基于教學和科普工作的微型四軸四旋翼無人機的設計

周三元　亓君藝　鄒珊　田耕

摘 要：眾所周知，無人機的研究主要是針對軍事訓練以及實戰模擬的工具。20世紀20年代，第一次世界大戰爆發，無人機首次出現于軍事應用中。至今，無人機在軍事、城市管理和視頻拍攝等方面的應用較為廣泛。隨著科技的發展，無人機已逐漸在經濟發達地區的高校課堂上出現，但在西藏地區此現象寥寥無幾，故希望借助這次研究，認真分析當下無人機的發展狀況，了解掌握無人機工作原理（涉及力學、電工學等），研發一款微型的用于教學實踐的無人機。在此希望將來能有更多無人機愛好者參與其中，也希望將來能夠開設相關課程，積極培養學生在無人機方面的興趣，以實驗、設計推動學生學習興趣和熱情。

關鍵詞：教學；科普；無人機

中圖分類號：V249 文獻標志碼：A

0 前言

自20世紀60年代中期開始，我國研制無人機已有50多年的歷史，其研究發展在總體設計、組合導航、飛行控制、傳感器技術、圖像傳輸、信息對抗與反對抗等諸多領域都有所建樹。現如今，無人機主要應用于航拍、軍事、農業等方面。通過這次研究，我們已自購相關耗材，并親自實驗、設計，目的是希望將我們的設計理念扎根于學生這樣一個群體中，讓學生們知道無人機的飛行原理與設計。例如，無人機如何起飛？如何編程使無人機正常起飛？如何使無人機定高、定速飛行？如何使無人機更多功能化服務于人群中？其涉及的學科非常多，作為一種學習的介質，以實踐求真知，會有很好的教學效果。除此之外，無人機在高原學科的應用一直是個盲區，我們希望能夠利用本次研究，培養一批學生無人機愛好者，更希望今后能將其應用于實驗設計和課堂教學，以開辟新的學科和研究領域，激發學生興趣和創新熱情，這無疑是一個極好的開端。

1 微型四軸四旋翼無人機材料分析

我們選擇了一款支持材料生產的公司，進行無人機材料加工，基本的硬件設計有：

（1）STM32F103C8T6 32位微控制器；

（2）MS5611 氣壓計（IIC）；

（3）MPU6050 三軸陀螺儀，三軸加速度計（IIC）；

（4）HMC5883 磁強計（IIC）；

（5）nRF24L01 2.4G無線模塊（SPI）；

（6）藍牙（串口2）；

（7）上位機 （串口1）；

（8）LED （I/O口）；

（9）電機，MOS管 （PWM輸出）。

四旋翼主控芯片為 ARM Cortex-M3 內核的32位微控制器 STM32f103C8T6。遙控器主控芯片為 ARM Cortex-M0 架構的32位微控制器 STM32f030C8T6。傳感器采用高精度陀螺儀和加速度計 MPU6050。電源采用了先升壓再降壓的方案，確保了控制系統和傳感器供電的穩定。電池采用 500mAh 航模鋰電池，續航能力強。

采用 2.4G 無線遙控和藍牙手機遙控兩種遙控方式。2.4G 無線遙控的手感更佳，而藍牙手機 APP 遙控會更加便捷。

2 四旋翼姿態描述和基本控制

Roll為滾轉角，主要表示飛機的滾轉；Pitch為俯仰角，主要表示飛機的俯仰；Yaw為偏航角，主要表示飛機的偏航。通過這3個角度，可以唯一確定飛機在空中的姿態。而如果保持這3個角度穩定，比如說都為0，則飛機水平豎直垂直穩定，就是姿態穩定。具體到四旋翼上，在選定了四旋翼的機頭后，我們就可以規定以上3個角度。接下來我們就可以用傳感器測量這3個角，通過控制器，讓這3個角保持為遙控器給出的姿態角，從而就可以穩定地控制四旋翼。

