基于開源的四旋翼飛行器

吳正茂 李思海 吳勇 顧振華

本文首先介紹了四旋翼飛行器的概念和開源的內涵及發展情況，接著闡述了采用開源的四旋翼飛行器作為實踐平臺的意義。其次，介紹了四旋翼飛行器的飛行原理，重點設計了基于開源飛控APM的四旋翼飛行器，經調試成功實現了飛機的各種運動。文章最后總結了該實現飛行器的要點，并說明了下一步的研究方向。

【關鍵詞】四旋翼飛行器 開源 APM 調試步驟

四旋翼飛行器（Four-rotor aircraft，orQuadrotor）又叫四軸飛行器或四旋翼直升機，其四個電機和相應的螺旋槳安裝在機架上，機架按照“十”字形或“X”字形布局。飛行器通過改變電機轉速獲得機身的升力，并通過力矩的平衡調整自身姿態，實現飛機的各種運動。四旋翼飛行器是目前高校和企業的研究熱點，技術已經相對成熟，并廣泛應用于航空拍攝、軍事偵察與打擊等各個領域。如圖1所示。

開源技術利用了人類內心深處分享和幫助彼此的本能，實現了技術的發展。“開源”這一詞語正式被使用，是在90年代后期OSI（開放代碼促進會）成立時，早期開源的大部分注意力都集中在開源軟件上（OSS），但1997年，Bruce Perens（開源定義的創造者，OSI的共同創立者，同時也是一個業余無線電操作員和愛好者）發布了開源硬件認證程序，該程序允許硬件開發者將他們的產品自行認證為開源。開源硬件在開放交換設計的過程中也促進了技術的發展。最近幾年，由于開源技術的運用可以大大降低企業信息化建設成本，增加了IT的靈活度，個人開發者、企業用戶、IT服務商和IT廠商等都對開源技術表現出了極大地熱情。特別是一些互聯網企業如GOOGLE在開源應用中嘗到了甜頭，如Android自2007年以開源形式發布以來，其陣營以爆發式增長，如今已成為市場占有率第一的移動操作系統。隨著這些著名企業的示范作用，如今開源技術已經成為企業進行信息化建設的首要選擇。隨著開源技術的逐步成熟以及企業對開源技術的應用能力逐步提升，開源技術將會爆發更大的力量。

1 引言

開源技術開放、自由和協作的特點對教育信息化、教學模式的改革、學生實踐平臺的搭建與創新能力的培養也具有很大的促進作用。它可以將理論和實踐有機結合，有效解決大學教育與業界實際的銜接問題，還可以增強學生的學習興趣和內生學習動力。

四旋翼飛行器因為軟硬件均開源，使得原本高大上的技術變得入門容易，也有一定的趣味性，而且飛控成熟度高，開發工具齊全，社區建設完善，開發者文檔豐富，特別適合飛行器愛好者入門和二次開發，正逐步取代傳統單片機開發板，成為飛行器愛好者和電子信息、計算機類學生進一步學習電子、計算機或嵌入式系統應用和實踐的平臺。四旋翼飛行器采用單片機或ARM處理器控制無刷直流電機，并且通過加速度傳感器和陀螺儀的反饋數據進行飛行器的平衡控制和姿態調節。該飛行器平臺綜合了電子學、電機學、計算機、自動控制原理、空氣動力學等多門學科的知識，可以滿足學生在硬件設計和算法仿真與實踐方面的要求。

目前在四旋翼飛行器的研究領域，開源的APM應用廣泛，其升級版本是PX4和PIXHAWKo APM全稱ArduPilotMega， Ardu源自Arduino，Pilot意指飛行，Mega代表主芯片為ATMEGA2560，因成本低，資源豐富，多用于DIY和小型產品。而商業公司則多采用PX4。

2 四旋翼飛行器的飛行原理

四旋翼飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，只有四個輸入力，同時卻有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統，其中俯仰運動和前后運動耦合，橫滾運動和側向運動耦合。

在圖2中，電機1和電機2（安裝正槳）作逆時針旋轉，電機3和電機4（安裝反槳）作順時針旋轉，規定沿Z軸方向運動為升降運動，沿Y軸方向運動稱為向前后運動，沿Y軸方向運動稱為向左右運動，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉速提高，在下方表示此電機轉速下降。

