基于开源飞控的四旋翼航拍飞行器的组装与调试

王浩然，韩克龙，李若曦

（山东科技大学，山东 青岛266590）

四旋翼作为一种具有特殊结构的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，机动性强，负载能力强，能快速、灵活地在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。

1 飞行器的结构与组成

一架四旋翼飞行器是由起落架、机架、螺旋桨、无刷电机、电调、航模遥控器、电池、M8N GPS 模块、两轴云台、运动相机、5.8 G 600 mV 图传模块、飞行控制器等结构组成。起落架为飞行器的起飞提供支撑，为飞行器的降落起减震作用。机架是飞行器的主体机械框架，为飞行器的各个部件提供支撑。机翼、无刷电机和电调为飞行器提供升力。航模遥控器对飞行器的姿态、飞行模式和飞行方向进行控制。电池为飞行器提供动力支持。M8N GPS 模块可用于定位和规划飞行器航程。两轴云台、运动相机和5.8 G 600 mV 图传模块可以实时提供飞行器当前稳定而清晰的画面。飞行控制器是飞行器的核心部分，一般由主控芯片、各种传感器、遥控模块和电源模块等组成。

2 飞行器的机械组装

机械组装包括起落架、机架的连接固定，电机的安装，云台以及电池座的固定等。提前检查各部件的连接部位是否吻合，构想出飞行器的大致结构以便减少后续拆卸次数，提高组装效率。按照由下至上的方式搭建四旋翼飞行器的机械结构。在机械组装的过程中注意事项有以下几点：①四个无刷电机对应对角线的两个电机的转向相同，非对应对角线的两个电机转向相反；②出于对后续组装和调试的安全考虑，暂时不安装螺旋桨；③尽可能保证飞行器的重心位于飞行器机臂连线交点且在桨平面位置上。

3 飞行器硬件的安装与连接

3.1 电源分电PCB 的焊接

将XT60 母头焊接在PCB 上，然后依次焊接四个电调的电源线，在其他预留分电焊盘处焊接降压模块电源线以及图传电源线，不要出现虚焊点。焊接完成后，用万用表依次测量各焊点是否存在断路和短路现象。

3.2 飞控、GPS、遥控器接收器的安装和连接

将飞控用海绵双面胶粘在减震板上，减震板通过尼龙螺柱和螺母固定在机架的上层，以便后续模块连接以及观察飞控状态。飞控的固定采用X 模型，实践证明X 模型的飞行器更加稳定。降压模块正负极输出线分别插在飞控板表面的正负极引脚处。M8N GPS 模块拥有两个插头，5pin 插头插在飞控GPS 插口处，4pin 插头插在飞控GPS 插口下方4pin的插口处。遥控器接收器的1～6 通道分别接在飞控INPUTS的1～6 通道。按照电机标号将电调线分别插在飞控的OUTPUTS 的1～4 通道。接线一定要对应好正负极和信号，切忌出现正负极反接的情况。飞控表面的箭头指向对应机头朝向。

3.3 地面站初始设置

使用开源飞控地面站Mission Planner，并提前安装飞控的驱动程序。将APM 与电脑通过数据线连接，在地面站中选择对应的端口并设置波特率为115 200 位/秒，然后点击CONNECT，当显示DISCONNECT 时表示已经连接成功。

3.4 相机、云台和图传的安装和连接

本无人机采用的航拍设置为两轴云台、SJ900 1 400 万像素的山狗相机5.8 G 600 mW 的图传、7 寸高清雪花屏的显示器。相机连接图传，由图传向外发出信号，云台可使相机稳定。基本的航拍设施安装于无人机的前侧，方便对目标进行拍摄。

3.5 固件安装

断开APM 和电脑的连接，在主界面中“Install setup（初始设置）”，可看到该地面站提供了两种固件安装方式：Install Firmware（手动模式）和Wizard（向导模式）。Wizard 向导模式虽然比较人性化，但是出错概率比较大，建议使用Install Firmware 手动模式安装。因为APM 上市时间较早，目前已经无法兼容最新版固件，所以在Install Firmware 界面点击右下角Beta firmware pick previous Firmware，在下拉框中选择早期的固件。固件安装提示Done 成功后，点击右上角的connect 连接按钮，连接APM，查看APM 实时运行姿态与数据。不要用无线数传安装固件，虽然无线数传与USB 有着同样的通信功能，但它缺少reset 信号，无法在刷固件的过程中给2560 复位，会导致安装失败。

