1系統功能概述

1.1 四軸飛行器原理介紹

四軸飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。結構上，本次應用中使用四軸飛行器的飛行模式是 X 模式，如圖“圖 1.1”所示，四軸飛行器的四個電機一對正轉，一對反轉使得垂直方向旋轉的反扭矩平衡, 從而保證了飛行的穩定。四軸飛行器可以用作航拍、玩具等，

在我們生活中已經越來越常見。

圖 1.1 四軸飛行器飛行模式（X 模式）

四軸飛行器的基本飛行狀態可以分為：垂直飛行、水平飛行（俯仰和翻滾）、偏航飛行，分別如“圖 1.2”所示。（1）垂直飛行：如下圖（a）所示，同時增加或減少四個電機的轉速，四軸飛行器則會垂直上升或下降。（2）水平飛行：如下圖（b）所示，增加兩個電機的轉速，如電機 M1 和 M4，同時減少另兩個電機 M2和 M3 的轉速，則四軸飛行器將向右飛行，同理可得向前、向后、向左方向的飛行方式。（3）偏航飛行：如下圖（c）所示，增加兩個電機的轉速，如電機 M1 和 M3，同時減少另兩個電機 M2和 M4 的轉速，則四軸飛行器將順時針偏轉，同理可得逆時針偏轉的飛行方

圖 1.2 四軸飛行器飛行

1.2 PID 平衡控制

對于四軸飛行器平衡控制算法中，電機的轉速并不是單獨由油門來決定，而是以油門為基準整合上空間三軸俯仰（Pitch）、翻滾（Roll）和偏航（Yaw）的控制量來決定，如下公式所示。

例如，四軸飛行器機頭向下傾斜時（對應俯仰），為了達到平衡，電機 3 和電機 4 增大轉速，電機 1 和電機 2 減小轉速，此時俯仰控制量應該向負增大（控制量的正負由姿態芯片 MPU6050 擺放決定）。

電機 1 轉速 = 油門 + 俯仰 + 橫滾 - 偏航

電機 2 轉速 = 油門 + 俯仰 - 橫滾 + 偏航

電機 3 轉速 = 油門 - 俯仰 - 橫滾 - 偏航

電機 4 轉速 = 油門 - 俯仰 + 橫滾 + 偏航

上述的三軸控制量則由本系統中使用的增量式 PD 控制得到（PID 控制算法的一種）。以俯仰控制量為例，MPU6050 可以得到空間三軸的旋轉角速率，正好是角度的微分，所以可以得到以下計算公式。

俯仰（Pitch）控制量 = P * 對應期望角度與實際角度的偏差 + D * 對應軸的角速率值

翻滾（Roll）控制量 = P * 對應期望角度與實際角度的偏差 + D * 對應軸的角速率值

偏航（Yaw）控制量 = D * 對應軸的角速率值

由于實際偏航角（Yaw）無法由 MPU6050 測得，需要用電子羅盤，但是電子羅盤在四個電機的電磁作用下，精度受影響較大，所以上式中偏航（Yaw）控制量去除比例項，僅由微分項得到。

MPU6050 的姿態刷新頻率約為 10ms 一次

1.3 定高控制

高度的采集通過超聲波模塊 HC-SR04 實現，由于測量距離的限制（約 2cm-120cm），本系統僅適用于室內低空飛行，默認高度設定為 60cm。

定高部分算法，根據超聲波檢測的距離進行 PID 控制，定高控制的輸出量與初始油門（由機身本身的重力和當前電池電量決定）疊加作為當前油門，從而不斷調節四軸飛行器油門值來實現垂直方向上的定高，而水平方向由于缺少 GPS 相關模塊，未能得到進行水平方向的控制量，所以本系統只能實現簡單的懸停。

超聲波模塊 HC-SR04 置于四軸飛行器底部，高度刷新頻率約為 50ms 一次。

1.4 四軸飛行器演示板

本篇用戶手冊使用的演示板如“圖 1.3”所示，單片機 R7F0C014 通過 I/O 端口模擬 IIC 控制姿態芯片MPU6050，然后使用 MPU6050 的硬件解算（內置的 DMP 模塊）直接獲取和姿態相關的四元數等數據，再將四元數轉化為歐拉角，最后以當前姿態角和捕捉的遙控數據為控制量，通過 PID 控制四個電機以達到控制四軸飛行器姿態的目的。通過 MPU6050 的硬件解算，可以避免復雜的姿態融合算法，從而減輕單片機的負擔。

