）：28-50.