四旋翼无人机设计

单 杰，汤晓乐

（1.江苏联合职业技术学院扬州分院，江苏扬州 225003；2.江苏汽车技师学院，江苏扬州 225003）

0 引言

四旋翼最显著的开发方向就是在无人机领域的应用。相比于单旋翼直升机而言，四旋翼飞行器可以完成上升、下降、前倾、后仰、左旋、右旋、左倾、右倾等动作，还可以进行垂直起降空中悬停等，对地理飞行环境有超强的适应性，使其拥有其他各种飞行器无可比拟的优势。四旋翼无人机最大的优势在于体积小，运动方便灵活，可以轻松完成各种狭窄空间的飞行任务[1]。

虽然四旋翼飞行器在各个领域的应用需求非常大，但是其控制系统的复杂程度远超过其他类型的飞行器，机械结构的可靠度和运动控制算法的复杂性，以及对于通信和远程操控的高要求性，在一定程度上阻碍了它的发展。本文对于四旋翼无人机做出的进一步研究，有助于推动四旋翼飞行器的进一步发展和完善。

1 总体设计思路

本设计的飞行器是一种结构轻巧、外观新奇的飞行器，其结构精致合理。运动原理是通过改变分置在机身四周的4 个电机的转速改变旋翼产生的升力，由不同旋翼升力的不同变化来改变飞行姿态。本设计最终可达到垂直起飞降落、空中自由悬停等动作，适应各种飞行环境和各种飞行任务。系统结构主要包括：四旋翼飞行器总体方案设计、机械结构设计、驱动系统设计、控制系统的设计、检测系统设计等（图1）。

图1 系统结构框

1.1 四轴飞行器总体结构

本设计的机械结构由机械本体（螺旋桨）、电机和传动机构构成，使电机输出动力传到执行部分。4 个大小、结构、重量都相等的螺旋桨互相呈90°对称安装在飞行器机架末端且处于同一水平高度，机身主体部分提供上下2 个安装板面，下平板主要是用来安装电池和脚架，上平板可以安装控制电路板电调、传感器和其他信息采集设备。

1.2 传动机构设计

传统设计大多数将电机立放，直接与螺旋桨相连，其结构存在着电机安装不牢固或4 个旋翼不平衡等问题，并且损坏后较难拆卸修理。本设计将电机横置固定于电机底座上，配以联轴器将扭矩源源不断向前传递，联轴器后面采用一对直齿圆锥齿轮传动，并配合一对角接触球轴承以抵消圆锥齿轮大端轴向力，外加一个箱体使其成为闭式传动，具有传动平稳、噪声小等优点，还有利于阻挡灰尘雨水等杂质进入传动系统损坏元件，增强了无人机对特殊工作环境的适应性。动力部分如图2 所示。此传动系统具有结构紧凑精密、安装牢固可靠、工作稳定等优点。

图2 动力部分

1.3 机身主体设计

主体结构采用上下2 个平板用一组螺栓组链接，上平板安装控制器电路板，下平板安装电池、脚架和外设装备（如微型航拍摄像机等）。螺栓组连接结构设计本着各螺栓受力合理、方便制造和安装的原则。本设计采用1 组共计8个螺栓用以连接和支撑上下平板，细分为4 组，每组2 个呈中心对称分布在上下平板之间，使螺栓组受力合理，避免了载荷分布不均等问题；采用相同材料及规格的螺栓螺母，还可以避免螺栓组承受附加的弯曲载荷（图3）。

图3 三维装配

1.4 脚架设计

脚架的设计对于飞行器保持平衡和着陆稳定要求至关重要，本设计的脚架设计成高脚架，以便于对飞行器后续的功能开发（图4）。为了克服高脚架在降落时重心高、不平稳等问题，将脚架做成半圆弧形状，并且安装2 根横向支撑轴，增大了4 个着陆点之间的相对距离，提高了飞行器着陆时的稳定性。在4 个最远处的着陆点设计安装了着陆减振皮圈，降低无人机降落时所带来的冲击振动，以起到保护机器的作用。

