1.选题的背景与意义

1.1四旋翼的发展背景

早在1907年，由Breguet-Richet发明的世界上第一家四旋翼飞行器升空。四旋翼飞行器通过平衡4个螺旋桨的升力及力矩来实现稳定盘旋和飞行。但由于构造复杂，不易操作等原因，四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。直到20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）和微惯性（MIMU）以及飞行控制等技术研究的成熟，多旋翼飞行器的自动控制器出现了。只需等待速度比较快的单片机诞生，MEMS成功去燥的时刻。直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。

四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述，最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到2009年的著名印度电影《三傻》。2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便，灵活，安全，控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。

1.2四旋翼的发展现状

近年来，在无人机应用与实验领域，四旋翼无人机被认为是最好的平台。四旋翼飞行器实验平台采用ARM处理器控制无刷直流电机并且通过加速度传感器和陀螺仪的反馈数据进行飞行器的平衡控制和姿态调节。

随着军用和民用市场的广阔应用需求以及四旋翼本身独特的性能，四旋翼飞行器已经成为航空学术研究中的热点问题，小型四旋翼飞行器具有4个螺旋桨，并且螺旋桨成十字交叉结构的旋翼式飞行模式，由4个独立的电机分别驱动，4个旋翼蝶型分布，分别以顺时针和逆时针两个方向旋转，对角线上的电机转动方向相同，相邻电机转动方向相反，通过调节4个电机的转速可实现俯仰，横滚，偏航等飞行动作，并有可悬停，机动性，方向控制灵活等优点。

目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为3类：

1遥控航模四旋翼飞行器，用于航拍。如美国Draganflyer公司研制的DraganflyerⅢ和香港银辉（silverlit）玩具制品有限公司研制的X-UFO

图1.1 DraganflyerⅢ                                 图1.2 X-UFO

2小型四旋翼飞行器，用于探测。如瑞士洛桑联邦科技学院（EPFL）的OSA，宾夕法尼亚大学的HMX4和佐治亚大学的GTMARS

图1.3 OS4Ⅰ                                         图1.4 OS4Ⅱ

图1.5 HMX4                                       图1.6 GTMARS

3微型四旋翼飞行器，多飞行器协同完成任务。如斯坦福大学的Mesicopter

图1.7 Mesicopter

1.3研究本课题的意义

科技的快速发展与不断创新，使得四旋翼飞行器的发展空间更加宽阔。自主四旋翼无人机在远程检查，监控，军事等领域具有巨大优势。作为一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器，军用上的攻击，民用上的商业，航天上用的运输等等都是四旋翼非常积极的发展方向。小型的四旋翼飞行器特别适合在近地面环境（如室内，城区和丛林等）中执行监控，侦查等任务；与此同时，它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一；另外，新颖的外形，简单的结构，低廉的成本，卓越的性能以及独特的飞行控制方式使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际上新的研究热点。

自动控原件与线路涉及了多种电机的选择与应用。作为哈工大航天学院的一份子，本着对无人机的好奇心与探究欲，我们选取了四旋翼飞行器为研究对象。虽然我们只是本科生阶段，且没有什么太大的基础，故而在浩瀚的知识海洋中也只能浅尝辄止，但本着航天人的骄傲，针对电机和控制部分，开始了了解四旋翼飞行器的征程。

2. 四旋翼的工作原理和预设计

2.1四旋翼的组成

四旋翼飞行器旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图2.1所示。

图2.1 四旋翼飞行器的结构形式

四旋翼一般包括微处理器，4套电子调速器、无刷直流电机和螺旋桨，陀螺仪地面遥控器和无线通信模块，电池等部分。

2.2四旋翼的工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

图2.2 四旋翼飞行器沿各自由度的运动

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

（2）俯仰运动：在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

（3）滚转运动：与图（b）的原理相同，在图（c）中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图（d） 中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。

（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图（e）中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图（b）的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图（b）,图（c）中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。）

（6）倾向运动：在图（f）中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

2.3设计任务

起飞平稳流畅，飞行过程稳定，操作性能高，转弯流畅，容易控制，抗干扰，反应灵敏，降落缓冲稳定，不造成伤害：

（1）飞行器在一定外界风力影响下能够有效地进行姿态自动稳定控制，在没有人工干预的情况下能够保持姿态稳定并在空中悬停30秒以上；

（2）分别使用超声波传感器和气压计进行低空和高空定高飞行时，具有较高的控制精度；

（3）当使用遥控器进行人工遥控操作时，飞行器能够顾及时的做出形影并且能够准确完成指定的动作；

（4）飞行器能够持续飞行10分钟左右。

2.4机构要求

四旋翼飞行器要求保证结构均质性，对称性和稳定性。匀质性要求材料的质地均匀，对称性要保证机械架构三维上的对称性，稳定性要求机械器件连接牢固并且在起飞和着陆时机架有抗击能力。机身支架的材料使用硬质铝管。其他要求如下：

   采用高精度的加速度计作为测量单元：根据惯性导航的原理，载体的位置信息是用对加速度信息的两次积分运算得到的，故加速度信息的误差将导致位置误差随时间的平方增长。为了达到足够的精度的定位要求，要求加速度计的精度不低于10^-4克。

采用高性能的陀螺仪维持一个稳定的导航坐标系：载体的加速度，速度和空间位置都是矢量，只有分解到导航坐标器的3个轴上才能进行运算，故而必须在载体内部建立一个稳定的导航坐标系。一般要求陀螺仪的精度不低于0.01°/h。

有效的分离运动加速度和重力加速度：加速度计并不能区分检测到的加速度是运动加速度还是重力加速度，一种解决方法是利用陀螺仪维持一个当地水平坐标系，使水平加速度计的测量轴与当地水平坐标系重合，这样可以避免加速度计感受重力而间接地补偿掉重力加速度分量。

运算装置要有足够的运算精度和运算速度：导航解算只要包括以下几个方面的运算：由加速度信息进行两次积分运算得到的位置信息；方向余弦矩阵解算；陀螺仪和加速度计的常值误差和随机误差的估算和补偿运算。

3.功能需求和性能指标

3.1功能需求

在器件完备且运行成功的基础上，四旋翼飞行器能实现垂直，俯仰，滚动，偏航，前后，侧向，悬停等运动，并支持在小角度能变换姿态，实现航拍。与此同时尽可能地节约电能，减少噪声。

3.2性能指标

最大控制运动距离：150米

续航能力：10分钟

最大翻转角度：10°

尺寸体积：≤40*40*20

净重：≤1000克

驱动电机最高转速达到6000rpm

电子调速器的最大电流不超过30A

最大上升加速度：≥7.9m/s2

单位翻转度数稳定响应时间：0.8s

单位翻转度数最大超调量：30%

最快飞行速度：8m/s

最大下降速度：2m/s

最大飞行高度：默认高于地平面100米

最大旋转率：65dps

最大滚转角度：10°

低空高度测量精度：1cm

高空高度测量精度0.3m

控制角精度/角振动范围：±0.02°

工作温度范围：-5℃-40℃

4.总体方案

4.1硬件系统总体设计

我们的目标是要实现在器件完备且运行成功的基础上，四旋翼飞行器能实现垂直，俯仰，滚动，偏航，前后，侧向，悬停等运动，并支持在小角度能变换姿态，实现航拍。与此同时尽可能地节约电能，减少噪声。

为了达到控制四旋翼飞行器，使四旋翼可以自由悬停、运动性能好的特性，我们用ARM控制器进行控制，电子调速器传递PWM信号给电机，电机传动给螺旋桨，用加速度传感器测量角度，用陀螺仪记录角速度，气压计和超声波传感器确定位置，摄像头实现航拍，锂电池给系统供电。