PID控制器的對于無人機也是至關重要的，其決定著系統的穩定性。控制的核心就是學習控制理論，采用反饋的概念，將輸出引入到輸入中，用輸出來調節輸入，從而保證輸入對輸出影響符合我們的設計要求。

STM32單片機的開發。STM32是32位ARM Coterx-M3內核的處理器，主頻可以達到72MHz，同時采用精簡指令集，滿足了四旋翼的控制需求，且能為以后的電子設計打下堅實的基礎。

軟件使用：C 語言源代碼、工程基于 ARM 內核單片機主流開發環境：Keil-MDK、使用的庫函數版本為 ST 最新官方 V3.5 固件函數庫。

算法：硬件 DMP 進行姿態解算，姿態數據更為準確；卡爾曼濾波、低通濾波、滑動平均濾波，讓數據穩定；串級 PID 控制算法，更穩定的控制效果。

3 微型四軸四旋翼無人機在教育中的應用

3.1 平臺優勢

無人機技術的發展，使無人機航拍在突發性事件、自然災害、廣告等紀實性報道中的畫面充實感和鏡頭語言感獲得更好的表達，其非常廣泛的應用也實現了更多的社會和經濟效益。在很多實時性新聞報道中，無人機以其能夠近距離拍攝、將畫面傳送回來的一系列優勢為人們了解事件進程提供了有效途徑。除了上文提到的影視作品拍攝、突發事件現場報道、測繪勘測等應用場合外，無人機航拍還廣泛應用于森林防火、邊境巡邏、應急救災、農業、地震調查、核輻射探測、管道巡檢、保護區野生動物監測、軍事偵察、海事偵察、保釣活動以及環境監測等方面。這也為我們無人機應用于教育事業打下了良好的基礎。

隨著我國低空管制政策開放、技術發展、電子設備模塊化程度提高，無人機有其體積小、操控性強的特點，只要相對較小的場地就可以完成起落，不受場所限制，使得作業時的運輸和轉場都比較便利。比如需要走出野外專業的同學在危險的懸崖、深山、森林等地段，可以利用無人機的優勢，將其傳回的畫面與相關信息結合來完成高難度的野外任務，這樣就大大降低了野外操作的危險性，同時也彌補了我們日常教育單一化的不足，還可以利用全方位的探索來豐富和完善學習所需資料。

3.2 培養學生實踐與技術相結合的能力需求

利用無人機來進行相關教育是一項動手能力和實踐能力都非常強的技能，如果學生僅掌握了無人機的起飛、降落、空中懸停、航線作業等操作技能是遠遠不夠的，還需要學生從原理上了解無人機，也就是我們要適時地進行無人機知識的科普，只有明白了無人機的原理機制才能夠更好地去操作它，從而達到我們教育的目的。一方面，由于無人機本身還受到其他因素的影響（如：技術、天氣以及無線電干擾等），容易造成無人機不同程度的損失。另一方面，當工作場合不同或影響無人機的其他因素發生改變時，我們學生需要對無人機的一些飛行要素進行調整或修改，而這就需要操作人員具備對無人機的結構、飛行控制技術和機械加工能力等技能的相關知識和能力。通過培養學生的動手實踐能力，讓學生除了可以運用本專業的知識開展無人機實踐外，還能夠完成無人機的維修與維護，既達到了學習的目的又掌握了部分無人機技術，符合當前跨學科、多領域、理論與實踐并重的復合型創新人才培養要求。

3.3 開展無人機教學實踐的初步構想

在無人機航拍技術培訓實踐中，初期以電腦模擬系統練習，使學生建立飛行空間意識和操控動作的條件反射能力。在具備了一定的飛行技術和經驗之后，完成固定航線作業的模擬拍攝技術。然后進一步深入實現拍攝設備與地面接收設備之間的連接，使兩者逐步磨合、達到默契。隨著飛控手不斷地觀察拍攝場景，測試拍攝角度、景別，達到精準、穩定、靈活、熟練的操控無人機要求。最后，按照相關的航拍要求和流程，根據學習需要對真實場景進行拍攝。

參考文獻

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