四軸飛行器是一種利用四個旋翼作為飛行引擎來進行空中飛行的飛行器。進入20世紀(jì)以來，電子技術(shù)飛速發(fā)展四軸飛行器開始走向小型化，并融入了人工智能，使其發(fā)展趨于無人機，智能機器人。

四軸飛行器不但實現(xiàn)了直升機的垂直升降的飛行性能，同時也在一定程度上降低了飛行器機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。四軸飛行器的平衡控制系統(tǒng)由各類慣性傳感器組成。在制作過程中，對整體機身的中心、對稱性以及電機性能要求較低，這也正是制作四軸飛行器的優(yōu)勢所在，而且相較于固定翼飛機，四軸也有著可垂直起降，機動性好，易維護等優(yōu)點。

在實際應(yīng)用方面，四軸飛行器可以在復(fù)雜、危險的環(huán)境下可以完成特定的飛行任務(wù)，也可以用于監(jiān)控交通，環(huán)境等。比如，在四軸飛行器上安裝甲烷等有害氣體的檢測裝置，則可以在高空定點地檢測有害氣體；進入輻射區(qū)檢查核設(shè)施；做軍事偵察；甚至搬運材料，搭建房屋等等。本設(shè)計利用四軸搭載云臺實現(xiàn)航拍任務(wù)，當(dāng)然經(jīng)過改裝也可以執(zhí)行其他任務(wù)。

本設(shè)計方案主要研究了四軸飛行器的姿態(tài)結(jié)算和飛行控制，并設(shè)計制作了一架四軸飛行器，對關(guān)鍵傳感器做了標(biāo)定，并利用用matlab分析數(shù)據(jù)，設(shè)計算法，還進行了單通道平衡試驗調(diào)試，進行試飛實驗取得了一定的效果。

一、方案原理

本設(shè)計采用STM32F4（STM 32F407數(shù)據(jù)手冊）作為核心處理器，該處理器內(nèi)核架構(gòu)ARMCortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特點。主控板包括傳感器MPU6050（MPU6050數(shù)據(jù)手冊）電路模塊、無線藍牙模塊、電機啟動模塊，電源管理模塊等；遙控使用商品遙控及接收機。控制芯片捕獲接收機的PPM命令信號，傳感器與控制芯片之間采用IIC總線連接，MCU與電調(diào)之間用PWM傳遞控制信號。

二、方案硬件設(shè)計

針對前面提出的整體設(shè)計方案原理，本設(shè)計采取模塊化策略,將各個功能部分開來設(shè)計，最后組合起來。

1 電源管理模塊

四軸飛行器要求整體設(shè)計質(zhì)量較輕，體積較小，因此在電池的選取方面，采用體積小、質(zhì)量輕、容量大的鋰電池供電最合適。系統(tǒng)的核心芯片為STM32F103，常用工作電壓為3.3V，同時慣性測量傳感器，藍牙通信模塊的常規(guī)供電電壓也為3.3V，鋰電池的電壓為11.4V，要使系統(tǒng)正常工作，需要將11.4V的鋰電池電壓穩(wěn)壓到3.3V。常用的78系列穩(wěn)壓芯片已不再適用，必須選擇性能更好的穩(wěn)壓芯片。

經(jīng)綜合考慮，本電路采用LM1117-3.3和LM2940-5電源部分的核心芯片。電池電源經(jīng)過LM2940-5降到5V后在輸入LM1117-3.3穩(wěn)壓為3.3V。由于電機部分電流較大，故在飛控電路部分加入了過流保護，使用500mA的保險絲。電路圖如下。

2、方案硬件清單

有關(guān)該方案的硬件設(shè)計圖（用AD軟件打開）和軟件源代碼資料請戳我下載。

三、方案軟件設(shè)計

軟件設(shè)計上由控制核心STM32F4讀取傳感器信息，解算姿態(tài)角，以姿態(tài)角為被控制量融合遙控信息后，輸出到四個電機及兩個舵機以完成四軸飛行控制和云臺的穩(wěn)定補償。下圖是軟件流程：

四、實物展示

五、方案特色和創(chuàng)新性

1）采用STM32F407這樣一款高性能芯片作為控制核心，計算快速，擴展空間大。
2）云臺飛控一體化設(shè)計，既能完成飛行任務(wù)也能實現(xiàn)云臺穩(wěn)定。
3）姿態(tài)算法采用基于四元數(shù)的互補濾波，姿態(tài)角無奇點，比起卡爾曼李春波等高端算法有著計算量小的特點且能投入使用，大大節(jié)約了cpu計算時間，也降低了對cpu的性能要求。
4）利用四軸作為云臺載體有著靈活機動，可讓攝像頭獲得比較好的視野，且云臺能消除四軸機體抖動。
5）方便改裝用于執(zhí)行其他任務(wù)。