圖 1.3 四軸飛行器演示板

系統整機結構圖如“圖 1.4”所示。為了硬件的安裝和固定，演示板背面并沒有貼裝任何器件，而是直接固定在機架上。機架的底部用于放置鋰電池，并固定超聲波模

圖 1.4 四軸飛行器整機正面和背面

1.5 操作說明

（1）啟動：依次打開四軸飛行器和遙控器的電源開關，四軸飛行器的四個機翼處 LED 將會閃爍兩秒，然后變為常亮。

（2）解鎖：將遙控器左手邊的油門拉至最低，油門搖桿上方的藍色 LED 點亮，解鎖完成（注意：解鎖完成前不要操作方向搖桿），此時，右手方向搖桿上方的藍色 LED 不斷閃爍，表明和四軸飛行器通信正常，便可以開始遙控飛行器。

（3）定高飛行：此功能僅限室內低空飛行（1.5 米以內）。解鎖完畢后，拉高油門，待四軸飛行器達到一定高度后，按下遙控器最右下方按鍵，進入定高飛行，四軸飛行器會定高在默認設定的 0.6 米處飛行。再次按下此按鍵，四軸飛行器將自動降落，落地后需將油門拉至最低。

注意：因四軸飛行器飛行過程中，電機的電流消耗較大，可以達到數安培，飛行時間只能持續幾分鐘，當機翼處 LED 閃爍時，說明電池電量已過低，為了安全起見，請充電后再使用。

圖 1.5 四軸飛行器和遙控器

圖 1.6 四軸飛行器整機加外殼

1.6 四軸飛行器的不足和可改進之處

（1）四軸飛行器定高：由于本應用使用超聲波定高（硬件限制），所以只適用于室內低空定高飛行。對于室外高空定高飛行，用戶可以根據需要加入氣壓計 MS5611 實現，本系統中也預留了此部分電路。但是由于場地環境限制，以及測試的時候發現氣壓計 MS5611 存在測量精度不足和數據隨時間漂移等問題，因此沒有添加此部分功能。如有條件及需求，用戶可以自行添加此部分功能。

（2）姿態控制：姿態獲取方面，本應用使用姿態芯片 MPU6050 的硬件 DMP 功能直接讀取并計算得到當前姿態，由于讀取的周期限制（約 10ms），姿態的更新頻率有限。用戶也可以采用讀取 MPU6050三軸重力加速度和三軸陀螺儀數據來獲取當前姿態，但是需要經過較為復雜的姿態運算和濾波（如卡爾曼濾波），建議采用高主頻的 MCU 實現（如 72MHz 以上），以提高姿態的更新頻率。而姿態控制算法方面，本應用使用的是相對簡單的單級 PID 控制，用戶也可以選擇串級 PID 控制以達到更好的控制效果。

（2）參數調節：系統中的姿態和定高的 PID 參數等適用于本套機械結構，是經過多次試驗，得到的較優參數，用戶需要根據自己的系統選擇和調試相應參數，調試四軸飛行器時，請做好一定保護措施，防止意外情況。

（3）遙控距離：由于本系統遙控器采用的是 PCB 天線，遙控器的發射功率強度有限，以致操控有效距離不到 10 米。用戶可以使用更大的天線（如鞭狀天線）加入遙控器的 2.4GHz 發射部分，以實現遠距離操控。

1.7 安全注意事項

四軸飛行器具有一定危險性，操作不當可能會發生人身傷害。在調試四軸飛行器的時候，最好在室外空曠地方，并做好一定保護措施。剛接觸四軸飛行器的用戶，應盡量在近距離低空飛行，熟練操作。如出現操作失誤，應快速拉低油門，使四軸飛行器盡快降落，防止失控發生意外。

四軸飛行器演示板介紹

四軸飛行器演示板

四軸飛行器演示板的硬件結構框圖如下