基于Multiwii的开源四轴飞行器

费科程　吴佳伟　邱晓荣

摘要：基于Multiwii的开源四轴飞行器是目前主流的開源四轴项目之一。该文介绍了四轴飞行器的概念和特性，对Multiwii四轴飞行器的硬件组成、安装调试以及关键技术做了一定的探讨。实验结果表明，该飞行器能较好地执行飞行任务。

关键词：Multiwii；四轴飞行器；开源

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）28-6758-03

目前世界开源网络中出现了一批较为优秀的开源飞行器航模产品，设计者通过分工协作从硬件模块和软件算法上对四轴飞行器进行优化升级，并通过Google Code等方式进行共享，极大地促进了四轴飞行器研究发展，具体的开源项目有：KK四轴、Mikrokopter四轴、ArduCopter四轴和Multiwii四轴。

Multiwii也称MWC，一般用于多旋翼航模的飞行控制器，它最初由法国航模爱好者Alex创立，后经不断地改造扩展，现在Multiwii不仅仅支持三轴、四轴、六轴等系列的多旋翼飞行器，还支持固定翼和直升机等航模。

1 四轴飞行器的硬件组成

1.1 结构框架

四轴飞行器的结构框架有2种：十字模式（如图1所示）和X模式（如图2所示）。

十字模式的前进方向与四轴中的一个电机一致，也就是飞行控制模块上的箭头指向其中一个电机；而在X模式下，飞行控制模块上箭头指向的是前端两个电机的中间位置。因为十字模式能明确四轴前后左右的作用，因此比较适合新手，飞行器的设计与实现相对比较容易。而X模式更灵活，适合特技飞行，设计与实现相对较难。

1.2 硬件组成

十字模式和X模式仅限于飞行姿态的不同，两者的硬件组成是完全相同的，主要模块有：

1） 飞行控制模块

该模块被固定在飞行器的几何中心，用于控制整个飞行器的飞行姿态，其中包括主控制器模块、姿态采集模块、遥控接收模块等。

Multiwii飞控模块硬件分为Arduino mega（ATmega2560）和Arduino 328P（ATmega328P）两种版本。两个版本各有优缺点，均支持多种外设，但接口稍有不同。Arduino mega版本只能用串口接GPS和声呐，由于两个外设占用了串口，无法实时用蓝牙或FTDI查看飞行状态信息。Arduino 328P版本虽然容量小，但可以采用双328P的模式，另一块ATmega328P用于制作I2C-GPS/Sonar导航板，这样就可以用I2C来读取GPS和声呐的数据，不必占据串口，可以实现实时查看飞行状态信息。

因此，目前主流的MultiWii飞行控制模块（如图3所示）一般由Arduino Pro Mini、GY-86模块和PCB底板组成。Arduino Pro Mini板上有ATmega328P微处理器和一些接口电路。GY-86是传感器板，上面集成了MPU6050（整合了3轴陀螺仪和3轴加速器）、HMC5883L（3轴数字罗盘）、MS5611（气压传感器）等集成电路模块，能够确保飞行器的平稳飞行。

2） 四个旋翼模块

该模块被固定安装在飞行器机身的四轴末端，其中包括螺旋桨（如图4所示）、电子调速器（如图5所示）、无刷电机（如图6所示）等。

螺旋桨要注意的是四轴飞行器为了抵消螺旋桨的自旋，相邻桨的旋转方向是不一样的，所以需要正反桨，正反桨的风都向下吹，用以提供飞行器飞行时的升力。安装的时候，无论正反桨，有字的一面必须朝上。正桨在桨片上以“L”字母标注，以逆时针旋转拨动气流；反桨在桨片上以“R”字母标注，以顺时针旋转拨动气流。螺旋桨的型号一般是1045、7040这些4位数字，前面2位代表桨的直径，后面2位是桨的角度。

电子调速器，简称电调。它的作用是充当电压变化器的作用，将电源电压（一般是11.1V）转换为5V电压为飞行控制模块和遥控器接收机模块供电，同时它也能把飞行控制模块输出的控制信号转变为电流的大小，以控制电机的转速。因为电机的瞬时电流很大，通常平均有3A左右的工作电流，如果没有电调的存在，飞行控制模块根本无法承受这样大的电流。特别注意的是，电调初次使用时要进行油门校准。

