董明飛　侯恭　康立鵬　孟瑞鋒

摘 要：文章主要研究四旋翼無人機的組成及其各部分的功能。四旋翼無人機具有造價低廉，小巧靈活的特點。整個四旋翼無人機由遙控器，四旋翼飛行器兩部分組成。飛行控制芯片以STM32芯片為核心，控制算法采用PID算法，從而實現四旋翼無人機的安全穩(wěn)定飛行。

關鍵詞：四旋翼無人機；STM32；PID算法

中圖分類號：V279 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0085-02

Abstract： This paper mainly studies the composition and the functions of each part of the four-rotor unmanned aerial vehicle （UAV）. The four-rotor unmanned aerial vehicle has the characteristics of low cost， small and flexible. The whole four-rotor UAV is composed of a remote control and a four-rotor aircraft. The core of the flight control chip is STM32 chip and the control algorithm is PID algorithm， which realizes the safe and stable flight of the four-rotor unmanned aerial vehicle.

Keywords： four-rotor unmanned aerial vehicle （UAV）； STM32； PID algorithm

1 緒論

1.1 研究背景及意義

四旋翼無人機越來越多的進入人們的生活當中，比起傳統的直升機，四旋翼無人機具備造價低廉，小巧靈活的優(yōu)點。四旋翼能夠節(jié)約資源，且便于攜帶，能進入更多的狹小空間采集所需數據。所以四旋翼常用來進行航拍，監(jiān)控，地形勘測等。因而，四旋翼無人機的研究是現今發(fā)展的趨勢之一。

1.2 本文主要研究內容

對于四旋翼無人機的組成及各部分的功能，本文介紹的主要內容如下：

第一章為緒論，主要介紹四旋翼無人機的研究背景及意義。

第二章主要介紹四旋翼無人機飛行器的硬件，硬件包括遙控器與四旋翼飛行器兩大部分。

第三章為STM32芯片介紹及PID算法的簡介。

第四章為總括與展望。總結本文的基本內容及不足之處并展望未來四旋翼無人機的研究重點與方向。

2 四旋翼無人機飛行器的硬件

2.1 四旋翼無人機遙控器

目前市場上對于四旋翼來說，控制方式主要有兩種：傳統的航模遙控器、藍牙/WIFI等遙控器。相比較于藍牙/WIFI而言，傳統的用于航模遙控器操作手感更好，有效范圍更遠。但是隨著智能硬件的盛行，現在也有很多使用藍牙/WIFI等通信作為遙控器。本文主要介紹傳統的航模遙控器。

傳統的航模遙控器都使用2.4G遙控器，其中著名的品牌包括天地飛、JR、Futaba等。以上這些遙控器的優(yōu)點是控制距離遠、可靠性高、操作簡單、姿態(tài)調節(jié)穩(wěn)定。

因為四旋翼共有八種比較基本的運動狀態(tài)（上升、下降、左旋、右旋、左飛、右飛、前飛、后飛），因此至少需要一個四通道的遙控器來控制四旋翼的姿態(tài)。

2.2 四旋翼飛行器介紹

四旋翼無人機還包括機架、動力系統及控制系統。機架由機身、機臂、起落架構成。機身是用來承載四旋翼所有設備的平臺，從一定程度上來講，四旋翼的安全性、穩(wěn)定性都與機身密不可分。因此在選用四旋翼機身時要綜合考慮機身的尺寸、材料、形狀、重量、強度等因素。機臂決定了四旋翼的軸距，軸距是用來衡量四旋翼尺寸的重要參數，通常被定義為電機軸圍成的外接圓周的直徑。通常情況下，軸距即為對角線上的兩電機軸心的距離。軸距的大小限定了螺旋槳的尺寸上限，從而限定了螺旋槳能產生的最大拉力，進而決定了四旋翼的載重能力[1]。起落架功能包括支撐四旋翼的起飛與降落、保持機身的水平平衡、保證四旋翼與地面有足夠的距離避免螺旋槳與地面發(fā)生碰撞、減小起飛和降落時螺旋槳氣流沖擊地面產生的氣流干擾。

