四軸飛行器的原理與優化設計研究

楊武帥 王俊杰 徐淑婉

摘 要：當今社會，無人飛行器已經日益成熟化普及化了。而相比于其他固定翼飛行器，直升機式飛行器，多旋翼飛行器由于其自身可以垂直起降，易于制作易于操控，可完成各種姿態飛行等特點，已經像雨后春筍般涌現出來。而在多旋翼飛行器中我們會發現，四軸等偶數倍的多旋翼飛行器幾乎占據了100%的市場。這也是因為偶數倍的多旋翼飛行器其易于制作，原理簡單等原因。但在實際應用中，如果對其沒有充分的優化，其飛行時的抗干擾能力和適應能力仍然不是非常理想。在此文中。我們將以四軸為代表仔細分析其工作原理，并嘗試對其進行進一步的優化設計。

關鍵詞：多軸飛行器；穩態

作為飛機的一種，四軸飛行器因為它的四角有四個對稱的螺旋翼而得此名。四軸飛行器的體積一般都比較小，所以它操作簡便而且靈活度高。可以進行垂直起降，俯仰運動，滾轉運動，偏航運動。除此之外高度可拓展性強價格便宜也是四軸飛行器的優點。在機身上可以按照攝像頭，武器，等各種所需要的外設。在實際應用中，在軍事方面四軸飛行器可用于代替士兵進行偵查探測、攻擊、警戒等任務。四軸飛行器也將迎來一個更高速發展的時代。

一、四軸飛行器工作原理

由于多旋翼飛行器均是由電機作為動力源，而電機轉動會對設備產生自轉。所以四軸飛行器將其電機放置在機身的四周個頂端，且都在同一高度平面上，四個旋翼其結構完全相同，中間的空間用來安放飛控芯片和電子設備。在正常情況下四軸飛行器一條軸上的逆時針旋轉的同時，另一條軸的順時針旋轉，所以當飛行器飛行時，自轉效應將被抵消掉。而改變四個電機的轉速就可以實現四軸在各個方向上的運動。四軸飛行器是一種六通道的飛行器，其力的輸入只有4個，卻有6種飛行狀態，所以它是一種欠驅動系統。在以下分析中，箭頭的位置代表電機轉速的變化。在旋翼上方表示增大轉速，在旋翼下方則表示降低轉速。其具體的六種飛行姿態分析如下：

1.1垂直運動

同時增大四個電機的轉速，提升升力，當其產生的總的升力大于重力的時候，四軸飛行器即可離地上升；相反，同時減少四個電機的轉速，四軸飛行器就會垂直下降。當不受外界的干擾情況時，電機所產生的動力與四軸飛行器的自重相等，其就能保持懸停。

1.2俯仰運動

電機1的速度增加，電機3的速度下降（其變化量相等）。電機2和電機4的轉速保持恒定。因為電機1的升力增加，電機3的升力減少，所以升力不平衡則機身會繞y軸自轉。當然，也可降低電機1的速度，提高電機3的速度，機身依然繞y軸旋轉。從而可實現飛行器的俯仰運動。

1.3滾轉運動

與俯仰運動道理一樣，將電機2與電機4的速度大小朝相反的方向改變，電機1與電機3的速度仍然恒定，四軸即可圍繞x軸自轉，就會產生滾轉運動。

1.4偏航運動

四個電機在轉動的過程中由于受到空氣的阻力作用會形成自轉現象，為了解決自轉產生的影響，可將四個電機中的兩個正向旋轉，兩個反向旋轉，并且相對方向上的電機旋轉方向相同。自轉的力的大小與電機轉速相關，如果四個電機的轉速一樣，那么其產生的自轉的里之間就會相互平衡；當四個電機轉速有差異時，不平衡的自轉力就會引起四軸飛行器發生轉動。增加電機1和電機3的速度，其產生的反扭矩增大，電機2和電機4的轉速降低時，其產生的反扭矩變小。機身就會在反扭矩的力下圍繞z軸進行轉動，進行偏航運動，旋轉的方向與電機1、電機3的旋轉方向相反。

1.5前后運動

四軸飛行器要進行水平面中的前后左右的運動時，則飛行器要有水平面上的力。增加電機3的速度，降低電機1速度的速度，但不改變另外兩個電機的速度，則電機1與電機3的合力就會不平衡。參考圖b，飛行器開始會產生傾斜，從而旋翼產生的拉力會分解出水平上的力，以此來實現飛行器向前飛。向后飛行的情況與向前飛行相反。（四軸進行俯仰和翻滾動作的時候會沿x與y軸產生水平方向的運動）。

