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[摘 要]本课题设计一种新型的利用传感器技术对未知空间进行探测的飞行器。利用手机的WIFI及蓝牙进行通信，实现无线遥控以及远程视频传输。即只需有搭载安卓系统的手机即可实现遥控四轴飞行器。
[关键词]四旋翼飞行器 手机 通信
中图分类号：TN62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0066-01
四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统；为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制，对飞行控制系统进行了初步设计，并且以Atemega328为计算控制单元，给出了飞行控制系统的硬件设计，研究了设计中的关键技术；由于采用贴片封装和低功耗的元器件，使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点；经过多次室内试验，该硬件设计性能可靠，能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。
1. 微小型四旋翼飞行器的发展前景
随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用.任务规划、飞行控制、无GPS导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径5 k m，飞行高度100m，续航时间1h有效载荷约500g，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。
2、四旋翼飞行器原理：
此飞行控制板规定四轴电机的排布方式如图所示： 前（1号）， 后（4号）， 右（3号）， 左（2号）.1，4号电机顺时针方向旋转， 2，3号电机逆时针方向旋转.四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴 横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动：当四轴需要向前方运动时， 2，3号电机保持转速不变， 1号电机转速下降， 4号电机转速上升， 此时4号电机产生的升力大于1号电机的升力， 四轴就会沿几何中心向前倾转， 桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动.当四轴要转向左转向时， 1，4号电机转速上升， 2，3号电机转速下降， 使向左的反扭距大于向右的反扭矩， 四轴在反扭距的作用下向左旋转.四个桨产生的推力， 超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动， 当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停. 其他方式的运动原理与以上过程类似. 四轴飞行原理虽然简单， 但实现起来还需很多工作要做.
3、整体逻辑结构框图
本项目所设计的四旋翼飞行器，硬件上由一个Atmega主控、一个六轴加速度传感器、接收模块、电机驱动模块、电源模块、以及四个空心杯电机所组成。
3.1 微处理器模块
所有的信息处理都是有ATmega328微处理器（时钟频率16MHz）。通过微处理器本身的硬件I2C采集IMU数据。微处理器模块是飞行控制系统的核心计算部件，它在每个控制周期内实时处理惯性测量装置（陀螺仪和加速度计）输出的信息（姿态角速率和三轴线性加速度），完成一系列复杂的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，结合接收到的无线模块控制指令，计算出控制量，转化为相应的信号通过PWM驱动电机工作，保持四旋翼稳定运行。
3.2 无线通信模块
通过现有无线网络建立遥控器和飞行器的通信链路。操控人员通过遥控器向四旋翼飞行器传输飞行和任务控制指令。基于成本考虑，本系统采用的是天地飞FT06-A六通遥控设备，从LM393G芯片的引脚1引出PPM和信号（Pulse Position Modulation sum signal）供飞行控制板采集。 也可以通过蓝牙从手机上位机端得到相应指令来进行控制四轴飞行器。
3.3 电源模块
为四旋翼飞行器飞行控制系统、无刷电机等提供电源。于四旋翼飞行器载重量有限，所以电源系统应该尽可能轻，能量密度要大。
考虑到线性稳压方式转换效率不高，能量损耗大的缺点，本系统改用开关电源的方式来稳压。但开关电源会产生较强的电磁干扰，且存电源波纹，这样对PPM的遥控方式影响就很大
4 软件编程与调试
4.1 姿态测量
获取当前姿态是控制飞行器平稳飞行的基础，姿态的测量要求低噪声、高输出频率，当采用陀螺仪等需要积分的传感器时，还需要考虑积分发散等问题。近年来 MEMS 传感器越来越成熟、应用广泛，成为低成本姿态测量的首选器件，因此该项目使用的传感器全部都是 MEMS传感器，在使用传感器的值进行姿态计算之前，有必要校正传感器。
4.2 传感器校正
由于实验条件限制，传感器的校正只有两项，分别对应两种类型的传感器：陀螺仪——静止时0输出的传感器、加速度计与罗盘——测量某向量场强度的传感器。
4.3 陀螺仪
对于陀螺仪等静止时 0输出的传感器，可以很方便地校正零偏。把传感器固定好，这时对输出值 f求平均，得到的A 即为零偏，实际使用时，把测得的值减去零偏，得到的值就是校正值。
4.1.2加速度计和电子罗盘
加速度计和罗盘都是测量所在点的某个向量场的值的传感器，静态时加速度计测的是等效重力加速度场，电子罗盘测的是地磁场。下面仅介绍加速度计的校正，罗盘的校正同理。加速度计测量的对象是比力，也就是等效重力加速度和运动加速度的和，当静止时，运动加速度为 0，加速度计的测量值为等效重力加速度，可以利用这一点校正加速度计。加速度计的校正的思路为：对测量值平移和缩放，把测量值拟合到重力加速度。因此校正的任务为：寻找最佳的平移和缩放参数，使总体测量数据的更靠近重力加速度。
参考文献
[1] 彭军桥.非共轴式碟形飞行器研究[D].上海大学 2001 级硕士研究生学位毕业论文：1-68.
[2] 吴东国. 基于四旋翼飞行器平台的低空遥感技术在公路环境调查中的应用[J]. 公路交通技
术.2012 .第6 期：137-138.
[3] 姬江涛，扈菲菲，贺智涛，杜新武，刘剑君.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J].农机
化研究.2013 .第2 期：1-4.