图4.1 硬件系统结构

硬件系统主要包括飞行器平台、微控制器最小系统、无线遥控接收系统、动力系统、供电电池和传感器模块等几个部分。各部分的主要功能介绍如下：

(1) 飞行器平台是其他所有部分的载体；

(2)微控制器最小系统是核心部分，起到数据处理和协调控制其他部分的作用；

(3) 无线遥控接收系统用于对飞行器进行远程遥控操作；

(4)动力系统由电机及驱动器和螺旋桨组成，作用是为飞行器提供足够的升力和推进力；

(5)供电电池为整个飞行器提供电能，确保各个部分的正常工作；

(6)传感器模块为飞行器提供姿态和高度等信息，是飞行器姿态控制系统的重要

组成部分。

4.2软件系统总体设计

 

图4.2 软件系统整体框图

软件系统各模块的主要功能介绍如下：

(1)初始化模块：为硬件和软件系统进行初始化操作。

(2)无线遥控模块：解码接收到的无线遥控指令。

(3) 电机驱动器控制模块：调解电机转速。

(4)报警模块：当飞行器处于异常状态时控制报警器发出声光报警信号。

(5)AD模块：检测航模锂电池电压。

(6)传感器数据采集模块：获取多种传感器产生的测量数据。

(7) 飞行控制模块：包括姿态检测和姿态控制模块，前者根据传感器测得的数据计算飞行器的姿态信息，后者根据飞行器的姿态信息和外界遥控指令对飞行器的姿态做出调整控制。

(8)主逻辑模块：控制各模块的执行时机和执行频率，并与各模块进行数据交互。

(9)

5.动力系统模块设计

我们设计的四旋翼飞行器，预期实现垂直，俯仰，滚动，偏航，前后，侧向，悬停等运动，并支持在小角度能变换姿态，实现航拍。而要实现这些，它的动力系统设计就是非常重要的一部分。

我们打算用STM32型ARM控制器发出控制信号，控制电机电子调速器，进而控制无刷直流电机和螺旋，控制四旋翼飞行器的飞行速度、姿态。

5.1四旋翼飞行器数学模型

对四旋翼飞行器进行数学建模是对四旋翼飞行器进行定性和定量分析的基础，决定着对四旋翼飞行器控制算法设计的成败，因此是一个十分重要的步骤。对四旋翼飞行器的数学建模主要包括建立其无刷直流电机模型、螺旋桨转动模型。

5.1.1电机模型

无刷直流电机就是带有电子换向器的永磁直流电动机，所以特性与直流电动机相同。

以角速度为输出量，令干扰力矩Te=0，直流电动机的传递函数为

一般情况下有 ，此时上式可写成

当 很小， 远远超过了控制系统的通频带时，直流电动机的传递函数可简化为

对四旋翼的无刷直流电机来说，一般 很小，此时，化为时域可得

5.1.2螺旋桨模型

旋翼飞行器和固定翼飞行器相比，气动力是非线性的和非定常的，气动环境要复杂得多，因此很难精确地建立其数学模型，忽略次要因素得到近似的数学模型如下：

其中T为螺旋桨产生的升力，D为空气阻力，Q为螺旋桨扭矩，L为螺旋桨侧向力矩，R为螺旋桨桨叶半径，A=πR²为螺旋桨的桨盘面积_， 为空气密度， 、 、 和 分别为螺旋桨的拉力系数、阻力系数、扭矩系数和侧倾力矩系数。

5.2电机和螺旋桨的选择

四旋翼飞行器的飞行速度、姿态完全由四个电机的速度决定，电机的选择对四旋翼来说是非常重要的。

常见的电机有以下几种：直流电机、异步电机、同步电机、步进电机、无刷直流电机、直线电机与超声波电动机。

首先我们为了灵活地控制四旋翼，直线电动机用于直线运动、超声波电动机用于高级镜头调焦等微型场合均不适合。

同步电机一般功率小且一般用于恒速的场合，对于我们灵活改变速度的四旋翼不太适合。

同样步进电机也属于小功率的电机，不适合调速运行。

异步电机没有换向器和电刷，可以制成大转矩、大容量电机，但是其调速不便，不适合作速度伺服电机。

航模中常用的电机主要有有刷直流电机和无刷直流电机两种，有刷电机转矩大、调速范围宽、成本低、控制简单但重量大、有换向器、需要维护、寿命短；直流无刷电机成本高、控制复杂，但重量轻、能量密度高、力矩大等特点，采用非接触式的电子换向方法，消除了电刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，相同体积的无刷直流电机效率远远高于有刷直流电机，因此可以不经减速直接驱动螺旋桨，减小装置体积。

因此我们打算选用无刷直流电机。

5.2.1电机分析

通过对网上无刷电机的研究，无刷电机都如此标注——以“朗宇X3508S-700KV”为例：

其中朗宇SunnySky XS是一个X系列的衍生版，专为多旋翼设计；

3508表示电机型号，前面两位是定子直径，后面两位是定子高度，单位是毫米。即电机定子直径为35mm，定子高度为8mm。

而700KV是电机的KV值为700，KV值是每1V的电压下电机每分钟空转的转速，700KV，表示在1V的电压下，电机空转转速是700转每分钟，则在10V的电压下，电机空转转速是7000转每分钟。

由所学知识可知，此处的空转意为电机理想空载，而电机理想空载时有，

则 ，此处的 即KV值，

而电枢转子受到的电磁转矩为T_em，知  且

则 ，即KV值越小相同电枢电流，电枢转子所受到的电磁力矩越大，即能带动的力矩越大。

5.2.2螺旋桨分析

四旋翼中，为了获得比较理想的飞行控制效果电机与螺旋桨应搭配选择。为了满足升力的需求，针对电机的大小，螺旋桨选取的大小也不同，且要尽可能满足螺旋桨的效率。螺旋桨规格，一般由4位数字表示，前两位数表示直径，后两位表示螺距。以APC1060浆为例，10表示桨的直径是10英寸，60表示浆角（螺距）为6.0英寸，也就是152.4mm。APC系列螺旋桨是由美国知名大厂Landing Products设计生产,其公司除设计模型用螺旋桨之外也设计载人飞机所使用的螺旋桨。

由螺旋桨的转动模型可知螺旋桨所产生的升力 ，螺旋桨扭矩 ，即螺旋桨的半径R越大，相同转速，所能提供的升力越大，但是与此同时，需要电机提供更大的扭矩来驱动；螺旋桨的转速越高，升力越大，与此同时，也需要电机提供更大的扭矩来驱动。

而四旋翼为了减轻重量，减小装置体积，不经减速器，直接驱动螺旋桨，而且希望电机转速相对低，这样电机的运行平稳，有利于航拍。因此，需要相对低的KV值的电机（根据经验，一般四旋翼一般选择KV值为1000左右的电机。），相对大的螺旋桨。（朗宇和新西达2212的动平衡很差，高速运行时振动很大）

电机实际运行时， ，

而升力 ，为使升力增加，需增大电机转速 ，而增大转速后螺旋桨扭矩 增大，则应增大T_em， 则应增大 ，所以电压 也应增大才能满足需求。

5.2.3需求分析

正常飞行时，螺旋桨产生的升力应保证约为四旋翼的重力。而直流电机的工作特性如下图所示，可知电机效率有一个最大值。若正常飞行时，电机效率保持在最大值附近，才能够很好的保证续航能力。

图5.1 直流电动机作特性

由实验知，大多数的电机在3A-5A的电流下效率是最高的。为使电机满足连续工作的要求不过热，同时能够提供足够的功率。则所选电机在3A-5A时，升力应能满足重力的需求。

