基于STM32的四旋翼飞行控制器的设计doc

1、杭州师范大学本科生毕业设计（论文）正文 基于STM32四旋翼飞行控制器设计本 科 生 毕 业 论 文 正 文（ 2016 届）论文题目基于STM32的四旋翼飞行控制器设计 学生姓名刘恩岗学 号2012810431专 业电子信息工程切入式软件方向班 级电子1203指导教师懂利达职 称副教授 杭州国际服务工程学院教学部 基于STM32的四旋翼飞行控制器设计摘 要随着时代的发展,多旋翼飞行器越来越被广泛的应用在军事、民用、以及科学研究等多个领域,同时其本身也向着高效、多功能化方面发展。四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机又叫四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以搭配微型相机录制空

2、中视频。四旋翼直升机，国外又称Quadrotor， Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等等，是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作（目前，也出现可以改变螺距的四旋翼飞行器，这种控制方式比改变电机转速更灵活方便）。1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何的控制，所以飞行稳定性是很差。1921年，George De Bothe

3、zat在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另一架大型的四旋翼直升机先后进行了一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准。1924 年，出现了一种叫做Oemichen的四旋翼直升机，直升机首次实现了1km 的垂直飞行。1956 年，Convertawing造了一架四旋翼直升机，该飞行器的螺旋桨在直径上超过了19 英尺，用到了两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器。在此之后的数十年中，四旋翼垂直起降机没有什么大的进展。近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展四旋翼垂直起降机制理论等技术的发

4、展，四旋翼垂直起降机又引起人们极大的兴趣。研究集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。本文采用固定机翼式四轴飞行器，主要采用PID技术调节和无刷直流电机驱动技术，初步研究设计飞行器的整体结构和飞行姿态，采用GPS技术导航增加飞行器姿态稳定性。本研究采用STM32主芯片作为飞行器的整体控制系统。飞行姿态均有地面站图像处理然后采用无线传输技术调整飞行器飞行姿态。关键字：四旋翼飞行器，四轴飞行器，四旋翼直升机，GPS，STM32，PIDDESIGN OF FOUT ROTOR FLINGHT CONTROLLER BASED ON STM32ABSTRACTWith the

5、development of the times, more and more rotor aircraft is widely used in military, civil, and scientific research and other fields, and it is also facing the development of efficient, multi-functional.The four rotor aircraft, also known as the four rotor helicopter is also called the four axis aircr

6、aft, is a kind of 4 propeller and the propeller is a cross of ten cross aircraft, you can match the micro camera to record aerial video.The four rotor helicopter, also known as Quadrotor, Four-rotor. 4 rotors helicopter, X4-flyer, and so on, is a kind of with four propeller aircraft and four propell

7、ers is cruciform cross structure, relative to the four rotor with the same rotating direction, divided into two groups, the rotation direction of the two groups of different. Unlike conventional helicopters, quadrotor helicopter only through changing the speed of the propellers to achieve a variety

8、of actions (at present, also can change the pitch quadrotor, controlled this way than to change the motor speed more flexible and convenient).In 1907, the French Breguet brothers made the first of four rotor helicopter, the flight did not use any rotor helicopter, the flight did not use any control,

9、 so the flight stability is very poor.In 1921, George de Bothezat in Ohio southwest of the city of Dayton Department of the air force built on a large four rotor helicopter has conducted a large four rotor helicopter, has carried out more than 100 times the flight test but is still not a good contro

10、l of the flight, and did not reach the standard of the United States Air Force.In 1924, there was a four rotor helicopter called Oemichen, the first helicopter to achieve the 1km vertical flight.In 1956, Convertawing made a frame of four rotor helicopter, the aircrafts propeller in diameter over the

11、 19 feet, used two engines, and by changing each propeller thrust the to control aircraft.In the decades after this, the four rotor vertical landing aircraft no major progress. In the last ten years, with the development of the technology of micro system, sensor and control theory, the development o

12、f the four rotor vertical takeoff and landing mechanism theory and other technologies, the four rotor vertical takeoff and landing machine has aroused great interest. The study focuses on the structure, flight control, and energy dynamics of small and micro four rotor aircraft.The fixed wing type fo

