面向中學生創客教育的簡易四軸飛行器設計

于明軍 賈曉艷

摘要：隨著時代發展，四軸飛行器技術快速進步，市面上的大部分四軸飛行器，設計難度較大，不適合中學生進行學習研究，為解決這一問題，分析現已有四軸飛行器，設計一款符合中學生課堂教育的ARM四軸飛行器.四軸飛行器使用簡單，PID算法對飛行器進行平衡控制，實現了基本飛行功能，降低了學習難度，可以滿足中學生創客教育要求.

關鍵詞：四軸飛行器;中學創客教育;單片機控制

中圖分類號：TP368.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）07-0091-04

1 引言

四軸飛行器即空中機器人，隨著機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件以及人工智能機器人等眾多技術的迅速發展，越來越多的智能產品出現，四軸飛行器的研究也在不斷地完善，在各種領域得到了廣泛的應用，新的領域也在不斷拓展之中，20世紀以來，機器人教育逐漸受到全世界各個國家的重視，目前為止我國還未全面開展機器人中學教育的普及，機器人教育與傳統的學科教學的教育方式不同.機器人知識引入中學課堂讓學生了解最新的智能技術，培養學生的創新思維能力、空間想象力、實踐動手能力、解決困難的能力、團隊協作能力.得到了一致的認可，對孩子的成長、今后專業的選擇以及整個人生十分重要.

2 中國創客教育及四軸飛行器應用

創客一詞來源于英文單詞“Maker”或“Hacker”，是指出于興趣和愛好，努力把一些天馬行空的想法轉變為現實的人.STEAM教育中的著重點是培養創新思維和能力，然而，傳統課堂無法將學習者的創新能力表現出來.因此創客精神和教育的碰撞，產生了創客教育的概念.

“創客教育”是創客運動與教育理念的相互融合，以學生為中心，綜合已學的知識，通過團隊合作設計制作一個作品的方式培養學生的動手操作能力、邏輯思維創新能力的一種素質教育.我國創客教育的發展起步較晚，2015年李克強總理在《政府工作報告》明確提出“大眾創業，萬眾創新”是推動我國經濟穩定增長的動力源泉，為了培養創客人才，國家出臺了《新一代人工智能發展規劃》《教育信息化2.0》等一系方案助推創客教育，創客教育在我國的河南、上海、北京、浙江、西安、深圳以及廣州等城市以構建主題創客實驗室為基礎加大科技創新教育的投入，近幾年來“創客教育”已經從新名詞變成了許多中小學校課表中的熟悉面孔.“創客”的理念融入“教育”，為我國傳統教育注入了新的活力.目前我國創客教育以課堂基本知識的傳授為主，缺少系統的課程設計和實施方案，如何更好地實施創客教育，完善本土化的創客教育理論體系成為未來一段時間內必須解決的問題.

為了激發青少年對電子信息技術的探索與學習，開展了各種各樣的科技競賽，四軸飛行器涉及物理、機械、計算機等多學科的知識，各類學科與科學技術的相互碰撞，彌補了傳統課堂教學各學科界限涇渭分明的缺點.四軸飛行器可以給予青少年科技競賽無限的發展空間，從機器人足球、機器人滅火、綜合競賽到無人機飛行的實現，都可以利用四軸飛行器來實現各種科技活動和競賽.在制作簡易四軸飛行器的過程中，可以學習有關的單片機原理、電子傳感器技術、數字電子技術基礎和模擬電子技術基礎、計算機編程等多門學科的基本知識，體驗飛行帶來的樂趣的同時，還能參加科技競賽，培養學生的創新思維能力和實際動手操作能力.

2.1 創客課程設計思想

一是基于四軸飛行器課堂理論教學，學習基本的知識與概念，二是基于四軸飛行器合作制作開展學習，在“做中學”;三是基于四軸飛行器比賽促進學習.談到“四軸飛行器教學”，大多數人認為其“核心在于編程”，對中學生來說學習難度太大，不適合中學課堂教育的要求.本項目的課堂設計以學生的興趣愛好為主體，多學科之間交叉滲透，激發學生的好奇心和動手動腦興趣，培養學生綜合能力.

2.2 創客課堂教學目標

機器人課程教學主要以四軸飛行器基礎知識與技能的學習、學習的過程與方法、情感態度與價值觀的培養全面展開設計課程.首先是無人機的發展歷程、空氣動力學原理與實際應用，了解機器人對我們生活的改變;二是了解四軸飛行器的基本構成原理、飛行的基本原理;三學生能夠自己進行組裝簡單機器人;四是掌握基本的軟件操作，基于C語言程序實現、PID算法的學習.五是提高學生動手操作能力、創新能力.最終目的為了促進學生的綜合素質提高，使學生成為全面發展型人才.