我们所设计的四旋翼净重：≤1000克。

则所选电机在3A-5A时，一个螺旋桨产生的升力应大于250g

而为了良好的飞行，四轴的升力除了把自身抬起来之外还要用一部分力来前进后退，左右横滚，最关键的还有抗风。而且由上面的分析可知，电池电压降低后，升力会大大降低，可能会导致炸机。实践经验，应选取合适的电机和螺旋桨，使螺旋桨产生的最大升力为四旋翼重力的2.5倍，以完成这些动作和抗风。如果超过这个界限，电机将高负荷运行，效率变低，电流将超过额定电流，转速超过合理转速，电机振动变大（朗宇和XXD2212的动平衡很差，高速运行时振动很大）影响飞控自稳，四旋翼起飞后将不断颤抖，一遇到风就摇摇欲坠。

则电机和螺旋桨配合，使螺旋桨产生的最大升力至少为2500g，即一个螺旋桨产生的升力为625g。

5.2.4电机和螺旋桨备选方案

（1）朗宇X2212KV980

尺寸：直径28mm 高30mm轴径3mm

重量：55g(含香蕉头及线)

价格：78元

测试数据：

表5.1 朗宇X2212KV980

（2）新西达A2212

尺寸：直径27.8 高27mm轴径3.17mm

重量：48g

价格：24元

测试数据：

表5.2 新西达A2212KV1000

测试数据：

表5.3 新西达A2212KV1400

（3）EMAX银燕MT2206

尺寸：直径27.9 高31.2mm轴径3mm

重量：31g

价格：80元

表5..4 EMAX银燕MT2206

对电机部分的要求有：驱动电机最高转速达到6000rpm，电子调速器的最大电流不超过20A，最大上升加速度≥7.9m/s²，还有之前推算的升力大于635g。

三款电机外形尺寸相近，在11.1V电压时，第三款电机不能达到635g的升力要求，故不选。而朗宇X2212 KV980和新西达A2212都能满足所有的要求。相之比下，朗宇电机显然效率高一些，但是朗宇电机价格、质量均比新西达电机高，加以权衡，在均能达成目标的情况下，还是选新西达电机性价比高一些。而新西达的KV1000和KV1400两种电机，KV1400电机虽然可以采用两节锂电池，但留的裕量不太够，仅能提供650g升力，若采用3节锂电池又有些浪费，因为它用1047和1060桨时均达不到11.1V的电压。综上，我们选用新西达A2212KV1000电机，它能满足电机的所有要求。

而新西达A2212KV1000电机三个推荐螺旋桨性能相当，1047桨的升力比其他的高，所以可以选择1047桨。

经过查找，我们选择了皓业的1047桨

参数如下：

直径：10英寸 (254mm)

螺矩：4.7英寸（119.38mm）

孔径：3mm

重量：7g

价格：1元

 

安装螺旋桨的方式：采用桨座安装与免桨夹的碳桨安装，桨座的端面滚花，使用更稳定，采用碳桨的，配桨盖，更好的保护螺旋桨，防止压伤变形，且锁紧接触面大，飞行更稳定。四旋翼安装4个桨片，一个电机一个，2个正桨2个反桨，2个顺时针2个逆时针的桨片按照循环排列，一对桨片往左扭，一对桨片往右扭来抵消掉桨片转动时发出的自旋扭力，使之均衡。

5.3无刷电机的工作原理

我们设计采用的是新西达A2212KV1000电机，

它虽然是三相电机，但是，不同于我们一般想象中的电机，它不是内转子电机，而是外转子电机。它的定子绕组固定在底座上，转轴和外壳固定在一起形成转子，插入定子中间的轴承。如图5.2所示。

图5.2 新西达电机结构

外转子无刷直流电机较内转子来说，转子的转动惯量要大很多（因为转子的主要质量都集中在外壳上），所以转速较内转子电机要慢，通常KV值在几百到几千之间，用在航模上可以直接驱动螺旋桨，而省去了机械减速机构。

新西达A2212KV1000电机，其内部线圈是12绕组，14极(7对极)。其绕线方式如图5.3所示

图5.3新西达2212电机的绕线方式

（a）AB相通电情形     （b）AC相通电情形   （c）BC相通电情形

（d）BA相通电情形    （e）CA相通电情形        （f）CB相通电情形

图5.4 新西达2212电机两两通电的6种情形

图5.4详细画出了6 种两相通电的情形，可以看出，尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化，但从电调控制的角度看，其通电次序其实是相同的，也就是说，不管外转子还是内转子电机，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB 的顺序进行通电换相。当然，如果想让电机反转的话，只需要按相反的次序通电：）。

5.4无刷电机的换相与调速

5.4.1换相基本原理

无刷直流电机和直流电机一样，需要换相，只是直流电机是靠电刷和换向器，无刷直流电机靠电子开关电路和位置传感器。电机换相的时机只取决于转子的位置，那么问题来了：转子的位置怎么测？

一般来说有以下三种方式：

（1）一种比较简单的方式是用光电式码盘。光电式码盘没有触点磨损，允许转速高，精度高，但是结构复杂、价格贵。在工业上用得比较多。不过由于其价格比较贵，而且还要接联轴器等装置，分量也不轻，显然不适合我们做四旋翼用。

图5.5 一种4 位二进制编码盘

（2）其次是用霍耳效应器件来测。霍耳效应测量器件可以根据转子不同位置时的不同磁场分布情况，而给出1或0的输出，一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器，就可测出转子的位置，并在确定的相对位置上发出信号控制功率放大元件，改变定子绕组的电流。这就是所谓的“有感无刷电机的驱动”。车模和船模中的电调多是使用“有感”方式，因为其电机需要频繁启动、停止、反转，而且对整套动力系统的重量也不是十分讲究，故用有感无刷电机电调是比较合适的。但是对于四旋翼来说，对于整体重量的要求比较严苛，可以说，重量能少则少，所以一般也不采用这种方式

（3）最后就是“无感”测量方式。没有传感器怎么测量？答：利用第三相的感生电动势。无感驱动方式的优点在于省略了三个霍尔传感器，整套系统分量更轻，结构更简单。其缺点在于启动比较麻烦（这个在后文会具体分析），启动的时候可控性较差，要达到一定转速后才变得可控。不过这对航模来说倒不是个问题，航空发动机一旦转起来后，在空中是不需要停车的。

综上我们采用无感测量方式——利用反电势过零点来换相。

接下来介绍“无感”测量方式。回过头再去看图5.4，先看图(a)和图(b)，在AB 通电期间，线圈CC’的C边在图(a)中切割N极的磁力线并产生一个正向的感生电动势，在图(b)中却是切割S极的磁力线而产生一个反向的感生电动势；C’边的情况也类似。（这里我们定义：在转子逆时针旋转时，C边切割N极磁力线和C’边切割S极磁力线产生的感生电动势为正；AA’和BB’也用类似的定义）。这说明，在AB相通电期间，如果我们去测量线圈CC’上的电压，会发现其间有一个从正到负的变化过程。与此类似，图(c)~图(f)中的情况也可以用相同的方法分析出来，如图5.6所示。

图5.6六种通电情形下各绕组的电流和感生电动势

当检测到反向电动势和为零时，转子磁场方向与该定子绕组轴线刚好重合，反电动势过零点之后电角度经过30°的时刻就是无刷电机的最佳换相时刻，控制6个开关管的开通和关断来换相就可以驱动无刷电机。

另一个问题是，就算检测到了 C 相的过零点，那还要等转子转过30°才可以换相，转这剩下的30°究竟要花多少时间？

一种比较简单的做法是近似认为转子转速在这0°~60°的小范围区间内基本是恒定

的：从AB相开始通电到检测出C相过零的前半段时间，基本等于后半段的时间。所以只要记录下前半段的时间间隔T1，等过零事件出现后再等待相同的时间，就可以换相了。

另一种比较暴力的做法是检测到过零事件后，不等转子再转30°，马上换相。这样做的特点是第一次换相的间隔为30°，其他时间都为60°，当电机转速较低时，容易产生波动，也会损失一部分效率。在四旋翼飞行器中使用的电机，一般转速都会超过3 000 r /min，这时产生的效率损失就会非常小且不规律，因此许多要求不高的工作环境中，都采用这种换相方法。