13、ur axis aircraft, mainly adopts PID regulation and no brush DC motor drive technology, preliminary study on the design of the aircraft and the overall structure of the flight attitude, increase the stability of the aircraft attitude in the GPS navigation technology. This study adopts STM32 as the ma

14、in chip of integrated control system for vehicle. The flight attitude has the ground station image processing and then uses the wireless transmission technology to adjust the flight attitude of the aircraft.Key words: four rotor aircraft, four axis aircraft, four rotor helicopter, GPS, STM32, PID目 录

15、第一章 绪论61.1 引言61.2 四旋翼飞行其发展史61.3 四旋翼飞行器的发展前景7第二章 四旋翼飞行基础控制原理102.1 飞行动力原理102.2 姿态分析102.3 动力学原理132.4 选材14第二章 四旋翼飞行器硬件152.1 四旋翼硬件框架152.2 硬件设计与选型152.2.1 微控制器152.2.2 电机驱动控制162.3 无刷电调182.2.4 螺旋桨19第三章 总结与展望203.1 总结203.2 未来的研究发展20参考文献21致 谢22第一章 绪论1.1 引言四轴飞行器是无人飞机的一种，也是一种智能机器人，“四轴”指飞行器的动力由四个旋翼式的飞行引擎提供。人们对于四轴飞

16、行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。近几十年来，随着现代控制理论与电子控制技术的发展，运用现代技术控制技术，使用电机代替油动力引擎进行四轴飞行器控制研究。四轴飞行器不需要专门的反扭矩浆，可通过反扭矩浆作用使飞行器扭矩平衡。同时由于飞行器可以共享电池。电路板等，使得可以设计更加精简紧凑的结构，使电机旋翼产生的升力更加有效地利用。因此四轴飞行器的发展更加小型化、多样化，使的四轴飞行器的应用更加广泛。飞行器自动控制器通常需要惯性导航系统获取自身的姿态，而在20世纪90年代之前，惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上，飞行器的载荷必须很大，可是人们发现，不

17、管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统，都很难得到足够的载荷。同时，因为固定翼和直升机已经很够实际使用了，所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里，只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。1.2 四旋翼飞行其发展史20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了。但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度

18、比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。因此，直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述，最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到2009年的著名印度电影三傻2010年，法国Parrot公司发布

19、了世界上首先流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非7常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。2012年2月，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是TED成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。自此之后

20、，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新的商业焦点。1.3 四旋翼飞行器的发展前景谈论四旋翼飞行器的市场，我们应该先谈论DJI。早年DJI专注在直升机自动控制器上。不过在2010年，AR.Drone的成功也让DJI开始考虑四旋翼飞行器产品。2012年DJI相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和S800六旋翼飞行器。当时，在AR.Drone的引领下，全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮，DJI只是众多小四旋翼公司中稍微出众的一个。当新技术产生的时候，人们总是充满希望用这些技术赶快赚钱，但是很多技术如果找不到合适的应用，就会流于衰败的命运。2012年的时候，研发四旋翼产品的人们在热

21、情之余也存有一丝迷茫：四旋翼飞行器是很好玩，但是它除了作为玩具之外，还有什么价值呢？就像AR.Drone被定义成玩具一样，DJI最早的多旋翼产品也被人定义成玩具、航模。2012年底的时候，一个天使投资人说，他直言自己不看好DJI这样的玩具公司。这个问题在2013年得到了解答。随着DJI Phantom在2013年1月的推出，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。“Phantom”在英语里有幻影、精灵的意思，它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。Phantom与AR.Drone一样控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。Phantom尺寸比AR.Drone大的多，抗风性更好，还具

22、有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是，当时利用GoPro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而Phantom提供了挂载GoPro的连接架，让用GoPro相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。就像iPhone重新定义了手机一样，我们也可以毫不夸张地说Phantom+GoPro重新定义了航拍，也重新定义了相机。Phantom迅速成为了世界上销量最大的四旋翼飞行器，每月销量成千上万。随着Phantom的成功，“多旋翼航拍影像系统”成为了DJI的主要发展方向。按照多方进行的数据统计，