3 四軸飛行器的結構與運動原理

3.1 四軸飛行器的對稱組成結構

四軸飛行器有兩種飛行姿態，一種是根據四旋翼十字對稱的結構，將處于同一水平線的一對機架梁作為X軸，另一對梁作為Y軸的“+”型飛行姿態;另一種是將相應兩個梁的對稱軸線作為X軸，另一條對稱軸線作為Y軸的“X”型飛行姿態.

3.2 四軸飛行器的運動原理

四軸飛行器有四個輸入狀態，六種輸出狀態.四軸飛行器由四個電機控制，通過四個電機的不同轉速產生的升力，可以做出垂直、俯仰、翻滾、偏航、前后、側向六種輸出動作.

3.2.1 垂直運動

垂直運動主要是使四軸空中機器人獲得升降的功能，由圖1可以看出，1、3與2、4兩對電機向著相反的方向轉動，可以保持對其機身的反扭矩，當四個電機獲得的功率相同時，電機產生的升力與增加的速度相對應將驅動整個四軸空中機器人垂直上升.反之，當四個電機獲得的功率同時減少，四軸空中機器人的電機速度減少，致使四軸空中機器人下降，直至平穩落地，達到了垂直運動.當電機產生的升力與飛行器向下的重力相等時，飛行器就可以完成定高了，故保證四個電機的能同時增減轉速是四軸飛行器能夠垂直運動的前提.

3.2.2 俯仰運動

電機1提供上升的力，電機3提供下降的力，電機2與4不變.為了保證電機的轉速改變之后飛行器整體扭矩不變，電機1與電機3的轉速所產生的升力應該相等.電機1產生的力向上，電機3產生的力向下，機身就可以繞著y軸轉.同理，若電機1產生的力向下，電機3產生的力向上，所產生可使之繞著y軸轉，使飛行器完成俯仰功能.

3.2.3 滾轉運動

與俯仰運動相同，電機1所產生的力與電機3所產生的力保持不變，電機2與電機4的力相同且方向相反，即可使飛行器產生繞x軸旋轉.

3.2.4 偏航運動

偏航操作，又稱旋轉控制，四軸飛行器偏航運動通過電機產生的扭矩進行旋轉，當飛行器在飛行在空中時，當相對一組電機正轉，另外相對一組電機反轉，就會產生與轉動方向相反的反扭矩，使飛行器完成旋轉功能.

4 設計思路及框圖

本項目采用的核心處理器為STM32F4，具有更快的ARMCortex-M4內核計算，其采用了90納米的NVM工藝和ART技術，高性能傳輸數據，四軸飛行器的配件有機架、螺旋槳、電子調速器、電機、電池、飛控、遙控器以及接收機構成，原理為機架將各個零件組裝在一起，電池負責供電，機身上的接收機收到來自遙控器的控制信號后傳給飛控，飛控將信號轉換為調節電調的信號，從而調整電機的轉速進行各種飛行動作.四軸飛行器的設計框圖如下：

5 飛行器硬件設計

5.1 電機與螺旋槳

四軸飛行器所使用的電機一般分為有刷電機和無刷電機兩種，有刷電機多用在空心杯電機和碳刷型電機，目前四軸飛行器上的電機大多用的是無刷電機.無刷電機是使用三相交流電所產生一個旋轉磁場，驅動轉子轉動，速度是由PWM信號控制.無刷電機具有小體積、高效率和穩態轉速誤差小等特點，要配合電子調速器（電調）使用.衡量無刷電機電氣特性的重要指標KV值，物理學意義是指電機每增加1V電壓時，電機空轉的轉速每分鐘增加的次數.當KV值增大時，所產生的扭力會降低，當KV值減小時，所產生扭力會增加，所以KV值決定著螺旋槳的選擇，通常KV值越高的選擇小的高速槳，KV值低的選擇大的低速槳，本項目使用的電機為MT2204無刷電機，KV值為2300KV，與其搭配的槳葉為5045R三葉槳一對，5045L三葉槳一對;如圖4，圖5.：

5.2 電子調速器

電子調速器簡稱電調，電調可分為兩種，一種是有刷電調，控制著有刷電機工作;另一種時無刷電調，控制無刷電機工作，電調就是將飛控輸出過來的控制信號轉化為電流信號，從而驅動電機實現需要的轉速輸出，實現各種飛行姿態，是飛控與電機之間的橋梁.本項目采用無刷電調和無刷電機搭配，如圖6所示：電子調速器與電池連接，信號線輸入與接收機連接，三根信號輸出與電機相連.