[4] 赵晨，杜勇.四旋翼无人机在输电线路巡视中的应用[J].湖北电力.2012.第36卷第6 期：35-36.
[关键词]四旋翼飞行器 手机 通信
中图分类号：TN62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0066-01
四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统；为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制，对飞行控制系统进行了初步设计，并且以Atemega328为计算控制单元，给出了飞行控制系统的硬件设计，研究了设计中的关键技术；由于采用贴片封装和低功耗的元器件，使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点；经过多次室内试验，该硬件设计性能可靠，能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。
1. 微小型四旋翼飞行器的发展前景
随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用.任务规划、飞行控制、无GPS导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径5 k m，飞行高度100m，续航时间1h有效载荷约500g，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。
2、四旋翼飞行器原理：
此飞行控制板规定四轴电机的排布方式如图所示： 前（1号）， 后（4号）， 右（3号）， 左（2号）.1，4号电机顺时针方向旋转， 2，3号电机逆时针方向旋转.四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴 横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动：当四轴需要向前方运动时， 2，3号电机保持转速不变， 1号电机转速下降， 4号电机转速上升， 此时4号电机产生的升力大于1号电机的升力， 四轴就会沿几何中心向前倾转， 桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动.当四轴要转向左转向时， 1，4号电机转速上升， 2，3号电机转速下降， 使向左的反扭距大于向右的反扭矩， 四轴在反扭距的作用下向左旋转.四个桨产生的推力， 超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动， 当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停. 其他方式的运动原理与以上过程类似. 四轴飞行原理虽然简单， 但实现起来还需很多工作要做.
3、整体逻辑结构框图
本项目所设计的四旋翼飞行器，硬件上由一个Atmega主控、一个六轴加速度传感器、接收模块、电机驱动模块、电源模块、以及四个空心杯电机所组成。
3.1 微处理器模块
所有的信息处理都是有ATmega328微处理器（时钟频率16MHz）。通过微处理器本身的硬件I2C采集IMU数据。微处理器模块是飞行控制系统的核心计算部件，它在每个控制周期内实时处理惯性测量装置（陀螺仪和加速度计）输出的信息（姿态角速率和三轴线性加速度），完成一系列复杂的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，结合接收到的无线模块控制指令，计算出控制量，转化为相应的信号通过PWM驱动电机工作，保持四旋翼稳定运行。
3.2 无线通信模块
通过现有无线网络建立遥控器和飞行器的通信链路。操控人员通过遥控器向四旋翼飞行器传输飞行和任务控制指令。基于成本考虑，本系统采用的是天地飞FT06-A六通遥控设备，从LM393G芯片的引脚1引出PPM和信号（Pulse Position Modulation sum signal）供飞行控制板采集。 也可以通过蓝牙从手机上位机端得到相应指令来进行控制四轴飞行器。
3.3 电源模块
为四旋翼飞行器飞行控制系统、无刷电机等提供电源。于四旋翼飞行器载重量有限，所以电源系统应该尽可能轻，能量密度要大。
考虑到线性稳压方式转换效率不高，能量损耗大的缺点，本系统改用开关电源的方式来稳压。但开关电源会产生较强的电磁干扰，且存电源波纹，这样对PPM的遥控方式影响就很大
4 软件编程与调试
4.1 姿态测量
获取当前姿态是控制飞行器平稳飞行的基础，姿态的测量要求低噪声、高输出频率，当采用陀螺仪等需要积分的传感器时，还需要考虑积分发散等问题。近年来 MEMS 传感器越来越成熟、应用广泛，成为低成本姿态测量的首选器件，因此该项目使用的传感器全部都是 MEMS传感器，在使用传感器的值进行姿态计算之前，有必要校正传感器。
4.2 传感器校正
由于实验条件限制，传感器的校正只有两项，分别对应两种类型的传感器：陀螺仪——静止时0输出的传感器、加速度计与罗盘——测量某向量场强度的传感器。
4.3 陀螺仪
对于陀螺仪等静止时 0输出的传感器，可以很方便地校正零偏。把传感器固定好，这时对输出值 f求平均，得到的A 即为零偏，实际使用时，把测得的值减去零偏，得到的值就是校正值。
4.1.2加速度计和电子罗盘
加速度计和罗盘都是测量所在点的某个向量场的值的传感器，静态时加速度计测的是等效重力加速度场，电子罗盘测的是地磁场。下面仅介绍加速度计的校正，罗盘的校正同理。加速度计测量的对象是比力，也就是等效重力加速度和运动加速度的和，当静止时，运动加速度为 0，加速度计的测量值为等效重力加速度，可以利用这一点校正加速度计。加速度计的校正的思路为：对测量值平移和缩放，把测量值拟合到重力加速度。因此校正的任务为：寻找最佳的平移和缩放参数，使总体测量数据的更靠近重力加速度。
参考文献
[1] 彭军桥.非共轴式碟形飞行器研究[D].上海大学 2001 级硕士研究生学位毕业论文：1-68.
[2] 吴东国. 基于四旋翼飞行器平台的低空遥感技术在公路环境调查中的应用[J]. 公路交通技
术.2012 .第6 期：137-138.
[3] 姬江涛，扈菲菲，贺智涛，杜新武，刘剑君.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J].农机
化研究.2013 .第2 期：1-4.
[4] 赵晨，杜勇.四旋翼无人机在输电线路巡视中的应用[J].湖北电力.2012.第36卷第6 期：35-36.