23、目前全球称为航拍影像系统的产品中，DJI产品的销量超过5成，是名符其实的行业领导者。事实是，DJI产品在国内销量差不多是国外销量的零头。其他四旋翼公司看到了DJI的成功，也开始纷纷跟进，但是持续创新的DJI很快做出了精准的相机消抖云台，让S800的航拍影像质量达到了电影级别，在好莱坞的电影拍摄者中建立了良好的口碑，也带动了“航拍公司”这个产业的形成。DJI发明了四旋翼系统的黑匣子IOSD，让飞行数据可以被记录、分析，增加飞行的安全性。DJI开发了优秀的图传系统，提高了远程实时图像传输的质量。2013年下半年，以“会飞的相机”为宣传语的Phantom Vision带着一体化的相机和改进的电池系统

24、面世，进一步提升了航拍的体验。DJI优秀的marketing team借助在好莱坞的人脉迅速拓展了大量名人作为Phantom的用户，在北美广为人知。所以现在四旋翼飞行器的市场一部分是以AR.Drone和比他尺寸更小的玩具市场，另一部分是DJI Phantom和DJIS1000这个尺寸段的航拍飞行器市场。玩具市场暂且不说，航拍飞行器市场据分析未来几年会发展到100亿美元的规模。乔布斯说过：“people dont know what they want until you show it to them.”两年前，当四旋翼无人机还处在玩具阶段的时候，没有人知道它能用来干什么。而现在，当成千上万的

25、四旋翼飞行器在我们四周盘旋的时候，成千上万的新想法也随之起飞了。随着亚马逊、DHL和顺丰相继进行多旋翼飞行器测试送快递，随着媒体不断报道哪个国家的谁谁谁又用四旋翼飞行器做了啥啥啥应用，诸如送快递、输电线路勘测、野生动物保护、安防监控之类的想法似乎都已经不是新鲜名词了。四旋翼飞行器的市场似乎变得很大。人们热切地提出各种各样的想法。在DJI，几乎每天都有人来找我们说你们的飞机能不能用来作啥啥啥，其中不乏一些世界500强公司的代表。大部分这些想法通常是不切实际的，因为人们通常不理解四旋翼飞行器和直升机以及固定翼的区别，不明白什么样的应用应该用什么样的飞行器，这就是为什么开头我要花巨大的篇幅来解释无人

26、机的分类。比如说，勘测稻田这个事情，显然是固定翼更合适，因为它飞行半径大，续航时间长。而勘测温室里的植物，显然是四旋翼更合适，因为它尺寸小、灵活、运动更自由。通常一个公司如果专注于做一类飞行器，很难快速地切换去做另一类飞行器。比如做四旋翼飞行器需要大量做控制的人才，而做固定翼需要大量懂空气动力学的人才。同一个团队基本不可能又能做四旋翼又能做固定翼。所以一个无人机公司如果不是非常有钱，应该专注在三种飞行器中的一种上。“人类对飞行的梦想是与生俱来的。”你已经看到人们的创意如何在一两年之内被四旋翼点燃起来，想必当人们更加了解三类飞行器的优缺点之后，更多的公司进入各种飞行器行业，更多的飞行器被制造出来

27、，更多的想法也会被创造出来，这样更大的市场也会形成。我相信在未来的十年之内，无人机行业会逐步壮大，我们今天产生的所有想法基本都会实现，更多的想法也会逐步被实现，利用无人机的应用越来越多，无人机将会变成我们生活不可或缺的部分。当然，三种无人机的比例会在不同时期有所不同。四旋翼市场很可能萎缩，因为它续航时间短，载重量小，还像蚊子一样嗡嗡叫，不合适大多数我们想实现的应用。现在人们觉得可以用四旋翼送快递或者干这个干那个，完全只是因为you show it to them。如果将来有人设计了一种利用固定翼送快递的方案，显然能送更多的东西，更省电，也更安静，那么很可能人们主要会研究用固定翼送快递。人们暂时

