基于Arduino Pro Mini的四轴飞行器

一．四轴飞行器的结构

四轴飞行器属于一种多旋翼飞行装置，有四个轮子来保持悬浮和推进飞行，简称四轴或四旋翼。四轴飞行器的四个旋翼具有相同的大小，位置分布对称，成十字形交叉状。四轴飞行器搭载的飞行控制装置通过调整不同旋翼之间的相对速度达到控制飞行器稳定飞行，旋转或转弯的目的。

四轴飞行器由四个高速电机（M1,M2,M3,M4）带动两对正反桨提供飞行动力。四个电机前后，左右对称分布在机体四个顶点上，四个螺旋桨处于同一平面，且四个螺旋桨的尺寸相同。对角线上的两个电机分为一组，每组电机旋转方向相同，而两组电机的旋转方向相反，分别安装正桨和反桨，由此可以抵消反扭力矩。

根据四轴飞行器飞行过程中定义的机头方向不同，可分为“+”型飞行模式和“X”型飞行模式。四轴飞行器机架中部的空间为飞行器的控制核心，犹如人体的大脑，在这里安装飞行器控制单片机和一些用于检测飞行姿态的传感器。飞行过程中只需要改变四个旋翼的转速即可实现自转，以及前后，上下和左右移动，甚至360度翻转等各种复杂的运动。

二．四轴飞行器的各个重要部件

四轴飞行器主要由四个电机（M1,M2,M3,M4）,两对正反桨，四个电子调速器（ESC），主控板和通信模块组成。主控板中包含陀螺仪，加速度传感器，气压计，磁传感器等各种用于飞行控制的传感器。电源一般选择高倍率锂电池，悬挂于中下部。

（一）电机

四轴飞行器采用的是XXD A1510 KV2200电机。

该电机是无刷直流电机。它没有电刷，因此几乎不需要维护。无刷直流电机不会产生电火花和电磁干扰。可以在危险的操作环境中使用。此外，无刷直流电机的线圈被连接到定子上，具有良好的重量/尺寸功率比，具有较小的转动惯量。

在搭建四轴飞行器时需要考虑两方面的因素。一方面是无刷电机的机械结构，包括外形尺寸，外径，长度，轴径，重量等；另一方面是无刷电机的电气指标，如电压范围，空载电流，最大电流等。

在衡量无刷电机电气特性时还有一个重要的电气指标，就是KV值。KV值的物理学意义是没增加1V电压时增加的转速，单位是rmp/V,用于衡量电机转速对电压的敏感度。例如KV1800的电机，在电压每增加1V时，电机每分钟转速提高1800转。

（二）桨

四翼飞行器为了抵消由于桨旋转而产生的扭矩，相邻两个的桨的旋转方向是反向的，因此这就需要正反桨。正反桨的动力都向下，在满足动力的情况下，顺时针旋转的叫正桨，逆时针旋转的叫反桨。

用于四轴飞行器的主要有三叶桨和两叶桨。从尺寸上来说，常见的是大两叶桨和小三叶桨。

电机与桨的匹配是最基本又相对复杂的问题。我们可以通过一些经验值，以及通过测量效率，来确定电机和桨的搭配。通常情况下：
桨的尺寸越大，升力就越大。

桨的转速越大，升力就越大。

电机的KV越小，转速就越低，但电机转动力量就相对越大。

电机的KV越大，转速就越高，但电机转动力量就相对越小。

根据上的基本理论，我们可以得到一下结论：
大尺寸桨需要配低KV电机；小尺寸桨就需要配高KV电机。这是因为需要用更高的转速来弥补因为桨尺寸小而导致的升力不足。

在实际情况中，如果使用高KV的电机配大桨，因为电机转动力量的不够，那么动力输出就很困难，实际上电机还是被迫保持低速运转，而长时间运转下电机和电调都很容易被烧毁。而如果低KV的电机配小桨，虽然可以正常运行，但是由于转速太低，桨无法提供足够的升力，因此四轴飞行器根本无法起飞。

