小型四轴飞行器控制器设计的研究
【摘要】四轴飞行器是一种有4个螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，能任意角度灵活移动，操控简单，飞行稳定。本文研究的主要是基于STM32单片机的四轴飞行器控制器的设计方法，应用集成的三轴陀螺仪和三轴加速度计感受姿态信息，来实现飞行器定向、定点、定高的飞行控制，具有较好的应用前景。
【关键词】STM32单片机; 四轴飞行器; 控制系统
引言
四轴飞行器在军事、工业和民用方面都有广泛的应用，可应用于地面战场的侦察和监视，可以用在安全巡检，可用于灾后搜救、城市交通巡逻等诸多领域[1]。四轴飞行器还具备造价低、维护简单、可重复性强以及事故代价低等特点，因此，四轴飞行器的研究意义重大。
目前随着单片机技术和传感器技术的发展，在高校大学生的创新实践活动中对四轴飞行器的研究也越来越多，各种设计方案及应用范围各有特点，有的侧重于机械结构的研究，有的专注于控制算法的研究，本文重点介绍一种以STM32F103VCT6单片机为核心的四轴飞行器硬件系统设计的方案。
1. 四轴飞行器的结构和控制原理
四轴飞行器由四个成十字交叉对称安装的电机带动四个螺旋桨构成动力系统，为降低机身重量，机架通常用机械强度较高的碳素管或PVC 管来做，微小型的四轴飞行器的机架也可以直接用PCB 板切割而成。四轴飞行器的机械结构如图1所示。
图1 四轴飞行器结构图
图2 四轴飞行器姿态控制原理图
四轴飞行器的升降、悬停、俯仰、横滚等飞行姿态的控制，完全由控制四个电机的转速变化来实现，如图2所示[2]。为了使整个机体转矩平衡，采用正反桨设计，即对角线的一对螺旋桨相同，相邻的两个螺旋桨桨叶相反，这样正常飞行时两个螺旋桨正转两个螺旋桨反转，电机的转矩抵消，可以避免飞行器打转。当提高螺旋桨的转速产生的升力大于飞行器自身重量时，飞行器就可以飞离地面，当对角线上的一对螺旋桨的转速不同，使机体倾斜一个角度产生水平分力推动飞行器平移，飞行速度可以由俯仰角的大小与电机的转速来控制[3]。
2. 四轴飞行器的主控板硬件设计
飞行器主控系统由单片机主控制器、姿态监测模块、动力驱动模块、电源模
小型四轴飞行器控制器设计的研究
【摘要】四轴飞行器是一种有4个螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，能任意角度灵活移动，操控简单，飞行稳定。本文研究的主要是基于STM32单片机的四轴飞行器控制器的设计方法，应用集成的三轴陀螺仪和三轴加速度计感受姿态信息，来实现飞行器定向、定点、定高的飞行控制，具有较好的应用前景。
【关键词】STM32单片机; 四轴飞行器; 控制系统
引言
四轴飞行器在军事、工业和民用方面都有广泛的应用，可应用于地面战场的侦察和监视，可以用在安全巡检，可用于灾后搜救、城市交通巡逻等诸多领域[1]。四轴飞行器还具备造价低、维护简单、可重复性强以及事故代价低等特点，因此，四轴飞行器的研究意义重大。
目前随着单片机技术和传感器技术的发展，在高校大学生的创新实践活动中对四轴飞行器的研究也越来越多，各种设计方案及应用范围各有特点，有的侧重于机械结构的研究，有的专注于控制算法的研究，本文重点介绍一种以STM32F103VCT6单片机为核心的四轴飞行器硬件系统设计的方案。
1. 四轴飞行器的结构和控制原理
四轴飞行器由四个成十字交叉对称安装的电机带动四个螺旋桨构成动力系统，为降低机身重量，机架通常用机械强度较高的碳素管或PVC 管来做，微小型的四轴飞行器的机架也可以直接用PCB 板切割而成。四轴飞行器的机械结构如图1所示。
图1 四轴飞行器结构图
图2 四轴飞行器姿态控制原理图
四轴飞行器的升降、悬停、俯仰、横滚等飞行姿态的控制，完全由控制四个电机的转速变化来实现，如图2所示[2]。为了使整个机体转矩平衡，采用正反桨设计，即对角线的一对螺旋桨相同，相邻的两个螺旋桨桨叶相反，这样正常飞行时两个螺旋桨正转两个螺旋桨反转，电机的转矩抵消，可以避免飞行器打转。当提高螺旋桨的转速产生的升力大于飞行器自身重量时，飞行器就可以飞离地面，当对角线上的一对螺旋桨的转速不同，使机体倾斜一个角度产生水平分力推动飞行器平移，飞行速度可以由俯仰角的大小与电机的转速来控制[3]。
2. 四轴飞行器的主控板硬件设计
飞行器主控系统由单片机主控制器、姿态监测模块、动力驱动模块、电源模