基于STM32的马克1号飞行器的研究与设计

郭恒吉 赵亮 黄余双 杨乐虎

摘 要：四旋翼飞行器的飞行技术长时间以来都是研究的重点方向，关于这方面的课题也越来越多，受到很多无人机爱好者的青睐和关注。飞行器体积很小，重量很轻，而且耗能也很低，可应用与各个方面，如洒农药、侦察、执行高空飞行任务以及搭载重物等等。本文简要介绍了本项目的研究对象“马克1号”的基本结构和本项目的主要研究内容，对马克1号四旋翼飞行器的发展意义做出了分析。

关键词：STM32;马克1号;飞行器

飞行器近几年发展得很火热，四旋翼飞行器也是很多飞行器爱好者的心头爱，越来越多的课题专注于飞机建模和模拟的有效性，以验证其控制策略是否有效可行。通过研究马克1号四旋翼飞行器可以了解飞行器的姿态调整、互补滤波、PI、PD控制并用马克1号实现航拍，对地面的监控等。

一、马克1号基本结构

下图是我们制作的四轴飞行器的抽象图;

不难看出，将四个螺旋桨的转动速度改变就可以控制四轴飞行器的动作，将四个螺旋桨的力矩和力改变就可以控制四周飞行器的姿态。

下面我介绍下四轴飞行器的基本组成部分，四轴飞行器主要由以下几部分组成：

第一部分：机翼。机翼由电机和螺旋桨组成，电机和螺旋桨分别有四个，除了二者外还包含有些许固定器件。电机方面，分别有两种类型（有刷、无刷）。螺旋桨有两对，包括正螺旋桨和反螺旋桨。正螺旋桨与反螺旋桨的旋转方向不同，前者是顺时针，后者是逆时针。

第二部分，电机。四旋翼电机为空心杯，桨叶46mm，电池用的小型锂电池，对角电机轴距92mm*92mm。无刷直流电机是是四旋翼飞行器主要的、常用的电机类型。其优点有：第一，结构简单，可以方便安装与拆卸;第二，容易控制，更好的保障飞行器的安全。

第三部分，飞控板（飞行控制器）。飞控板不仅可以保持四轴飞行器的平衡，还可以改变左右两边的力量大小，调整四轴飞行器的飞行状态，假使失去飞控板，四轴飞行器就会失去平衡，冲撞翻滚。

第四部分，机架。机架的轴长短以保证四个螺旋桨的乱流不互相影响为准，同时还要考虑飞控板安装的位置。

除上面提到的这些外，还有遥控接收器、电子调速器等，都是四轴飞行器重要的组成部分。

二、马克1号项目研究内容

在硬件设计方面，包括以下几个结构：

第一部分，电源。电源供给包括三部分。第一部分为接收机提供供给，4.2V以上的电压是接收机对电源供給的要求;第二部分是为电调供电从而驱动电机，电调内部设有BEC模块，锂电池功率大，可以作为不错的选择;第三部分是为开发板供电，这一部分可以用稳压模块来供电，因为稳压模块更加的稳定。第二部分，惯性测量传感器。分为角速度传感器、加速度传感器和三轴地磁传感器。第三部分，遥控接收器。通过将信号编码再解码并处理完成工作。第四部分，电机驱动模块。

在软件设计方面，包括以下几个结构：

第一部分，上位机。上位机可以显示各种数据，如电量、姿态等，还可以校正传感器，是软件设计中很重要的组成部分。第二部分，下位机，决定飞行器的安全与稳定，是MCU里面的程序。

在项目中，第一步我们先要将四驱飞行器的动力学模型建立起来。PID是实用性很强、灵活性强、应用领域很广泛的一种控制器，基于PID算法，我们可以先设计出飞行器的控制系统，即PID控制，这样参数比较容易整定。其次，将Backstepping（反步法）应用于控制系统和自适应控制系统。最后进行对模块的仿真，可以知道哪种控制系统更加占优势。

三、项目研究意义

四旋翼飞行器在实际生活中有很多用处，生产生活的各个方面都对其有很大的需求，不仅能够大大降低作业成本，而且可以有力保障人员的安全。现在的飞行器在商业，农业，军事，消防，工业方面的前景是非常广阔的，在军事方面，飞行器可以执行侦察与营救任务，达到一系列军事目的，比如在四旋翼飞行器携带军事武器等等，飞行器的研究意义重大。在地质研究方面，飞行器可以起到收集科学的数据，对地质和林业进行勘探;影视制作方面，可以进行航拍，来更好的优化摄影效果;农业生产方面，可以用来进行高空洒农药，监控农作物生长速度，从而及时进行病虫害防治，进行田地的勘测，而装有太阳能电池板的四旋翼飞行器可以进行种子的播撒。

它的主要优点包括：很好的保证人员安全，同时，人员也很容易上手操作，操控性很强。旋翼式飞行器在固定翼飞行器的条件上取得了很大的进步。较固定翼飞行器相比，旋翼式飞行器在起飞和降落时，所占的空间小。同时不仅可以很好的灵活的躲避障碍物，而且旋翼式飞行器的能够很好地保持姿态能力。

四、结语

科技在不断地发展，新的控制理论不断出现，也在不断的完善。四旋翼飞行器的发展趋势也会越来越好，研究者也将不断扩大四旋翼飞行器的应用领域，向着智能化不断发展，小型高效的新能源也会应用其中，从而能够更好地造福社会。

参考文献：

[1]何瑜. 四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究[D].电子科技大学，2015.

[2]廖懿华，张铁民，廖贻泳. 基于模糊-比例积分偏差修正的多旋翼飞行器姿态测算系统[J]. 农业工程学报，2014，30（20）：19-27.

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