1.引言

四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器。进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。

四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。

在实际应用方面，四轴飞行器可以在复杂、危险的环境下可以完成特定的飞行任务，也可以用于监控交通，环境等。比如，在四轴飞行器上安装甲烷等有害气体的检测装置，则可以在高空定点地检测有害气体；进入辐射区检查核设施；做军事侦察；甚至搬运材料，搭建房屋等等。本设计利用四轴搭载云台实现航拍任务，当然经过改装也可以执行其他任务。

本设计主要研究了四轴飞行器的姿态结算和飞行控制，并设计制作了一架四轴飞行器，对关键传感器做了标定，并利用用matlab分析数据，设计算法，还进行了单通道平衡试验调试，进行试飞实验取得了一定的效果。

2.系统方案

本设计采用STM32F4作为核心处理器，该处理器内核架构 ARM Cortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特点。

主控板包括传感器MPU6050电路模块、无线蓝牙模块、电机启动模块，电源管理模块等；遥控使用商品遥控及接收机。控制芯片捕获接收机的PPM命令信号，传感器与控制芯片之间采用IIC总线连接，MCU与电调之间用PWM传递控制信号。

软件算法才用基于四元数的互补滤波解算姿态叫，控制算法才用经典PID控制器控制云台舵机和四轴电机。如图2-1为本设计总体框图。

3.系统硬件设计

针对前面提出的整体设计方案，本设计采取模块化策略,将各个功能部分开来设计，最后组合起来。

3.1 电源管理模块

四轴飞行器要求整体设计质量较轻，体积较小，因此在电池的选取方面，采用体积小、质量轻、容量大的锂电池供电最合适。系统的核心芯片为STM32F103，常用工作电压为3.3V，同时惯性测量传感器，蓝牙通信模块的常规供电电压也为3.3V，锂电池的电压为11.4V，要使系统正常工作，需要将11.4V的锂电池电压稳压到3.3V。常用的78系列稳压芯片已不再适用，必须选择性能更好的稳压芯片。

经综合考虑，本电路采用LM1117-3.3和LM2940-5电源部分的核心芯片。电池电源经过LM2940-5降到5V后在输入LM1117-3.3稳压为3.3V。由于电机部分电流较大，故在飞控电路部分加入了过流保护，使用500mA的保险丝。电路图如下。

表3-1 四轴飞行器硬件清单

4.系统软件设计

软件设计上由控制核心STM32F4读取传感器信息，解算姿态角，以姿态角为被控制量融合遥控信息后，输出到四个电机及两个舵机以完成四轴飞行控制和云台的稳定补偿。下图是软件流程：

4.1.四元素计算姿态角的实现

根据前面给出的姿态解算方程与四元数，即可得到姿态计算系统的计算原理如下图（4-1）

本设计基于互补滤波的思想上完成的四元素算法，其核心思路为利用加速度测得的重力向量与估计姿态得到重力向量的误差来矫正陀螺仪积分误差，然后利用矫正后的陀螺仪积分得到姿态角。

首先不妨设处理后的加速度数据为：ax,ay,az，单位m/s^2。加速度计的向量为 （ax,ay,az）陀螺仪数据为：gx,gy,gz，单位rad/s。陀螺仪向量 （gx,gy,gz），由式（4-5）可得由载体到导航坐标系的四元数形式转换矩阵为：

根据余弦矩阵和欧拉角的定义，地理坐标系的重力向量，转到机体坐标系，是 中的第三列的三个元素，即。所以加速的向量与估计重力向量叉积：

然后利用向量的叉积， 可视为误差向量，这个叉积向量仍旧是位于机体坐标系上的，而陀螺积分误差也是在机体坐标系，而且叉积的大小与陀螺积分误差成正比，正好拿来纠正陀螺。由于陀螺是对机体直接积分，所以对陀螺的纠正量会直接体现在对机体坐标系的纠正。用上面得到的结果校正陀螺仪：

此处k为一个常量系数。

再利用二阶毕卡法解四元数微分方程（4-6），更新四元数为下一次计算做准备。毕卡二阶算法为：

最后将四元数转变为欧拉角：

数据流程图如下：

通过以上算法我成功得出了飞行器的姿态角，在开启电机的情况下，角度误差在+/-2°以内，满足了控制要求。姿态计算效果如下图所示，其中红色和蓝色是直接由加速度计算出的俯仰角和横滚角，青色和黄色为姿态结算后的俯仰角和横滚角。由图中数据可看出，解算的姿态角不仅能即时的反应角度变化切曲线平滑，说明