两种方法比较，我们决定采用第二种方式。

5.4.2调速基本原理

电机的电周期时间可以通过T0 计时器读取，由于设计中使用的电机是12 绕组，14 极( 7 对极)，即7个电周期对应一个机械周期。假设电机一个电周期的时间为T，则电机的实际转速为:S= 60/7T( min /s) 。这种方法可以实时计算电机的转速，无须增加测量元件。

四旋翼飞行器的动力系统主要是通过PWM信号驱动无刷直流电机。PWM 脉冲宽度调制技术，简称脉宽调制，是一种利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的技术，它通过直流脉冲序列的占空比改变直流电的平均值进而实现变频技术。飞行器控制器内部应该集成了PWM，带有快速PWM 模式功能，它可以产生高频的PWM 波形，用于功率调节、整流和DAC ( Digital-to-AnalogConverter) 。飞行器控制器具有3通道PWM 输出口，引脚分别为OICA、OICB、OC2。OICA、OICB 两个引脚由定时器1 模式控制，OC2 由定时器2 控制。当工作于快速PWM模式时，可通过设置COM1x 的比值调节输出PWM 波形频率，其为

其中 为时钟频率，计数P为计数器值，N代表分频因子(N可取1，8，64，256，1024) 。

PWM占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。当然，单片机给出的PWM波形只是控制信号，而且最高电压也只有5V，其能量并不足以驱动无刷直流电机，所以必须要再接一个电子调速器来驱动电机。

5.5电子调速器

5.5.1电子调速器的选择

电子调速器简称电调，英文electronicspeed controller（ESC），电调是电动航模飞机的主要部件之一，工作原理是连接电池与接收机和无刷马达。主要有两个作用，一是将电池降压到5V，适合接收机和其他舵机的工作电压；二是从接收机获得油门信号，控制马达的转速，从而改变飞机的速度。

无刷电机的控制需要配套的控制器，因此需选用合适的电调和飞行器控制器加以驱动。

由5.3的所选择的无刷电机可知，需选用最大输入电压高于11.1V，最大输出电流高于15.6A的驱动器，同时该无刷电机最大功率高达173.2W，发热量巨大，因此应选用散热性良好的电调。

本设计选用好盈天行者20A无刷电调，其专门针对多旋翼飞行器而设计，其性能优异，确保多旋翼飞行器的飞行极其平稳和可靠。能完成最快飞行速度8m/s、最大下降速度2m/s的目标。

产品规格

输出能力：持续电流20A，短时电流25A（不少于10秒）；
电源输入：2-3节锂电池组或5-9节镍氢/镍镉电池组；

BEC输出：5V@2A （线性稳压模式－linear mode）；

油门信号频率范围：50-432Hz；

最高转速：2极马达210000转/分钟，6极马达70000转/分钟，12极马达35000转/分钟；

尺寸： 42mm（长）*25mm（宽）*8mm（高）；

重量： 19g；（不含线和插头）；

价格：36元

产品功能简介

安全上电功能：接通电源时，无论油门摇杆处于任何位置均不会立即启动电机，避免造成人身伤害；油门行程校调功能：适应不同遥控器油门行程的差别，提高油门响应的线性度；
程序设定项目(可用遥控器油门摇杆或者LED参数设定卡设置)：
●刹车设定：无刹车/有刹车；
●电池类型：锂电池/ 镍氢；
●低压保护模式：软关断/硬关断；
●低压保护阈值：低/中/高；
●启动模式：普通/柔和/超柔和启动；
●进角：低/中/高；
●恢复出厂默认值；

全面的保护功能：
●欠压保护：由用户通过程序设定，当电池电压低于保护阈值时，电调自动降低输出功率；
●过压保护：输入电压超过输入允许范围 不予启动，自动保护，同时发出急促的“哔哔”告警音；
●过热保护：内置温度检测电路，电调温度过高时自动降低输出功率；
●遥控信号丢失保护：遥控信号丢失1秒后降低功率，再有2秒无遥控信号则关闭输出。

对于它们的连接，一般情况下是这样的：

1、电调的输入线与电池连接；

2、电调的输出线无刷三根与电机连接；

3、电调的信号线与接收机连接。

另外，电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有5V左右的电压输出，通过信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。

电调的输出为三～四个舵机供电是没问题的。因此，电动的飞机，一般都不需要单独为接收机供电，除非舵机很多或对接收机电源有很高的要求。

5.5.2电子调速器的内部电路

电池电压监测电路

图5.7 电池电压监测电路

图5.7是一个电阻分压网络，其中VCC 接电源锂电池的正极，GND 接电源锂电池负极，U_BAT 接MEGA8 的ADC7 通道，电容C17 用来消除电源中的一些高频波纹的影响。一节标准锂电池的电压为3.7V，一般航模用锂电池都是三节串联，也就是11.1V。若电池即将用尽，VCC 会下降，相应的U_BAT 测得的电压也会下降。

换相控制电路

无刷电机的换相和驱动包括半桥式驱动方式和全桥式驱动方式。考虑到功率高、转矩波动小的因素，一般都选择全桥式驱动方式。全桥式驱动电路主要由6 个功率场效应管和一些外围电阻和三极管构成。

图5.8 六臂全桥式驱动电路

Q1到Q6 为功率场效应管，当需要AB 相导通时，只需要打开Q1, Q4 管，而使其他管保持截止。此时，电流的流经途径为：正极→Q1→线圈A→绕组B→Q4→负极。这样，六种相位导通模式：AB, AC, BC, BA, CA, CB 分别对应的场效应管打开顺序为Q1Q4，Q2Q2，Q3Q2，Q3Q6，Q5Q6，Q5Q4。

无刷直流电机的调速是用PWM波形的占空比来改变电压从而调速，图5.8中，采用的是H_PWM--L_ON方式来驱动的，也就是上臂采用PWM信号控制，而下臂常开的一种驱动方式。比如在AB 相导通时，单片机给Q1的栅极是PWM信号，而给Q4的栅极是常开信号，这样你就可以通过控制Q1输入端的PWM信号占空比来控制驱动电机的有效电压。此时A端和B端的电压波形如图5.10的圆圈中所示。A相的电压是可以突变的，但是由于电感的作用，流经AB线圈的电流是不能突变的，在PWM信号的低电平期间，线圈由于自身电感的作用产生极高的瞬时反电动势会击穿元器件，这时候二极管起续流作用，电流是按照图5.9 所示的箭头路径续流。由于负极端电位强制为零，二极管有一个正向压降，A点的电压就可以在瞬间降到比零略小的值，与图5.10的实验结果相吻合。

图 5.9  AB 相续流期间电流方向

图 5.10 各相电压波形

电流检测电路

图 5.11 电流检测电路

Shunt 相当于一个0.01 欧姆左右的小电阻它在PCB 板上是一段蛇形走线，相当于一个阻值很小的电阻，见图5.11。经过MOSFET 和电机的电流全都从它那里过，其实是“总流”，而不是分流。经过电机的总电流经过Shunt 而流向GND，尽管Shunt的阻值很小，但如果电流够大的话，应该会在Shunt 的左端产生一个小的电压，经过R11和C8一阶低通滤波，最后接入单片机的ADC6 通道。