動力系統是四旋翼最主要的組成部分，動力系統的好壞決定了四旋翼主要性能的優(yōu)劣，如承重能力、飛行速度、飛行距離、懸停時間及飛行穩(wěn)定性。動力系統的選擇要相互兼容，否則會使四旋翼無法正常工作。螺旋槳是直接產生力和力矩的器件，合理匹配螺旋槳可以使電機工作更加高效穩(wěn)定。選擇合適的螺旋槳是提高四旋翼無人機性能的一種最直接的方法。一般來說，螺旋槳型號由4位數字組成，如“1045”，前兩位代表螺旋槳的直徑，后兩位代表螺距。螺距定義為扭轉一圈螺旋槳進步的間隔。四旋翼大多選用無刷電機，無刷電機在扭力，轉速方面都有比較良好的特性。無刷電機具體大小反映在型號命名上，例如2212電機，其含義為直徑為22mm，轉子高度為12mm。一般來說越大的電機其轉速和扭力越大。無刷電機KV值定義為“轉速/V”，意思是當輸入電壓每增加1V時，無刷電機空轉轉速增加的轉速值大小[2]。其中，KV值越大，轉速越大，但扭力越小。KV值小則相反。電調的基本功能是接受PWM信號來控制電機的轉速，電調通過對信號進行處理和放大來驅動電機。無刷電調同時還可以把直流電源轉化為三項電源來給無刷電機使用。最大持續(xù)電流和峰值電流是無刷電機最重要的參數，常用的有10A、20A、30A。不同的電機需要裝配不同的電調。電池是四旋翼的動力來源。電池的基本參數包括電壓、容量、內阻和放電倍率。航模專用電池為鋰聚合物電池（LiPo電池），單節(jié)電池的標準電壓是3.7V，充滿電可達4.2V。如選用型號為2200mAh 3S 11.1V 25C的電池，其含義為：電池電流為2200mA·h，電壓為11.1V，3S表示三個鋰電池串聯在一起，25C是放電倍率，2200mA·h 25C，放電就是2.2A×25=55A。

3 STM32芯片及PID算法簡介

飛控板是四旋翼無人機的核心設備，目前，主要的飛行控制板有零度飛控板、玉兔飛控板、MWC飛控板、APM飛控板、NAZA（哪吒）飛控板等。世界著名半導體公司意大利方法半導體公司研制的STM 32系列單片機是高性能單片機的杰出代表[3]。本設計中采用STM32中的STM32F767作為主控芯片。STM32F767由底板和核心板兩部分組成。四旋翼選擇F767作為主控芯片主要是因為其接口與資源豐富，板子提供數十種標準接口，可以方便的進行各種外設的實驗和開發(fā)并且板載高性能音頻編解碼芯片、九軸傳感器、百兆網卡、光環(huán)境傳感器以及各種接口芯片，滿足各種應用需求。

四旋翼在飛行過程中需要及時調整各個電機的轉速來使四旋翼的實際姿態(tài)逼近理想姿態(tài)。PID控制器便是實現這個目的的控制器。其一般控制規(guī)律為：

四旋翼的偏航角、俯仰角、滾轉角理論上相互獨立，所以對四旋翼的姿態(tài)控制可分為三個相互獨立的控制。以其中一個角為例，其它角相同，在“X”飛行模式下的PID控制過程如圖1所示。

4 結束語

通過對四旋翼的組成及各部分功能的學習，了解了四旋翼的基本組成，但本文研究不夠深入，只是給初學者與電子愛好者的一些參考，是為以后的深入學習打下基礎。目前對四旋翼的鉆研主要集中在3個方面：基于慣導的自主飛行控制、基于視覺的自主飛行控制和自主飛行器系統方案。

參考文獻：

[1]全權.多旋翼飛行器設計與控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018：30-31.

[2]黃和悅.DIY四軸飛行器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：18.

[3]馮新宇，范紅剛，辛亮.四旋翼無人飛行器設計[M].北京：清華大學出版社，2017：32-34.

[4]王身麗，黃力，候金華，等.基于多旋翼無人機的復合絕緣子檢測平臺研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2018（06）：10-11+14.

[5]丁承君，何乃晨.基于FMRLC的四旋翼無人機姿態(tài)控制研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（10）：65.