28、只是被成熟的四旋翼解决方案冲昏了头脑，以为四旋翼无所不能，但这种看法是不完整的。目前美国物理学家Anderson正在着手一个“follow me box”，一个手机大小的盒子，你可以别在你的皮带上来遥控一个飞机（机器人），让它跟在你身边用镜头记录你的每一瞬间。比如一个冲浪运动员希望记录自己冲浪瞬间的镜头，你按一下follow me box的按钮，这个飞机（机器人）就会飞出你的身体，盘旋在你上空的位置，然后开始拍照，如果电池开始不够了，飞机（机器人）会自行检测然后安全着陆到海滩。目前遥控飞机被用到的领域包括需找遇难的徒步旅行者和滑雪者、给房屋拍摄航空影像、调查非洲的考古遗址等。现在世界前沿领先制

29、造四轴飞行器有：深圳市大疆创新科技有限公司(DJI)、法国巴黎Parrot(派诺特)公司、3D Robotics、AscTec 为德国 Ascending 公司旗下的无人机品牌、亿航科技(Ehang)、深圳零度智能飞行器有限公司(ZeroTech)、广州极飞电子科技有限公司(XAIRCRAFT)、上海九鹰电子科技有限公司（MOLA(模拉)）、深圳飞豹航天航空科技有限公司（FLYPRO)、Yuneec等。第二章 四旋翼飞行基础控制原理2.1 飞行动力原理（图2.1） （ 图2.2 ）四轴飞行器是一个在空间具有6个活动自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），但是只有4个控制自由度（四个电机的转

30、速）的系统，因此被称为欠驱动系统（只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统）。不过对于姿态控制本身（分别沿3个坐标轴作旋转动作），它确实是完整驱动的。2.2 姿态分析因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地， （图2.2.1） 实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。电机1的转速上

31、升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向 （图2.2.2）旋转，实现飞行器的俯仰运动。 改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （图2.2.3） 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭

32、矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。 （图2.2.4） 要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加

33、电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。 （图2.2.5） （图2.2.6）2.3 动力学原理四旋翼飞行器的升力全来自于螺旋桨，螺旋桨靠电机驱动高速旋转，旋转与空气相互作用，产生上升力，上升力来源有两种、： 空气推力 螺旋桨向后推空气的反作用力2.3.1 空气推力根据伯努利原理，动能+压力势能=常数，即公式如下：P1+1

34、/2V12+gh=C, 这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。它也可以被表述为p1+1/2v12+gh1=p2+1/2v22+gh2。在螺旋桨旋转过程中，密度、高度、重力常数均变，速度V越大，则压强P越小，如右图图 （图2.3.1）桨叶上半部距离长，但流过的时间是一样的，故桨叶上方空气流速v更大，压力p更小，由于压力差的存在，空气对桨叶有向上的推力。2.3.2螺旋桨反作用力螺旋桨旋转时，桨叶不断把大量空气（推进介质）向后推去，在桨叶上产生一向前的力，即推进力。2.3.3 其他一般情况下，螺旋桨除旋转外

35、还有前进速度。如截取一小段桨叶来看，就像一小段机翼，其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成。桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉力。在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩，由发动机的力矩来平衡。桨叶剖面弦(相当于翼弦)与旋转平面夹角称桨叶安装角。螺旋桨旋转一圈，以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。实际上桨叶上每一剖面的前进速度都是相同的，但圆周速度则与该剖面距转轴的距离（半径）成正比，所以各剖面相对气流与旋转平面的夹角随着离转轴的距离增大而逐步减小，为了使桨叶每个剖面与相对气流都保持在有利的迎角范围内，各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减小。这就是每个桨叶都有扭转的原因。螺旋桨旋转

36、时,桨叶剖面弦与旋转平面的夹角称为桨叶安装角。2.4 选材1、遥控器2、机架3、飞控4、电调5、电机6、正反桨7、电池8、平衡充9、带有电罗经的GPS3、数传第二章 四旋翼飞行器硬件2.1 四旋翼硬件框架系统核心部分为飞行控制器（简称飞控），其核心芯片为基于STM32F405R6T6的控制系统。为控制器加上各种功能及模块，来操控飞行姿态。为控制器实现对无线传感及传感器的信号进行采样处理计算，得到想要的飞行姿态位置及其参数，结合遥控操作极地面操作控制信号进行控制算法，实现对四个无刷电机控制量输出。由3轴重力加速传感器与陀螺仪传感器组成电子陀螺仪模块实现对四旋翼飞行器姿态控制。空气高度穿感器 重力

