四軸飛行器是一種利用四個(gè)旋翼作為飛行引擎來進(jìn)行空中飛行的飛行器。進(jìn)入20世紀(jì)以來，電子技術(shù)飛速發(fā)展四軸飛行器開始走向小型化，并融入了人工智能，使其發(fā)展趨于無人機(jī)，智能機(jī)器人。

四軸飛行器不但實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)的垂直升降的飛行性能，同時(shí)也在一定程度上降低了飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。四軸飛行器的平衡控制系統(tǒng)由各類慣性傳感器組成。在制作過程中，對整體機(jī)身的中心、對稱性以及電機(jī)性能要求較低，這也正是制作四軸飛行器的優(yōu)勢所在，而且相較于固定翼飛機(jī)，四軸也有著可垂直起降，機(jī)動(dòng)性好，易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用方面，四軸飛行器可以在復(fù)雜、危險(xiǎn)的環(huán)境下可以完成特定的飛行任務(wù)，也可以用于監(jiān)控交通，環(huán)境等。比如，在四軸飛行器上安裝甲烷等有害氣體的檢測裝置，則可以在高空定點(diǎn)地檢測有害氣體；進(jìn)入輻射區(qū)檢查核設(shè)施；做軍事偵察；甚至搬運(yùn)材料，搭建房屋等等。本設(shè)計(jì)利用四軸搭載云臺(tái)實(shí)現(xiàn)航拍任務(wù)，當(dāng)然經(jīng)過改裝也可以執(zhí)行其他任務(wù)。

本設(shè)計(jì)方案主要研究了四軸飛行器的姿態(tài)結(jié)算和飛行控制，并設(shè)計(jì)制作了一架四軸飛行器，對關(guān)鍵傳感器做了標(biāo)定，并利用用matlab分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)算法，還進(jìn)行了單通道平衡試驗(yàn)調(diào)試，進(jìn)行試飛實(shí)驗(yàn)取得了一定的效果。

一、方案原理

本設(shè)計(jì)采用STM32F4（STM 32F407數(shù)據(jù)手冊）作為核心處理器，該處理器內(nèi)核架構(gòu)ARMCortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)。主控板包括傳感器MPU6050（MPU6050數(shù)據(jù)手冊）電路模塊、無線藍(lán)牙模塊、電機(jī)啟動(dòng)模塊，電源管理模塊等；遙控使用商品遙控及接收機(jī)。控制芯片捕獲接收機(jī)的PPM命令信號，傳感器與控制芯片之間采用IIC總線連接，MCU與電調(diào)之間用PWM傳遞控制信號。

二、方案硬件設(shè)計(jì)

針對前面提出的整體設(shè)計(jì)方案原理，本設(shè)計(jì)采取模塊化策略,將各個(gè)功能部分開來設(shè)計(jì)，最后組合起來。

1 電源管理模塊

四軸飛行器要求整體設(shè)計(jì)質(zhì)量較輕，體積較小，因此在電池的選取方面，采用體積小、質(zhì)量輕、容量大的鋰電池供電最合適。系統(tǒng)的核心芯片為STM32F103，常用工作電壓為3.3V，同時(shí)慣性測量傳感器，藍(lán)牙通信模塊的常規(guī)供電電壓也為3.3V，鋰電池的電壓為11.4V，要使系統(tǒng)正常工作，需要將11.4V的鋰電池電壓穩(wěn)壓到3.3V。常用的78系列穩(wěn)壓芯片已不再適用，必須選擇性能更好的穩(wěn)壓芯片。

經(jīng)綜合考慮，本電路采用LM1117-3.3和LM2940-5電源部分的核心芯片。電池電源經(jīng)過LM2940-5降到5V后在輸入LM1117-3.3穩(wěn)壓為3.3V。由于電機(jī)部分電流較大，故在飛控電路部分加入了過流保護(hù)，使用500mA的保險(xiǎn)絲。電路圖如下。

2、方案硬件清單

有關(guān)該方案的硬件設(shè)計(jì)圖（用AD軟件打開）和軟件源代碼資料請戳我下載。

三、方案軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)上由控制核心STM32F4讀取傳感器信息，解算姿態(tài)角，以姿態(tài)角為被控制量融合遙控信息后，輸出到四個(gè)電機(jī)及兩個(gè)舵機(jī)以完成四軸飛行控制和云臺(tái)的穩(wěn)定補(bǔ)償。下圖是軟件流程：

四、實(shí)物展示

五、方案特色和創(chuàng)新性

1）采用STM32F407這樣一款高性能芯片作為控制核心，計(jì)算快速，擴(kuò)展空間大。
2）云臺(tái)飛控一體化設(shè)計(jì)，既能完成飛行任務(wù)也能實(shí)現(xiàn)云臺(tái)穩(wěn)定。
3）姿態(tài)算法采用基于四元數(shù)的互補(bǔ)濾波，姿態(tài)角無奇點(diǎn)，比起卡爾曼李春波等高端算法有著計(jì)算量小的特點(diǎn)且能投入使用，大大節(jié)約了cpu計(jì)算時(shí)間，也降低了對cpu的性能要求。
4）利用四軸作為云臺(tái)載體有著靈活機(jī)動(dòng)，可讓攝像頭獲得比較好的視野，且云臺(tái)能消除四軸機(jī)體抖動(dòng)。
5）方便改裝用于執(zhí)行其他任務(wù)。