基于以上考虑，我们的四轴飞行器采用5045三叶正反桨。

（三）电子调速器

电子调速器简称电调，英文是electronic speed controller,简称ESC。电调最基本的功能就是接受飞控板的控制信号，通过改变控制信号的频率，从而改变电流的大小，以达到控制电机转速的目的。在控制不同类型的电机时，电调可分为两种。控制有刷电机的为有刷电调，控制无刷电机的为无刷电调。

无刷电机在正常工作时电流是很大的，平均有几安培，而在急速拉升的情况下，可以达到几十安培。而飞控板本身并没有直接驱动无刷电机的能力，它无法承受这样大的电流。因此飞控板只能通过电调来间接地控制无刷电机。

在实际的测试中，XXD A1510 KV2200的无刷电机配5045桨，最大电机电流有可能达到7.2A。为了控制的安全与稳定，建议使用10A电调。因此我们选用好盈FLYFUN飞腾10A无刷电调。

（四）机架

四轴飞行器在选择机架时的基本原则是重量轻，强度大。这也是很多飞行器在考虑机身材料时的首要因素。目前常见的四轴机架多采用的是铝合金，碳纤维，波纤维等。我们的四轴飞行器采用的是X240玻纤维机架。

还有一些Mini四轴直接将各种元器件集成在了一张PCB板上。为了方便设计和安装，通常玻纤维，铝合金，碳纤维材料搭配使用。当然采用整体的碳纤维设计是比较理想的。但是成本也比较高。

在设计机架时，首先自身要尽量保持对称，保证重心的位置。其次才能保证后续电气元件安装的顺利进行。机架的重心应该调整至与各旋翼产生相同大小的拉力时“合力”点上。这样，四轴飞行器在悬停时电机就能保持相同的拉力，从而转速也相差不多。

如果重心偏差了合力点，四轴飞行器悬停时飞控就需要改变四个电机的差速，从而改变电机拉力的大小，由此来平衡由于合力点相对重心的偏移而产生的扭矩。偏移距离越大，需要调节的速度差越大。而四旋翼飞控正是通过转速差来修正姿态的。因此悬停时若存在速度差，会导致姿态修正能力下降（因为拉力组合变化范围变小了）。

因此，在设计机架时，首先要找到其合力点，最后通过调整设备安装位置将重心调整到这个点。

（五）电源

四轴飞行器使用的是锂电池与我们日常生活中笔记本电脑，手机使用的锂电池是不同的。日常生活中的一些常见的锂电池大多为常规锂电池，而四轴飞行器使用的是高倍率锂电池。

高倍率锂电池和常规锂电池的主要区别在于放电能力上。放电倍率是衡量高倍率电池的重要指标。电池的放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。

例如，一块电池的标称额定容量为800mAh,那么该电池1C（1倍率）就为800mAh,400mAh则为0.5C，8A（8000mAh）则为10C。如果这块电池的放电倍率为10C，那么这块电池的最大放电电流为8A。

单节锂电池的标称电压为3.7V。通常锂电池充满点约为4.7V，而放完电约为3.0V。另外电池容量也是有一定设计限度的。所以，通常将单节锂电池进行串联，并联处理，来满足不同场合的需求。单节锂电池称为1S，两节锂电池串联为2S，电压为7.4V。

通常半径为240mm的四轴飞行器可以采用1300mAh,20C的锂电池。

（六）主控板（飞板）

飞控是四轴飞行器的控制核心，犹如人的大脑。它用来保持四轴飞行器的飞行稳定。发出指令改变四轴飞行器的飞行姿态，其性能的优劣直接决定了四轴飞行器的性能。常见的飞控有KK,KK FLYCAM,NAZA-M,MWC,APM,FF,零度等等，其中大部分是开源项目。随着电子硬件的快速发展，目前对飞控的研究主要集中在软件算法上。

本四轴飞信器的飞控是基于ARDUINO PRO MINI,采用MWC开源固件的MULTIWII STANDAD EDITION.

MULTIWII STANDAD EDITION.