5.3 遙控器與電池

遙控器主要用來控制飛行器的飛行與調試，本項目采用富斯IA6遙控器，有6各通道，通道是遙控器的重要參數之一，通道指遙控器可以遙控的路數，通過控制油門來控制供電流的大小，調整機器人的飛行高度和力量.電池為電機動力的能源之源，本項目所使用電池為格式電池，容量為1300 mA，最大充電電流為6.5A，可持續放電32.5A.遙控器與電池實物圖如圖7.

5.4 飛行控制系統

飛行控制系統是飛行器組成的重要一環，飛行器在空中的時候，通過飛控的控制算法，能夠對飛行器的飛行姿態以及運動參數進行實時控制，上面集成了加速度計、陀螺儀、氣壓計、羅盤以及距離傳感器.能夠控制各個電機的轉速進而操控飛行器的飛行姿態，通過GPS與氣壓計能夠實現飛行器定高、自動返航等功能.本項目采用STM32F4飛控如圖8.

6 飛行器軟件設計

6.1 PID算法

PID算法即比例（P）、積分（I）、微分（D）三部分組成，將輸入通過三部分運算得出結果，不斷重復這一過程，直至得到最優結果.

6.2 控制部分設計

控制系統是基于C語言編寫，飛行器將陀螺儀輸出信號等參數，輸入到PID算法中進行計算，得到控制飛行器的PWM，從而穩定飛行器的飛行.另一方面，當飛行器接收到來自控制器方面控制信號之后，通過讀取傳感器的加速度和加速度，計算出目標角度所需的PWM信號.下圖是軟件流程圖：

7 創客教育教學設計

7.1 創客教育教學課程內容及結構

創客教育課程根據學習內容及難易度分為基礎、拓展、發展、能力培養、綜合素質訓練五個課程模塊.基礎模塊偏重于介紹機器人概念、發展歷程、基本原理組成等;拓展模塊是在基礎課程上進行延伸、拓展和補充，讓學生學習四軸飛行器的機械部分、傳感部分、控制與驅動部分;發展模塊是四軸飛行器基于C語言編寫以及PID算法的學習，讓學生掌握基本的C語言編寫，認識簡單的程序結構，能夠進行簡單的程序調試;能力培養模塊通過真實場景的四軸飛行器模擬飛行練習，設計與組裝簡單的四軸飛行器，激發學生對科學技術的好奇心、帶動學生的思維、培養學生的操作能力、創新能力;綜合素質訓練模塊從實際出發，逐步引導學生合作設計自己的四軸飛行器，鼓勵學生積極參加四軸飛行器競技類比賽，培養學生合作能力以及競賽精神.結構圖如11.

經過項目研究，多次試飛與討論，我們決定將無人機課程的教學模式分為三個模塊：理論及組裝課程、模擬飛行課程、飛行課程.在模擬過程中提高同學的手眼協調能力，以及三維空間辨識度，為飛行課程做準備.教-學-做-賽-四位一體的教學模式.具體內容及課時分配如表1所示.

8 結論

“空中機器人教學”項目開展過程中，學生將整個飛行器用散件，通過動手組裝、拆卸、焊接、調試，全面了解了飛行器的組裝過程及飛行原理.組裝過程簡單，適合中學生的課堂教學水準，提高學生對科技的興趣.促進了學生全面發展.此次項目教學鍛煉了學生的動手能力、培養他們對科技的興趣、滿足了中學生對飛行器的好奇心.

參考文獻：

〔1〕王佑鎂，郭靜，宛平.設計思維：促進STEM教育與創客教育的深度融合[J].電化教育研究，2019， 40（03）：34-41.

〔2〕王振堂.中學創客教育背景下基于項目式學習的研究[J].中國現代教育裝備，2018（18）：8-10.

〔3〕孟祥霓，楊雪巖，翟殿棠.基于創新模式的電子設計綜合實訓教學體系及其實踐研究[J].信息系統工程，2010（08）：36-37.

〔4〕王麗華.面向創客教育的初中機器人教學研究[D].廣西師范大學，2017.

〔5〕盛希寧，蔡舒旻.四軸飛行器的系統設計[J].林業機械與木工設備，2018，46（04）：40-43.

〔6〕賈冕茜，王茂琦，蔣玲.一種基于STM32的四旋翼飛行器控制系統設計[J].計算機產品與流通，2017（12）：263-264.

〔7〕喬宏飛，魏遠江，李剛.基于STM32單片機的便攜式自拍四旋翼飛行器[J].電子制作，2018（07）：23-25.

〔8〕程煦，郭珊珊，陳華賓.基于STM32單片機的四旋翼飛行器設計[J].電子世界，2017（03）：121-124.