四轴飞行器的电机一般采用外转子无刷电机，它的用途类似于马达，用于驱动螺旋桨旋转。无刷电机中间是定子，外圈是转子，通过控制无刷电机三根线的时序可以使电机达到不同的旋转方向。由于无刷电机不存在电刷磨损，因此使用寿命长，功率大，性能优越。电机的型号一般是2212、2018这些4位数字，前面2位代表电机转子的直径，后面2位是电机转子的高度。一般来说，前面2位越大，电机越肥，后面2位越大，电机越高，又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴。

3） 机身模块

机身模块由四个机臂和上下中心板构成（如图7所示），主要用于连接四个旋翼模块和固定飞行控制模块。目前，市场上主流的产品基本都是大疆F450机架及其仿制品，机臂的主要材质是尼龙加纤维，上下中心板的主要材质是沉金PCB板。

4） 遥控器模块

遥控器模块主要由遥控器和接收机两部分组成（如图8所示），一般都使用2.4GHz的频率。遥控器操作主要包括油门（升降）、俯仰（前后）、横滚（左右）、偏航（自转）等控制，实现飞行器6个自由度的飞行。目前市场上主流的遥控器有“美国手”和“日本手”两种手柄布局（如图9所示），两者的区别在于控制油门的手柄在左侧还是右侧。

5） 电池及充放电設备

目前飞行器一般使用聚合物锂电作为动力电池。为了解决聚合物锂电使用后各片电池电压不平衡的问题，常用平衡充放电设备，此类设备能够随时监测聚合物锂电中各片电池的电压情况，提供放电保护功能，并能起到平衡各片电池电压的功能。

2 四轴飞行器的安装调试

2.1 安装注意事项

1） 机架组装

机架组装就是把飞行控制模块、四个旋翼模块、机身模块、遥控器接收机模块、聚合物锂电池等组装成一套完整的四轴飞行器（如图10所示）。必须注意的是，为使整个四轴多旋翼飞行器的重心在飞行过程中保持中心稳定，飞行控制模块必须固定安装在飞行器的中心，四个旋翼模块的螺旋桨也应处于同一水平面高度，这样飞行控制模块就可以通过调整电子调速器来控制无刷电机，通过无刷电机控制四个螺旋桨的转速来控制飞行器的运动姿态。

2） 接线连接

接线连接就是用跳线连接电调、飞行控制模块和遥控器接收机模块。如果飞行器采用的是X模式结构框架，电调和飞行控制模块的连接可以参考图2和图3。飞行控制模块和遥控器接收机模块的连接必须参考遥控器说明书，不同遥控器的接线方法不一定相同。

2.2 调试注意事项

四轴飞行器在安装完毕以后，必须经过调试才能试飞。调试主要包括遥控器和接收机对频、电调油门校准、MultiWii飞行控制模块解锁、陀螺仪校准和加速器校准、MultiWii GUI参数配置（如图11所示）等步骤。成功完成了调试之后，就可以试飞了，试飞时身体一定要和飞行器保持一定距离，因为高速旋转的螺旋桨极有可能对人体造成极大的伤害。

3 结束语

目前，Multiwii四轴作为众多开源四轴项目中较为成熟的一个案例，受到了广大科研工作者和航模爱好者的关注。相对于其它类型的四轴飞行器，Multiwii四轴具有结构简单、易控制、重量轻、节能环保等优点。当然Multiwii四轴也有一定的不足之处，与APM四轴相比，Multiwii四轴最大的不足之处就是不支持地面站，这有待Multiwii四轴的进一步发展和完善。

参考文献：

[1] 刘杰.四轴飞行器研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2013.

[2] 陈海滨，殳国华.四旋翼飞行器的设计[J].实验室研究与探索，2013，32（3）：41-44.

[3] 田卫军，李郁，何扣芳，等.四轴旋翼飞行器结构设计与模态分析[J].制造业自动化，2014， 36（2）：37-39.

[4] 王东平.基于嵌入式的四轴飞行器控制系统研究与设计[D].泉州：华侨大学，2013.