图4 脚架

1.5 总体装配

电机、机身主体和脚架3 个大部件组成了本设计的完整结构（图5）。

图5 总体装配

2 控制系统

控制系统主要实现保持飞行器稳定飞行和人为遥控完成一定的飞行姿态任务。通过检测电机转速、转向和飞行器在空中飞行时的姿态，将数据传送给主控制器，然后由主控制器将由无线通信模块传来的指令与传感器检测到的信息进行对比，经过一系列复杂的计算过程转换成4 路PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号传送给驱动模块，驱动模块就是由位于机身四周的4 个无刷直流电机组成的，通过PWM 信号的改变来改变电机的转速与转向，达到对飞行器飞行姿态的控制目的（图6）。

图6 控制系统流程

2.1 主控制器的设计

本设计对单片机高速处理和运算能力的要求高，目前市场上最受欢迎的32 位STM32 单片机十分合适。

2.2 检测部分

检测部分所安装的传感器主要需要完成3 个任务：①检测飞行器在空中的位置和姿态；②检测驱动模块4 个伺服电机的转速、转向；③将所收集的信息传送给主控制器，由主控制器与需要执行的命令进行对比处理，进行后续任务。传感器部分必须具备高精度、低消耗等优点，满足整个系统所具有的可靠性、抗干扰性、高集成度等特点，以下对各个检测模块进行设计[2-4]。

（1）位姿检测。位姿检测传感器模块主要涉及陀螺仪和加速度计传感器。陀螺仪测量的量是角速度的绝对值，综合计算可得出相对旋转速度，检测响应快，不受外界磁场和加速度的影响，但是对陀螺仪长时间积分后，存在积分累计误差。这种累计误差无法通过陀螺仪自身消除，并且陀螺仪的静态响应比较差。为了解决这一问题，就要给陀螺仪一个参考量，来修正陀螺仪的误差。加速度计的情况刚好和陀螺仪的情况相反，加速度计的动态响应很差，但是静态响应很准，所以只需要将陀螺仪和加速度计两个信号量找到合适的耦合比例，就可以得到所需求的量，并且还能解决陀螺仪长时间使用带来的误差。本设计采用的是MPU6050 高精度陀螺加速度计，它集成了三轴MEMS 陀螺仪，三轴MEMS 加速度计，避免了陀螺仪和加速度计组合时轴间差的问题，同时内部嵌有数字滤波技术，能够滤除外界噪声，增加测量精准度。MPU6050 内部集成了姿态解算器，将其和互补滤波或卡尔曼滤波算法结合使用时，能够在动态情况下精准地输出当前测量的姿态角，测量的姿态角精度能达到0.01°，稳定性能非常高。

（2）转速检测。当陀螺仪和加速度传感器将飞行器的位置和姿态反馈给主控制器单片机后，主控制器就需要得到当前电机的状态，然后与无线模块传输来的目标命令进行对比，经过计算得出控制方案，然后转变为4 路PWM 信号改变电机的状态。综合考虑，本设计采用光电传感器来检测电机转速，因为其检测方式为非接触式，检测时不需要和物体接触，也不受其影响。检测对象的限制少，可依检测对象的表面反射、遮光等进行检测。其响应速度快，可检测高速移动的物体。又因为其拥有光线直射性、波长短的优点，使分解能较高，最适合微小物体、高精度位置的检测。再加上光纤的使用，可以进行投、受光，在狭窄或危险的场所装置光纤，所受到的限制较少。综合考虑采用光电传感器来检测电机转速。

（3）转向检测。电机的转向对于飞行器在空中完成横滚、侧飞和其他动作尤为重要。本设计采用位置传感器来实时监控直流电机转向，检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，控制它的导通与截止，使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。

3 结语

从机械结构设计、驱动系统设计、控制系统设计和检测系统设计等方面进行了四旋翼无人机设计，提出一种新型无人机设计方案：通过4 个电机分别控制4 个旋翼，并结合位姿检测系统避免飞行过程中因外力造成的飞行误差。其结构轻巧合理，避免了传统旋翼类无人机的一些不足之处。