3.6 遥控器校准

遥控器校准需要连接接收机，按照对应通道进行连接，四轴无人机至少连接四个通道，一般连接六个通道，会使无人机更稳定。连接好后，连接APM 的USB 数据线（也可以通过数传进行连接），然后打开遥控器发射端电源，运行Mission Planner。选择好波特率与端口后，进行以下操作：点击connect 连接APM，接着点击Install setup（初始设置）—Mandatory Hardware—Radio Calibrated（遥控校准）—点击窗口右边的校准遥控按钮，将遥控器的两个摇杆一次拉到最大值旋转两圈，得到摇杆最大值和最小值，点击Click When Done 保存校准。再次拨动摇杆时界面的指示条有变化，则为校准成功。

3.7 加速度计校准

点击Install setup 下的Mandatory Hardware 菜单，选择Accel Calibration（加速度校准），点击右边的校准加速度计开始加速度计的校准，根据界面提示依次将飞行器水平放置、左边朝下、右边朝下、机头朝下、机尾朝下、背面朝下，每个姿态做完后都要点击Click When Done，所有动作校准完成后，跳出Calibration successful（校准成功）后，则为校准完成。

3.8 罗盘校准

点击Install setup 下的Mandatory Hardware 菜单，选Compass 菜单，勾选Enable 选项、勾选使用自动磁偏角以后点击Live Calibration，然后弹出菜单：在60 s 内转动APM，每个轴转一次，即俯仰360°一次，横滚360°一次，水平原地自转360°一次；如果是外置罗盘，转动外置罗盘。在转动的过程中，系统不断记录罗盘传感器采集的数据，Samples数据量不断累加，60 s 后会弹出一个数据确认菜单，点击OK 保存完成罗盘的校准。

3.9 飞行模式配置

APM 的功能切换可通过切换飞行模式实现，APM 有多种飞行模式可供选择，一般一次只能设置六种，加上CH7、CH8 的辅助，最多设置八种。所以需要遥控器其中一个通道可以支持切换六段PWM 值输出，一般用第五通道作为模式切换控制通道，当第五通道输入的PWM 值分别在0～1 230、1 231～1 360、1 361～1490、1 491～1 620、1 621～1 749、1 750+这六个区间时，每个区间的值就可以开启一个对应的飞行模式，六个PWM 值为1 165、1 295、1 425、1 555、1 685、1 815。配置飞行模式前需要连接Mission Planner 与APM，点击配置调试菜单选择Flight Modes，弹出飞行模式配置界面后出现六个飞行模式对应的PWM 值，模式的选择在下拉框中选择。将0～1230 设置为RTL（返航模式）。另外要保证模式切换开关随时能切换到自稳模式上，选择好六个模式后点击保存。

3.10 解锁须知

完成遥控校准、加速度校准和罗盘校准后，解锁连接Mission Planner 或者查看LED 是否成功解锁。APM 的解锁动作以检测到第三通道最低值+第四通道最高值为标准，即油门最低、方向最右、持续5 s。当APM 收到解锁信号后，APM 先自检，红灯闪烁，自检通过，解锁成功，红灯常亮（地面站Mission Planner 中红色DISARMED 会变成ARMED），表示解锁成功。APM 解锁以后，若15 s 内没有任何操作，自动上锁。手动上锁方法：油门最低，方向最左（PWM 最低）。APM 只有处于Stabilize、Acro、AltHold、Loiter 这几种模式时才能解锁，如果不能解锁，检查飞行模式是否正确，一般情况下建议从Stabilize 模式解锁。

4 结论

虽然飞行系统和硬件设置均不存在问题，但是在无人机飞行过程中，飞行信号容易受到干扰，所以在控制时容易产生一些偏差。地面站的建立、GPS 的安装和无人机失控的飞行保护系统使得飞行器在飞行时安全性得到提升，同时航拍系统的完善可以达到很好的航拍效果。