反电势过零检测电路

图5.12 反电势过零点检测图

由于各绕组结构完全相同，转速也相同。所以线圈C会产生一个感生电动势，与此不同的是: 在AB 相通电期间，C 线圈的感生电动势会有一个正负变化过程，即需要检测的“过零点”，如图5.12所示。图中，PHASE_A,PHASE_B, PHASE_C 分别接电机的A, B, C 线，经过一个分压网络后分别为UA，UB，UC再连接到单片机的ADC0, ADC1, ADC2 引脚。中点电势值N为通电端电势的平均值，始终为6V，C线圈切割磁力线产生的感生电动势叠加在中点电势上。由于C 线圈的感生电动势有一个正负变化过程，则C引线的电压则会有一个从大于6 V到小于6 V 的变化过程，所以只要检测C 点的电压。当它小于6 V 时，即说明“过零”事件发生。此时正处于T0和T1时刻的中间位置，只要再等30°电角度即可以换相。MEGA8 内置模拟比较器，将中点电压置于比较器负输入端，C 点置于正输入端，当C 点电压下降低于6 V 时，比较器将输出下降沿，在实际电路设计时，C 点电压( 0—12 V)不能直接接入单片机模拟比较器，因此需要一个分压网络。

模拟比较器的输出信号将在程序中作为“过零”标志。反电动势检测时，利用飞行器控制器内置的模拟比较器不停比较中点电压和A 相B 相C 相三个端点的电压，以截获每相感生电动势的过零事件。当复用功能启动时，模拟比较器的正向输入端为AIN0引脚，负向输入端可以根据ADMUX 寄存器的配置而选择ADC0—ADC7 任意一个管脚。这样就不必使用3 个比较器，在AB 导通期间，将C 引线接入比较器负向输入端; 在BC 导通期间，将A 接入; 在AC 导通期间，将B 接入。在不同的通电区间，比较器的触发结果也不同，需要对ACSR 寄存器进行设置: 在AB 导通期间，检测C，上升沿触发; 在AC 导通期间，检测B，下降沿触发; 在BC 导通期间，检测A，上升沿触发; 在BA 导通期间，检测C，下降沿触发; 在CA 导通期间，检测B，上升沿触发; 在CB 导通期间，检测A，下降沿触发。

 

6.四旋翼控制器选择和设计

6.1四旋翼飞行器结构和控制原理简介

传统直升机的旋翼系统由一个主旋翼和一个尾旋翼构成。传统直升机通过变化旋翼翼片旋转时的切角来改变飞行器的升力大小。与此不同的是，小型四旋翼飞行器旋翼翼片的旋转切角是固定的，它是通过改变每个旋翼旋转的角速度来控制整个飞行器的飞行。

四旋翼飞行器的四个旋翼分别位于一个几何对称十字支架的前，后，左，右四端。四个旋翼由四个电机控制，分别位于一个十字支架的四端。整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。图6.1是四旋翼飞行器的典型结构，前端旋翼1和后端旋翼3逆时针旋转，而左端旋翼2和右端的旋翼4顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩。通过增加一组旋翼其中一端的转速而使另一端减少相同的转速，可对整个飞行器产生推力。

从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（内环三个角位移量和外环三个线位移量），而其控制量只有四个，这就意味着被控量之间存在耦合关系，因此，需要设计的控制算法能够对这种欠驱动系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。

图6.1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图

6.2控制算法设计

图6.2 PID控制系统框图

为了控制四旋翼飞行器，本系统使用的是改进的积分分离的PID算法。加速度传感器记录的是角度值，而陀螺仪记录的是角速度值。角度值作为控制的主要误差来源，而角速度值则作为微分分量直接计算。由于四旋翼飞行器是欠驱动系统，只有4 个螺旋桨的推力作为输入量，却要控制x，y，z，θ，ψ，φ，6个状态量，所以经典PID算法难以准确和快速地控制飞行器。系统为了实现自主飞行，采取分阶段控制的方法。在起飞阶段，当飞行器离平衡位置较远时，不使用积分算法并且提高比例值，使飞行器迅速达到平衡：

，

当飞行器的角度值与给定的角度值的误差较小时引入积分部分并且减小比例值，从而能够既快速又准确地控制飞行器的平衡。积分分离算法优点是避免在初始阶段误差较大时，积分过于累计导致积分项的饱和，使系统不稳定。而改进算法不仅克服了积分项饱和的缺点，而且由于增大的比例部分和微分部分，使飞行器可以迅速地达到稳定状态，实现了稳定性与准确性的平衡，

通过合适地选取PID的参数值，即能满足单位翻转度数稳定响应时间小于0.8s、单位翻转度数最大超调量小于30%的目标。

6.3 启动算法

新西达2212电机是无感无刷直流电机，它的启动是一个难点，其原因就在于反电势检测法只有在电机正常运转起来之后才能正常工作，在电机处于静止状态，无法判断电机转子的当前的实际位置，从而也无法判断先对电机哪两相通电。并且电机低速运转的情况下，反电势输出值很低，波形不清晰，因此无法使用反电势过零检测法进行换相。

我们设计采用三段式启动方法，其算法核心是先让AB相通电足够长的时间，以使其转子在这个位置固定下来，也就是转子预定位，然后换相AC相、BC相……，每步通电时间越来越短，也就是随着转子速度的逐渐增加，每步的通电时间逐渐减小，换相若干次后，直到反电势信号清晰，再根据反电势信号对无刷电机进行闭环控制。

 

 

 

6.4无刷电机的控制器选择

在整个飞行控制系统中控制器是最核心的器件，主要负责解码遥控接收器收到的PPM信号，采集多个传感器数据并融合多种数据进行飞行器姿态解算，输出PWM信号控制4个无刷电机转速以实现对飞行器姿态的调整，检测电池电压并在低压时实现报警。

具体需求如下：

(1)3．3V I／0电压；

(2)4路PWM输出；

(3)6路PPM信号捕获；

(4)多个SPI和IIC接口；

(5)3路AD转换；

(6)充足的I／O口；

(7)足够的FLASH和RAM空间；

(8)一定的浮点运算能力和较强的数据处理能力；

(9)低功耗。

综合考虑各方面的因素，最终选定了ST公司生产的STM32系列微控制器STM32F103CB作为主控芯片。STM32系列微控制器基于32位ARMCortex．M3内核，最高主频72MHz，具有高达90DMips、1．25DMips／MHz的处理性能，是一款专门针对嵌入式应用开发的高性能控制器内核。Cortex．M3采用了基于硬件处理的Tail．Chaining中断技术，可节约70％的中断处理时间。Cortex．M3采用单线调试技术，专门使用一个引脚做调试，从而节约了购买调试工具的费用。Cortex．M3中还集成有存储器控制器，可直接外扩FLASH存储器，降低了外围电路复杂度，提高了可靠性。Cortex．M3采用哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间进行数据传输，同时还采用了流水线技术，最大限度的提高了控制器的运算速度。因此Cortex—M3具有成本低、功耗低和性能高的优势。STM32F103CB的所有I／O口速率可编程，所有模块时钟可配置，具有睡眠、停机和待机3种节电模式，因此该芯片具有极低的功耗。同时ST公司为该芯片提供功能强大的硬件驱动固件库，使该芯片易于上手且适合快速开发。

STM32F103CB的主要特性如表6.1所示。

表6.1 STM32F103CB产品功能和外设配置

模块框图

图6.3 模块框图

1.工作温度：-40°C至+105°C，结温达125°C。

2.AF：可作为外设功能脚的I/O端口

时钟树

图6.4 时钟树

1．当HSI作为PLL时钟的输入时，最高的系统时钟频率只能达到64MHz。

2．当使用USB功能时，必须同时使用HSE和PLL，CPU的频率必须是48MHz或72MHz。

3．当需要ADC采样时间为1μs时，APB2必须设置在14MHz、28MHz或56MHz。

引脚分布图

图6.5引脚分布图

7.传感器的选型

7.1传感器介绍

传感器按照加工工艺主要可分为机械式和MEMS两种类型。机械式传感器具有很高的精度和灵敏度，对环境的适应性很强且具有很高的工作稳定性，是目前最理想的传感器，广泛应用于航空和航天工程中。但是由于传统的机械式传感器结构及其复杂，其体积和重量都很大，无法安装在微型飞行器上，而且由于其成本居高不下，对普通科研人员和科研机构来说是无力购买的。