37、加速度传感器 陀螺仪传感器 电调 电机1 遥控接收 电调 电机2 微控制器 PWM STM32F405R6T6 接口 电调 电机3遥控接收机 电调 电机4 遥控器 无线传感 GPS 地面控制站 （2.1 硬件结构图）2.2 硬件设计与选型2.2.1 微控制器微控制器是四旋翼飞行器的核心单元，对四旋翼飞行器起着至关重要的作用。本文采用STM32F405R6T6作为微控制器。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。而STM32F2系列分为：高性能系列STM32F205/207和高性能系列STM32F207/217。STM32F4系列为ST

38、M32平台新增了众多高级外设：1.支持高速模式的USB OTG（需要连接外部PHY）；2.支持音频级的架构：I2S和USB外设（连同高级PLL和数据同步方案）；3.视频传感器接口，8位或14位并行信号，工作在48MHZ可以取得高达48M字节/秒的数据率；4.灵活的静态存储器接口，速率高达60MHZ，扩展存储空间和连接LCD；5.加密/哈希处理器：3DES，AES 256/SHA1.MD5，HMAC；6.3个SPI，时钟频率最快可达30M字节/秒；6个USART，最高波特率7.5M字节/秒；7.3个12位ADC模块，每个模块采样率高达2M/秒；8.真正的随机数产生器；9.快速GPIO（翻转速率高

39、达60MHZ） 型号封装程序存储器定时器功能 A/D转换器D/A转换器I/O 端口(大电流)串行接口供电电压(Vcc)(V)供电电流(Icc)温度Flash。为满足支持GPS口而选用STM32F4系列的STM32F405R6T6作为微控制器。2.2.2 电机驱动控制电机驱动控制就是控制电机的转动或者停止，以及转动的速度。电机驱动控制部分也叫做电子调速器，简称电调，英文electronic speed controller（ESC）。电调对应使用的电机不同，分无刷电调和有刷电调。有刷电机的永磁体是固定不动的，线圈绕在转子上，通过电刷跟换相器接触来改变磁场方向来保持转子持续转动。无刷电机，顾名思义

40、，这种电机是没有电刷和换相器的，他的转子是永磁体，而线圈是固定不动的，直接接到外部电源，问题就来了，线圈磁场方向怎么改变呢？事实上，无刷电机外部还需要一个电子调速器，这个调速器就是一个电机驱动，通过改变固定线圈内部电流的方向，保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥，持续转动得以延续。 （图2.2.2）有刷电机工作可以不需要电调，直接把电供给电机就能够工作，但是这样无法控制电机的转速。无刷电机工作必须要有电调，否则是不能转动的。必须通过无刷电调将直流电转化为三相交流电，输给无刷电机才能转动。一般使用PWM的占空比来控制电机的转速。Crazepony电机驱动无刷电机的操作相对来说是比较麻烦的，而有刷

41、电机就是我们小时候玩的四驱车上的那种电机，接上电就能猛转，反着接它就反着猛转，就是这么简单。Crazepony使用的是有刷空心杯电机，所以电机的控制属于有刷直流电机控制，相对于无刷电调来说要简单很多。Crazepony采用的是有刷空心杯高速电机，转速在3W转/分钟左右。要驱动有刷电机，很简单，只需要将信号的驱动能力增大，就能驱动有刷电机了。那么选择什么元件来提供这样的特性呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管，中功率管的失败，最后选用的是场效应管（即MOSFET）SI2302。最开始用的三极管作为电机驱动，采用很经典的共射电路“三极管工作在开关状态应该就行了吧？”画了用三极管驱动