3 四旋翼飛行器的硬件設計與選型

四旋翼飛行器的硬件主要包括機架、飛行控制器和動力系統。

3.1 四旋翼飛行器的硬件架構

機架采用軸距為450mm的標準機架，材質最好是能防摔的碳纖維，采用“X”布局，其特點是穩定，驅動好，但調參相對復雜。

3.2 APM2.8開源飛行控制器

apm2.8開源飛行控制板上集成了陀螺儀、氣壓計等相關的傳感元件，外接電子羅盤與GPS模塊可以滿足不同飛行模式下對飛機性能的不同要求。多個電子調速器分別對各自的電機進行控制，以達到平穩輸出動力的要求。2.8系列是APM中最新的同時也是最穩定的。主控制器為ArduinoMega2560單片機，時鐘主頻16MHz，包含15路PWM輸入輸出口，16路模擬I/O口，54路數字I/O口。板載傳感器包括整合三軸陀螺儀與三軸加速度計的六軸慣性測量單元MPU6000，測量三軸角速度、三軸加速度，結合GPS的高度信息，實現飛行器的姿態解算，計算出飛機姿態;高精度數字空氣壓力傳感器MS5611，測量空氣壓力，用以換算成高度;三軸磁力計HMC5883，測量飛機當前的航向。APM飛行控制器控制系統采用的是雙級PID控制體系，分別是導航級和控制級。導航級PID控制就是通過指定的飛行器的姿態參數，包括飛機的預定速度，飛行的預定高度，飛行器的航線路徑，主控制器通過控制算法計算出飛機需要的俯仰角、方向角和橫滾角，然后提供給控制級進行控制解算。

3.3 動力系統

四旋翼飛行器的動力系統主要包含無刷電機、電子調速器、電池和螺旋槳。根據四旋翼飛行器機架的大小，本文選擇的是kv值為980的2212無刷電機，配以1045螺旋槳，選擇輸出電流為40A的電子調速器，配備3S11.1V鋰聚合物航模電池，詳情見表1。

4 軟件加載調試與實現

當硬件設計與安裝完畢后，接著是APM飛行控制器的固件加載（寫入程序）、調試、設置和監控等所有操作，這些操作都在地面站調試軟件（Mission Planner，簡稱MP）中完成，MP是也是核心的開源軟件。

4.1 地面站調試軟件Mission Planner簡介

地面站MP適用于固定翼，旋翼機和地面車，除了固件加載、調試和參數設置外，還負責飛行任務規劃、監測和記錄四旋翼飛行器的各項飛行信息，并把這些信息通過電腦顯示器直觀地顯示出來，MP也可以直接發送指令操控飛行器的飛行。地面站與APM飛行控制器通過無線數傳模塊相連。

4.2 調試步驟

4.2.1 安裝地面站調試軟件Mission Planner

在安裝MP之前，需先下載NetFramework 4.0并安裝，然后開始下載MP安裝程序包，最新版本的MP可以選擇官網下載http：//ardupilot.org/ardupilot/index.html.。下載頁面中，每個版本都提供了MSI版和ZIP版可供選擇，如果是第一次安裝使用，建議下載MSI版。

4.2.2 連接USB線，下載APM固件

APM固件下載可以利用無線數傳模塊或USB完成。從功能上看，數傳與下載程序兼具串口功能的USB線別無二致，只是形態上有別而已。二者的技術基礎是串口以及基于串口的Mavlink通信。

4.2.3 連接遙控器接收機和USB線，完成APM的遙控校準、加速度校準和羅盤校準

當一個全新的固件下載到APM板以后，需要做遙控輸入校準、加速度校準、羅盤校準等，否則，解鎖是不能進行的，MP的姿態界面上也會不斷彈出紅色提示。

4.2.4 完成各類參數的設定

APM飛控的功能切換是通過切換飛行模式實現的，配置飛行模式前同樣需要你連接MP與APM，點擊Config/Tuning（配置調試）菜單，選擇Flight Modes，配置相應參數。只有在穩定模式（ Stabilize）、特技模式（ACRO）、定高模式（AltHold）、懸停模式（Loiter）才能解鎖。

4.2.5 整理飛機，完成各類安全檢查后試飛

詳細調試步驟和注意事項可以參考部分航模制作網站。

5 結束語

本文是基于開源技術，其核心是APM飛行控制器和相應的飛行控制程序以及調試軟件，設計并制作了了一款結構簡單、性能穩定的四旋翼飛行器，該飛行器可在不同操控模式下實現不同飛行模式的飛行。通過MissionPlanner地面控制站，可對飛行器的各個飛行參數進行監控。由于該技術成熟而且軟硬件資源豐富，很容易實現，非常適合飛行器愛好者和電子、自動化類專業學生學習實踐。另外，該款飛行器的開源性以及上面預留的外界接口模塊豐富，這為后續的深入學習研究提供了較好的基礎飛行實驗平臺，如可以升級處理器、加裝攝像機實現航拍、根據需要裁剪源代碼，修改控制算法、驗證控制結果等，具有廣闊的二次開發應用的前景。

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