MEMS的英文是Micro Electro Mechanical Systems，中文翻译为微机电系统，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路等于一体的微型机电系统。因此MEMS传感器具有体积小、重量轻和功耗低的优点，由于MEMS器件都是大规模工业批量化生产的，因此MEMS器件也具有成本低的优点；由于MEMS采用基于硅的半导体材料加工而成因此具有电子元件的通病——对温度变化比较敏感，再加上对冲击振动也比较敏感，因此MEMS的精度并不能达到很高。

考虑到MEMES传感器的固有缺点，一般基于这种传感器的飞行控制系统都采用多种传感器互相配合工作，通过程序算法对多种传感器数据进行滤波融合以尽可能的减小温度和冲击振动对传感器带来的影响，最终减小误差。以下介绍本次课程设计所用到的传感器。

7.1.1惯性传感器的介绍

惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动的传感器。惯性传感器是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。

惯性传感器分为两大类：一类是角速率陀螺；另一类是线加速度计。

角速率陀螺又分为：机械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑气浮角速率陀螺；挠性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球谐振角速率陀螺等）；光纤角速率陀螺；激光角速率陀螺等。

线加速度计又分为：机械式线加速度计；挠性线加速度计；MEMS硅﹑石英线加速度计（含压阻﹑压电线加速度计）；石英挠性线加速度计等。

目前市面上有很多基于MEMS技术的惯性传感器，既有输出模拟量的传感器也有能够直接输出数字量的传感器。根据MEMS惯性传感器的精度，他们应用的场合也不同：低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、GPS导航、游戏机、数码相机、音乐播放器、无线鼠标、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要用于汽车电子稳定系统（ESP或ESC）GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。高精度的MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GP战场机器人等。

MEMS加速度传感器

MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等； 按照加工工艺方法又可以分为体硅工艺微加速度计和表面工艺微加速度计； 按工作方法又可分为开环加速度计和闭环(静电力平衡式)加速度计两种

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。

容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。     热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。

由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度，又能感应“静态”加速度。

MEMS陀螺仪

7.1.MEMS陀螺仪俯视图                            7.2MEMS陀螺仪

在MEMS陀螺仪的设计上，图7.1中间的物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度（图7.2）。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点象加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就象加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。

MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出（零位输出）、灵敏度（Sensitivity）和测量范围。这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境。

分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度，该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。这三个参数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。对使用者而言，灵敏度更具有实际的选择意义。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大角速度。不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。

7.1.2 高度传感器的介绍

高度传感器包括气压高度传感器和超声波传感器等。

气压高度传感器

气压高度传感器是一款利用气压变化来测量高度的一款传感器。在测量高度的时候因为需要利用处理器通过公式计算得到高度值，因此在选气压传感器的时候一般都采用输出数字信号的产品。

气压高度传感器是通过气压的变化来测量高度的传感器，因此在测量的过程中不受障碍物的影响，测量高度范围广，方便移动，可进行绝对海拔高度测量和相对高度测量。通过气压及温度来计算高度的误差是相对较大的，特别是在近地面测量，受风、湿度、粉尘颗粒等影响，测量高度的精度受到很大影响，在高空测量中精度有所改善。

近地面，每天的气压变化和温度变化都是比较大的，所以通过气压和温度来计算海拔高度存在着较大误差，即便传感器放在同一个水平高度不移动，在早晚不同时间段测量出来的绝对海拔高度也可能出现较大的误差。

该传感器目前主要应用于航模产品、楼层定位、GPS测高、户外登山表、户外登山手机、狩猎相机、降落伞、气象设备等。

超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。基于超声波特性研制的传感器称为“超声波传感器”，广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。超声波传感器的主要性能指标包括：工作频率、工作温度、灵敏度、指向性。

图7.3超声波探头

超声波可用于测量距离。超声波测距离传感器采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离，采用小角度，小盲区超声波传感器，具有测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点，可应于液位，物位检测，特有的液位，料位检测方式，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出，广泛应用于液位，物位，料位检测，工业过程控制等。

7.1.3 电子罗盘的介绍

电子罗盘，又称数字罗盘，在现代技术条件中电子罗盘作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用。电子罗盘与传统指针式和平衡架结构罗盘相比能耗低、体积小、重量轻、精度高、可微型化，其输出信号通过处理可以实现数码显示，不仅可以用来指向，其数字信号可直接送到自动舵，控制船舶的操纵。目前，广为使用的是三轴捷联磁阻式数字磁罗盘，这种罗盘具有抗摇动和抗振性、航向精度较高、对干扰场有电子补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优点，因而广泛应用于航空、航天、机器人、航海、车辆自主导航等领域。典型的数字罗盘具有以下特点:

1. 三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。

2．高速高精度A/D转换。

3．内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

4．内置微处理器计算传感器与磁北夹角。

5．具有简单有效的用户标校指令。

6．具有指向零点修正功能。

7．外壳结构防水，无磁。

电子罗盘现在广泛应用于水平孔和垂直孔测量、水下勘探、飞行器导航、科学研究、教育培训、建筑物定位、设备维护、导航系统、测速、仿真系统、GPS备份、汽车指南针、虚拟现实等。

 

7.2 传感器选型

由于四旋翼飞行器的体积较小，有效载荷较小，对传感器的精度要求不高，因此传感器的选型应遵循以下原则:成本低、体积小、重量轻、功耗低、外围电路简单、合适的灵敏度、合适的精度和较高的工作稳定性。

由上文电机选型部分可知，四旋翼飞行器采用的无刷电机KV值为1000，即输入电压每增加1V，无刷电机转速增加1000r/min，航模锂电池最高电压为4.2x3=12.6V，因此无刷电机最高转速为1000x12.6=12600r/min，即由于螺旋桨旋转而造成的震动频率最高约为210Hz，根据香农采样定理，为了能够区分出由于螺旋桨旋转而造成的震动进而通过相应的滤波算法滤除对其传感器测量值的影响，对震动敏感的传感器（加速度计和陀螺仪）采样频率至少应为420Hz，又考虑到滤波算法会导致数据更新延迟，因此传感器采样频率越高越好。

7.2.1加速度计的选取

考虑到成本问题，我们选用MEMS加速度计。它是利用传感质量的惯性力测量的传感器，通常由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。

加速度计能够检测出物体受到的加速度，进而可以通过积分运算求出物体的速度和位移，通过测量重力加速度还可以计算出物体的倾斜角度。但是加速度计并不能区分重力加速度和运动加速度，因此加速度计对震动比较敏感。

MEMS加速度计是通过检测内部移动部分的惯性实现的。生产MEMS加速度计的公司有很多，例如：ST，ADI等。经过讨论，我们考虑的要素基本如下几点：

模拟输出&数字输出：数字传感器由于其外围电路和驱动程序都相对简单，因此本课题选用数字传感器。

1.测量轴数量：对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。为了更好的测量飞行器的空间运动，最好选择三轴的加速度传感器。

2.最大测量值：对于一般的倾角，一个±1.5g加速度传感器就足够了。如果测量飞行器的动态性能，±2g也应该足够。如果飞行器有突然启动或者突然停止的情况出现，所采用的加速度传感器的最大测量值应大于±5g。

3.带宽：传感器的带宽是指每秒钟，传感器会产生多少次读数。对于测量一个振动物体的动态特性，需要一个具有上千带宽的传感器。

4.灵敏度：通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但灵敏度过高，其能识别的被测量的变化量越小，即较小的被测量变化能引起较大的传感器输出。因此若此间有微小的干扰，也会被很快放大，稳定性就会随之下降。

5.稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。四旋翼飞行器的使用环境并不是非常恶劣，主要考虑风、沙的影响即可。因此选用的加速度计要具有适当的稳定性。