42、的PCB板，发现电机越转越慢，根本没劲。“也许是因为三极管扛不了大电流，好吧那我换个中功率管吧，集电极最大6A电流行了吧？”可以想象结果是不行的。 （图2.2.3三级管）三极管作为一个古老的半导体先驱，它是以一个放大器件的姿态而出现的，它在线性区域特性集中，饱和与截止都是两种极端的工作状态，而作为电机驱动的话，我们只能选择它的这两种极端工作模式。用三极管作为大电流负载的驱动管时，不得不考虑的是他自身的管压降对负载的影响，这是很严重的。自身耗散越来越大，电机和管子是串联关系，电池电压只有3.7V，电机就只能越转越慢了在晶体管家族里面还有一种跟三极管特性互补的，所有特性都集中在开关状态的晶体管，场

43、效应管，即MOSFET。通常的场效应管完全导通时，源漏极电阻都是m级别的，即它自身的耗散非常小。用它做为驱动管再合适不过了。最终选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs4v的场管（SI2302）,结果表现出了很好的驱动性能。 （图2.2.3）每个场效应管接一个大电阻下拉，目的是为了防止在单片机没接手电机的控制权时，电机由于PWM信号不稳定开始猛转。接一个下拉电阻，保证了场管输入信号要么是高，要么是低，没有不确定的第三种状态。那么电机也只有两种状态，要么转，要么不转。主控输出的是PWM波形，用于控制场效应管的关闭和导通，从而控制电机的转动速度。这就是crazepony电机驱动的原理。就是这么简

44、单。2.3 无刷电调大四轴基本上都是使用的无刷电机，无刷电机控制必须配合无刷电调使用。无刷电调的输入是直流，通常直接接航模电池。输出是三相交流，驱动无刷电机。另外无刷电调还有三根信号线，输入PWM信号，用于控制电机的转速。对于航模，尤其是四轴飞行器，由于其特殊性，需要专门的航模电调。 （图2.3.1）在四轴飞行器上需要专门的电调呢，其有什么特别的地方？四轴飞行器有四个桨，两两相对呈十字交叉结构。在桨的转向上分正转和反转，这样可抵消单个桨叶旋转引起的自旋问题。每个桨的直径很小，四个桨转动时的离心力是分散的。不像直机的桨，只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力，保持机身不容易很快的侧翻

45、掉。所以通常航模直升机用到的电机控制信号更新频率很低，而航模四轴飞行器用到的控制信号更新频率很高。四轴为了能够快速反应，以应对姿态变化引起的飘移，需要高反应速度的电调，常规PPM电调的更新速度只有50Hz左右，满足不了这种控制所需要的速度，且PPM电调MCU内置PID稳速控制，能对常规航模提供顺滑的转速变化特性，用在四轴上就不合适了，四轴需要的是快速反应的电机转速变化。用高速专用电调，IIC总线接口传送控制信号，可达到每秒几百上千次的电机转速变化，在四轴飞行时，姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击，依旧安然无恙。2.2.4 螺旋桨四轴飞行器需要安装4个桨片，如果4个桨叶都采用逆时针转动，

46、则4个桨叶都会产生一个逆时针旋转的自旋扭力，使得被载体向右自旋；所以四轴飞行器为了抵消这种自旋扭力，设计时采用2个正桨和2个反桨，2个顺时针和2个逆时针的桨叶按照循环排列，并且一对桨叶向左旋转，而另一对桨叶向右旋转，这样就可以抵消掉桨叶转动时发出的自旋扭力，使飞行器受力均衡。正反桨区分如下： 正桨在桨片上以“L”字母标注，从正桨片正面看以逆时针旋转拨动气流；反桨在桨片上以“R”字母标注，从反桨片正面看以顺时针旋转拨动气流。第三章 总结与展望3.1 总结随着四轴飞行器的发展，其在军用、民用、商用都有较大发展空间。如2012年宾州大学的Vijay Kumar在TED大会上发表四轴飞行器的发展前景。文中四旋翼飞行器特殊性的构造，对飞行器做了初步的设计，对飞行姿态进行实时经过地面站成图像形式检测。利用出现传输模块对飞行器做各种姿态调整。课题最后对设计结果进行了初步测试，测试结果显示飞行器能实现基本飞行功能。3.2 未来的研究发展四轴飞行器有着众多的研究方向及应用领域，从国内外对飞行器研究的情况和科技发展动态来看，其发展趋势主