1，采用ATMega328p单片机。

2，集成了MPU6050数字三轴陀螺与三轴加速度传感器，BMP085数字气压传感器，HMC5883L三轴数字磁阻传感器

3，分离的双路电源稳压器，3.3V/5V的最大电流为150mA/500mA

4，双路电源指示LED,3.3V/5V的颜色为红色/绿色

5，高亮度状态指示蓝色LED

6，专用I2C电平转换IC

7，FTDI接口带保护二极管及500mA限流保险丝

在主控板的控制下，陀螺仪，加速度传感器，大气压传感器，磁传感器在四轴飞行器中的作用和使用上的注意事项如下。

1，陀螺仪输出的是角速度，如果计算角度就需要对角速度进行时间积分，这样我们就可以知道四轴飞行器在某一段时间内的角度变化。由于陀螺仪的测量基准是其自身，没有系统外的绝对参照物，而积分时间又不可能无限小，所以积分的累计误差会随时间流逝而增加，最终将导致输出角度与实际不符。所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间内。

2，加速度测量的是重力方向。在无外力加速度的情况下，能准确输出四轴飞行器ROLL/PICH两轴姿态角度。但是加速度传感器实际上是MEMS技术检测惯性力造成的微小形变，而惯性力与重力本质是一样的，所以它就不会区分重力加速度与外力加速度。因此当四轴飞行器在三维空间做变速运动时，它的输出就不正确了。

结合陀螺仪和加速度传感器各自的优缺点，只要给陀螺仪加上加速度传感器提供的绝对的水平和航向参考，就能准确反映四轴飞行器的姿态变化。

3，大气压传感器用来测量四轴飞行器的飞行高度的，作用是让四轴飞行器能够实现定高飞行。当测量海拔高度时，传统的测量方法是通过测量某一高度的大气压力，再经过数学计算得到海拔高度。

4，磁场传感器是给四轴飞行器提供一个方向的基准。四轴飞行器在设计上依靠调节四个电机的转速来抵消扭矩，这就需要利用地球南北极磁场提供一个方向上的基准。如果不使用磁场传感器，四轴飞行器在悬停时，会绕自身的垂直轴旋转，无法保持机头的锁定。

（七）遥控通信

对四翼飞行器的控制离不开无线通信。我们可以利用无线电波向空中的四轴飞行器发送动作指令信号，四轴飞行器就能够根据指令信号做出各种飞行姿态，同时，无线通信不仅限于对四轴飞行器的姿态控制。飞行器上搭载的各种传感器采集到的数据也可以实时地通过无线传输发回给我们，从而实现数据监察，信息收集，测量测绘等目的。

本四轴飞行器采用的是7通道“天地飞WFT07”比例遥控设备。它具有两根分别控制1，2通道和3，4通道的操纵杆，主要用来控制飞行器的运行姿态，在控制端上方，设置有4个通道开关K1,K2,K3,K4。K1，K2混合控制5通道，K3,K4分别对应遥控器的6，7通道，主要用来设置四轴飞行器的一些飞行模式。

三．四轴飞行器的飞行原理

为方便四轴飞行器的简化分析，我们主要以“X”模式为对象进行研究。电机M1,M3为一组与另一组M2,M4的转向相反，因此可以抵消机身产生的反扭力矩，并且都产生向下的推力。

（1）上升，下降，悬停

当M1,M2,M3,M4产生的上升力F大于飞行器重力mg时，四轴飞行器上升。如果上升到一定高度后减小四个电机的转速，当F等于mg时，飞机悬停。如果继续减小四个电机的转速，当F小于mg时，四轴飞行器下降。

（2）俯仰，横滚

其中一条对角线上的一组电机转速保持相同，如果另一组电机中，一个转速增大，一个转速减小，那么飞行器就会向速度减小的一侧运动，即产生俯仰，横滚的姿态。

（3）偏航

当其中一组电机转速与另一组电机转速不同时。飞行器自身无法抵消反扭力矩，飞行器会绕中心旋转，产生偏航姿态。

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