6.价钱、重量、体积合适即可。适合于电池供电。

考虑以上因素，我们暂选取两种加速度计：ADXL345和MMA7455。下面是二者的比较结果：

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达± 16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345加速度传感器的输出的位数为10位(2的10次方共1024个LSB)对应满量程，那么灵敏度就为4g/1024LSB=3.9mv/g，取倒数为256LSB/g。其他量程的灵敏度及其他参数如下表所示：

表7.1  ADXL345参数1

表7.2 ADXL345参数2

MMA7455也是一款数字输出（I²C/SPI）、低功耗、的MEMS三轴加速度计。以下是它的灵敏度及其他参数：

表7.3 MMA7455参数1

表7.4 MMA7455参数2

可以看出：

1.MMA7455的工作电流是ADXL345的十倍，其功率也为其十倍左右，功耗较大。

2.ADXL345各个量程的灵敏度都比MMA7455要高。

3.ADXL345的抗冲击能力要比MMA7455好一些。

4.另外，ADXL345的市场价格大约在5~7块钱左右,MMA7455的市场价约为15块钱，约是它的两倍。

综合考虑多种因素，最终我们决定本课题选用ADI公司生产的ADXL345加速度计。

图7.4 ADXL345加速度计

7.2.2陀螺仪的选取

通过探讨与查阅资料，陀螺仪的选取主要遵循以下原则：

1.由采样频率的选取分析陀螺仪的带宽至少要为420Hz。

2.在测量范围内具有良好的线性度。

3.陀螺仪应为数字输出。

4.额定电压满足电池的供电范围且适合于电池供电。

5.具有合适的灵敏度，最好能达到2000dps。

6.保证测量精度的同时，尺寸重量尽可能小。

生产MEMS陀螺仪的公司有很多，例如：ST，村田等。讨论认为，ST公司生产的L3G4200陀螺仪满足设计需要。

该陀螺仪是三轴数字陀螺仪，可根据不同场合选择不同灵敏度（250/500/2000dps），并自带低、高通滤波器，市场价格在15元左右。L3G4200的主要性能如表7.5所示。

表7.5 陀螺仪参数

图7.5 L3G4200陀螺仪

7.2.3气压计的选取

当飞行器高度较高时就无法使用超声波传感器来测量高度了，这是应使用气压计。大气压随高度的增加而减小，气压计正是通过测量大气压来估计高度。因为 大气压分布并不是均匀的，而且气压计对气流的影响很敏感，因此气压计只能得到飞行高度的近似值。

气压计的选取应遵循：

1.  四旋翼高空运行时会使用气压计，飞行器的最高飞行高度为100m，选取的气压计的量程要能含盖该高度的气压。

2.  数字接口

3.  合适的工作电压电流、精度。

4.  低能耗，适合电池供电。

5.  合适的尺寸与重量。

讨论认为，本课题应选用Bosch公司生产的BMP085气压计，市场价格50元左右。其主要性能指标如表7.6所示。

表7.6气压计

参数	参数
电压	1.8V-3.6V
电流	5μA
精度	0.03hPa
压力测量范围	300hPa - 1100hPa
数字接口	IIC
数字分辨率	16bit
尺寸	5 mm× 5 mm× 1.2 mm

图7.6 BMP085气压计

7.2.4超声波传感器的选取

超声波传感器主要实现对飞行器的低空定高控制。

1.最大测量距离要略大于400cm。

2.测量精度小于1cm。

3.合适的感应角度。

4.体积、重量、价位合适。

5.低功耗且适合用电池供电。

本课题选用HC-SR04超声波传感器，该传感器最高精度可达0.2cm，市场价格4元左右。其它主要参数如下：

表7.7 超声波传感器

基本工作原理：

(1)采用I/O口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;

(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

本模块使用方法简单,一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,即可以达到移动测量的值。

图7.7HC-SR04超声波传感器

7.2.5电子罗盘的选取

 

在四旋翼飞行系统中，有时需要进行精确的方向控制，虽然测量方向的方法 有多种，但最便利、通用性最强的还是测量地球的磁场。
利用地磁作为参考， 通过传感器测量出与地磁线之间的夹角就可以得到方位角的数据，从而实现精确的方向控制。选取的电子罗盘应从以下几点因素考虑：

1.应为数字接口。

2.要有足够的磁场测量范围。

3.罗盘精度控制在1°~2°。

4.合适的灵敏度，体型，重量，成本低，适合于电池供电。

霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L 包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12位模数转换器。 HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，该技术的优点是其他磁传感器技术所无法企及。这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。传感器带有的对于正交轴低敏感行的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到 8 高斯(gauss)。 霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。市场价格17元左右。

表7.8 电子罗盘参数

参数	说明
电压	2.0V-3.6V
电流	100μA
带宽	75Hz或160Hz
精度	1°-2°
灵敏度	2mGauss/bit
线性度	0.1%FS
数字接口	IIC
数据分辨率	12bit
尺寸	3.0×3.0×0.9mm

图7.7电子罗盘

7.3传感器的电路连接

7.3.1加速度计的电路连接

加速度计ADXL345同时支持SPI和IIC接口，因为数据读取速率很高所以选择SPI接口，处理器通过中断方式读取加速度计数据。为了尽可能的提高测量精度，器件电源处使用多个电容进行去耦处理。

图7.8 加速度计电路图

7.3.2陀螺仪的电路连接

电路连接：L3G4200因为数据读取速率很高，所以也选择SPI接口，处理器同样通过中断方式读取陀螺仪数据。为了尽可能的提高测量精度，器件电源处使用多个电容进行去耦处理，并根据整个系统的振动周期设计了相关的阻容低通滤波电路。

图7.9 陀螺仪电路图

7.3.3气压计的电路连接

电路连接：处理器通过查询方式，经由IIC总线读取BMP085的数据。为了尽可能的提高测量精度，器件电源处使用多个电容进行去耦处理。

图7.10气压计电路图

7.3.4电子罗盘的电路连接

电路连接：处理器通过中断方式，经由IIC总线读取HMC5883的数据。其中IIC总线需要接上拉电阻，其组织选择要满足使IIC总线上通过1mA左右的电流。为了尽可能的提高测量精度，器件电源处使用多个电容进行去耦处理。

图7.11 电子罗盘电路图

8.其他部件的设计

8.1电池模块设计

电池选型：电源模块在系统中的地位是极其重要的，小型四倾转旋翼无人机要稳定的工作必须有稳定的电源供给作为保障，为系统的各个模块提供能源。稳定的电源可以使系统在各种环境下长时间稳定的工作，而如果电源模块设计得不够合理，那么就像在系统中埋下了一颗不定时炸弹，系统随时都可能因此而崩溃。所以电源模块的设计必须非常慎重，以保证系统工作的稳定性。

现在航模所用的电源主要采用大容量的锂聚合物电池组如图7-12所示，锂离子聚合物电池制作工艺一般采用叠片软包装，所以尺寸改变很灵活方便，型号相对多。相对以前的电池，来说、能量高、小型化、轻量化，是一种化学性质的电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合一些产品的需要，制作成一些形状与容量的电池。该类电池，理论上的最小厚度可达0.5mm。锂聚合物电池的标称电压是3.7V，充电后电压可达4.2V，放电后的保护电压为3.6V。在实际使用过程中，电池的电压会产生压降，这是和电池所带动的负载有关的，也就是说电池所带的负载越大，电流越大，电池的电压就越小，在去掉负载后电池的电压还可恢复到一定值。3.7V的电压并不能很好的驱动航模的动力机构，所以一般采用多节锂聚合物电池串联成组的方式进行供电。一般用P参数来表示锂聚合物电池组中电池的节数，也可以通过P参数计算出电池的标称电压、最大电压和最小电压。另外，锂聚合物电池组还有一个C参数，C数代表锂电池组的放电能力，它的意思是说按照电池的标称容量最大可达到多大的放电电流。