1.6傾向運動

傾向飛行與前后運動的情形是相同的。所以不再多加解釋。

二、系統總體方案設計

整個系統由PC機、航模遙控器、和四軸飛行器組成。研究人員通過PC機上的地面站軟件規劃巡航路線，并將巡航路徑數據下載到自主巡航控制模塊。飛行器在巡航過程中遇到難以處置問題時，可以切換到遙控模式以免發生危險。四軸飛行器使用11.1V的鋰電池進行供電，從GPS模塊和氣壓計模塊得到飛行器的具體坐標及飛行高度，通過3DR模塊進行數據的傳輸，保證了飛行器穩定的數據傳輸，并將數據顯示在PC機上的地面站監控軟件上，這樣便可實現了人機交互的時效性和準確性。四軸飛行器的控制系統由STM32F407主控模塊、GPS模塊、氣壓計模塊、磁力傳感器模塊、控制選擇器和APM飛控構成，主控模塊將從GPS模塊、氣壓計模塊和磁力傳感器模塊獲得無人機當前坐標信息，然后通過控制算法將控制信號傳遞到APM飛控，最終實現飛行器的自主巡航。

2.1自動飛控系統

自主飛控系統功能是在無人操控的狀態下，控制飛行器在預設的坐標點之間巡航。要完成這個功能就需要多個模塊的互相配合，才能完成給定的任務。系統采用高精度GPS模塊通過串口獲取經緯度數據，在巡航過程中系統需要不斷調整飛行姿態，所以利用氣壓計采集飛行器的飛行高度，用磁力傳感器獲得飛行器的偏航角，這兩個模塊都是采用I2C驅動程序與主控芯片進行通信。

2.2STM32F407主控模塊

因為控制芯要計算偏航角并進行PID控制，所以對主控芯片的運行速度要求比較高，通過查詢資料最終選擇STM32F407為主控芯片。STM32F407系列基于最新的ARMCortexM4內核，在現有出色的STM32微控制器產品組合中新增了信號處理功能，并提高了運行速度；ST-M32F405x集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數發生器在內的整套先進外設。

2.3控制選擇器

控制選擇器由CD4053芯片、主控模塊以及必須元器件構成。遙控器產生開關信號，通過接收機產生PWM信號并傳輸到主控模塊，單片機對PWM信號進行檢測。通過對PWM信號高電平的檢測，得到PWM信號的占空比。當占空比大于0.90時單片機輸出高電平，選通CD4053芯片的x通道關閉y通道，從而實現STM32F407核心控制器對四軸飛行器的控制；當占空比小于0.5時單片機輸出低電平，選通CD4053芯片的y通道關閉x通道，從而實現遙控器對四軸飛行器的控制。

2.4GPS模塊

四軸飛行器實現自主巡航需要高精度的GPS模塊提供經緯度數據，在考察了市面上的定位芯片后，我們選用的是NEO-7MGPS模塊，它是一個低功耗主芯片的超小外型GPS接收模組，該產品采用了新一代U-blox芯片，超高靈敏度，具備全方位功能，能滿足專業定位的嚴格要求，串口輸出數據用戶使用方便，而且成本較低。

2.5氣壓計模塊氣壓計模塊用來測量飛行器的高度，我們選用的是MS5611-o1BA氣壓傳感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I?C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10cm，該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位Σ模數轉換器，具有高穩定性以及非常低的壓力信號滯后。

三、結論

本文說明了四軸飛行器自主巡航系統的軟硬件實現方案。運用模塊化的硬件電路設計方式，使得本系統具有出色的再開發性和外擴性。選用STM32F407為主控制器，具有高效的計算能力及多個外設接口，為四軸提供了一個強大的大腦，羅盤HMC588L，氣壓計MS5611，和NEO-7MGPS，保證飛行器穩定飛行；預設許多接口，以便再次開發與拓展。本文設計的四軸飛行器具有編程步驟容易、便利操縱，穩固性好、拓展性強等優勢。經過實驗，成功完成四軸飛行器固定高度下的自主巡航。

基金項目：遼寧科技大學大學生創新創業計劃專項經費資助項目（項目編號：201810146024。

作者簡介

楊武帥（1997-），男，吉林長春人，本科，研究方向，飛行器數據采集

（作者單位：遼寧科技大學）