图8.1锂电池

我们的目标是续航能力达到10分钟，由于四旋翼主要是电机耗电，我们主要考虑电机。电机最大电压为11.1V，电机平稳运行所需功率约为最大功率的2/5,则所需的能量为

则电池的容量为

电机最大电流为15.6四个电机的总电流达到62.4A

由此可知选取3S 11.1V 5200mAh 20C的锂电池比较合适。

电池选型：DUPU达普 5200 mAh毫安11.1V 3S 20C 纳米电芯 模型航模电池

电池参数：

容量：5200mAh

放电倍率：20C

电压：11.1V

建议充电电流：4.4A

最大充电电流：11A

充电截止电压：12.6V

持续放电倍率：20c

电池充电倍率：5c

成品尺寸（厚*宽*长MM）: 25.00*40*135

重量:357g

价格：188元

 

锂电池的电压和电量近似成线性关系，电压越高其包含的电量越多。当锂电池的电压下降到一定程度时，其提供给飞行器的能量不足以产生足够的升力，飞行器无法继续维持飞行状态，这是飞行器控制器应发出声光报警信号以提醒遥控人员及时采取相应的措施；当锂电池电压继续下降达到最低限度时，锂电池内所含有的电量为0，此时锂电池发生过放电现象，导致内部结构遭到破坏，电池变形，因此当锂电池的电压过低时，应立即切断电路以保护电池。

锂电池

锂电池

锂电池

分压电路

分压电路

分压电路

AD转换

AD转换

AD转换

低压报警

过放保护

图8.2 电源组成

电池电压检测过程如图7.8所示。由于四旋翼飞行器使用的航模锂电池为3串锂电池，因此需要3套独立的分压电路和AD转换模块，并且当其中任何一个锂电池进入低压状态时都应该进行报警。

在实际工作中AD转换器可能会受到多种噪声的干扰，因此需要连续进行多次AD转换，将转换后的结果先进行均值滤波处理，然后再进行电压检测判断。理论上AD转换后的结果与对应的电压值是线性关系，但由于AD转换器普遍存在误差，因此需要校准后才能使用。

设实际电压u和AD转换后的结果x满足如下关系：

u=kx+b

校准过程如下：对不同的基准电压分别进行AD转换，每次都要进行多次转换然后进行均值滤波处理，得到多组基准电压；AD转换值后，利用最小二乘法计算系数k和b，最终得到实际电压u和AD转换后的结果x的对应关系。

四旋翼飞行器的电源管理需求如下：

1.无刷电机驱动器接到11.1V航模锂电池上，经线性降压输出5V电压；

2.电源管理模块分别从4个无刷电机驱动器中取得5V电源，每路5V电源串一个二极管防止电流反串到其他驱动器中，最后并联一个1000uF的电容滤除电源中不稳定的杂波；

3.STM32芯片工作电压为3.3V，需要通过REG1117-3.3从5V降压得到；

4.监测3串锂电池电压，3路电压分别经电阻分压后送往处理器的AD处理，如果发生了低压则报警。

11.1V 2200mAH 20C航模锂电池

驱动器

驱动器

驱动器

驱动器

REG1117-3.3降压芯片

微控制器

报警器

图8.3 电源工作流程

8.2遥控装置选型

MC6A MC6B 6通道 2.4G遥控器 KT航模飞机SU27 固定翼4轴多轴遥控，MC6B则采用PCM1024C。

遥控器性能：

1.颜色：银色

2.应用：固定翼、车、船

3.频段：2.400GHz－2.483GHz

4.发射功率：≤100mW

5.工作电流：≤120mA:

6.编码方式：PCM1024

7.微调模式：电子微调模式

8.摇杆动态范围80%—120%

9.2016新款 MC6B 电源：(4 节 5 号 电 池 ，买家另外配置）

10.混控模式：三角翼混控模式和V型尾翼混控模式

11.反向开关：1通道副翼、2通道升降、3通道油门、4通道方向

12.支持固定翼收放起落架和禁翼

13.低电压提示：电池电压﹤8.4V，电源指示500MS显示1次

14.调制模式：采用全球最新和符合欧洲标准的FHSS模式

图8.4遥控器

接收机性能：

1.频 段：2.400GHz-2.483GHz:

2.快速恢复信号

3.失控保护功能:

4.地面直线距离：大于800米

5.解码方式：PPM/PCMS 1024

6.电 源：4.8-6V

7.尺 寸：45 x 25 x 10(mm)

8.重 量：9.6g

8.3 航拍模块设计

航拍摄像头选型：

迷盛安防600线 170°超广角微型摄像头，带音频输出

PV 650线摄像头供电范围：3.3V-5V

尺寸1.2mm*1.2mm*1.2mm

重量30g

价格36元

焦距: 2.8mm

颜色: 彩色

图8.5航拍摄像头

9.系统评价

综合本文对四旋翼的各项设计，有如下表格：

表9.1 四旋翼飞行器成本价格

名称	数量	质量（g）	价格（元）
电机	4	48	24
旋翼	4	7	1
电子调速器	4	19	36
飞行器控制器	1	60	12
锂电池3S	1	357	188
摄像头	1	30	36
其它部件	- -	60	100
四旋翼整体	- -	803	580

本文给出了四旋翼飞行器的总体设计方案，我们的目标是要实现在器件完备且运行成功基础上，四旋翼飞行器能实现垂直，俯仰，滚动，偏航，前后，侧向，悬停等运动，并支持在小角度能变换姿态，实现航拍。与此同时尽可能地节约电能，减少噪声。硬件系统主要包括飞行器平台、微控制器最小系统、无线遥控接收系统、动力系统、供电电池和传感器模块等几个部分。着重分析了电机、电调的选择以及传感器的选择。.

四旋翼尺寸体积≤40*40*20，整体质量为803g，与距离设计预算的重量还有大概197g，这个裕量可以用来搭载一些有效载荷，预计飞行性能会更好。

单组电机螺旋桨的最大静拉力为886g，合计一共3544g，大于起飞重量的二分之五，可以较稳定较灵活的飞行。

单个电机驱动的最大电流为13.2A。

加速度计测量范围最大可达±16g，一般情况下，±8g的量程已经满足设计要求，该量程下的灵敏度为64LSB/g,能够较好的达成指标

陀螺仪3轴角速度检测范围最大±2000dps，而角速度检测精度在量程为±500dps时也能较好的满足姿态测量的精度要求。

气压计的压力测量范围为300hPa - 1100hPa，折合高度为海拔9000m至-500m，足够满足飞行高度100m的测量指标。除此之外，高线性模式下，其分辨率为0.03hPa，折合高度为0.25米，满足设计要求0.3m的精度指标。

超声波传感器的最大测量距离为450cm，精度为0.3cm，满足设计要求的400内使用超声波传感器测量精度，且精度在厘米级的要求。

电子罗盘的选取较为宽泛，1°-2°的精度能很好的满足技术指标。

锂电池的电池电压为11.1V，电池容量为5200mAh，不到20%的油门就能使飞行器悬停，单个电机电流5A计算，悬停时总电流20A左右，估计飞行器能悬停15分钟，达到了10分钟的目标。

本次设计以性能达标为主，兼顾制造成本，在型号上尽量选择已被大量使用的成熟产品，降低设计成本与购买成本，而且可以使本设计的维修配件易于购买更换。四旋翼整体造价为580元，如果批量生产成本大概只需380元，造价低廉。与市场上已有的四旋翼无人机产品相比，价格更低，性价比更高。

 

 

 

 

 

参考文献

[1]梅晓榕.柏桂珍.张卯瑞《自动控制元件及线路（第五版）》.科学出版社，2013

[2]郑许峰.无刷直流电机控制系统的设计和研究[D].东南大学硕士学位论文，2006
[3]谭广超.四旋翼飞行器姿态控制系统的设计与实现[D].大连理工大学学位论文，2013
[4]齐书浩.微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制[D].上海交通大学工学硕士学位论文，2013

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