【正文】 不大，到X模式使用廣泛，因此我們采用X字模式。四旋翼飛行器的四個(gè)電機(jī)對(duì)稱分布在各個(gè)軸上，并且同一條軸線上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向要保證相同，相鄰的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反[[] 李堯,四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué),2013]。如果電機(jī) 3按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的話，電機(jī)2 、4就要按照順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，這樣做為了克服反扭矩的影響。我們要通過控制4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來完成飛行器俯仰、橫滾、偏航等動(dòng)作。 圖 X型四旋翼飛行器模型 圖 十字型四旋翼飛行器模型 四旋翼飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四旋翼無人機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)。分別由控制模塊、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、無線通信模塊、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、遙控器控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、串口通信模塊、地面站系統(tǒng)。四旋翼飛行器控制器的核心任務(wù)是姿態(tài)的測(cè)量，它的作用是為飛行器控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、精確的飛行狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)。常見的四旋翼飛行器人們大多是采用基于MEMS傳感器來測(cè)量飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)[[] 宋英麟,鮮斌,茹濱超,[J].]。但是這些初始的傳感器數(shù)據(jù)并不能直接應(yīng)用于姿態(tài)解算，需要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并且需要對(duì)陀螺儀漂移問題進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償，這樣做能夠有效提高飛行器姿態(tài)測(cè)量精度，確?？刂葡到y(tǒng)的姿態(tài)角的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。圖 四旋翼飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架四旋翼飛行器的主控板選擇的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32f103zet芯片，STM32系列的單片機(jī)是基于CortexM3內(nèi)核的處理器，功耗低，處理速度非?？?，最高工作頻率可達(dá)72MHz，7通道DMA控制器，支持定時(shí)器、ADC、SPI、IIC、USART等外設(shè)，多達(dá)112個(gè)I/O口，8個(gè)Timer定時(shí)器， 5個(gè)串行USART接口，3個(gè)SPI接口，2個(gè)IIC接口[[] 滕守明,魯奕,[J].]。，連接電子調(diào)速器為控制器提供5V電壓。，為控制芯片供電。遙控器控制模塊，控制器對(duì)遙控器數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲處理該部分我們通過對(duì)STM32定時(shí)器進(jìn)行輸入捕獲配置，捕獲接收機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)，把該信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制量在經(jīng)過PID控制把輸出量給四個(gè)電機(jī)，進(jìn)而控制飛行器的動(dòng)作。GPS衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，配合上位機(jī)在上位機(jī)上輸入一些GPS坐標(biāo)點(diǎn)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成航線，并且能夠從GPS系統(tǒng)中讀取定位數(shù)據(jù)[[] 黃鵬宇,曾路榮,楊川,彭遠(yuǎn)行,[J].]，并且與存儲(chǔ)的定位坐標(biāo)做實(shí)時(shí)的對(duì)比，然后修正航線，將定位坐標(biāo)顯示在上位機(jī)上，處理并顯示當(dāng)前位置。3 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 微慣性組合系統(tǒng)傳感器組成 MEMS陀螺儀傳感器陀螺儀是一種能用來維持方向與角速度（獲取角速度）的裝置，設(shè)計(jì)原理是角動(dòng)量守恒。簡單的說就是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)不會(huì)改變。這種用來保持方向而制造出來的裝置就叫陀螺儀[[] 王曙霞,梁洪潔,王小營,[J].]。陀螺儀多用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，姿態(tài)控制系統(tǒng)中多采用三軸陀螺儀。 陀螺儀 圖 MEMS三軸陀螺儀 MEMS加速度計(jì)傳感器能將物體加速度的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器稱之為加速度傳感器。在姿態(tài)控制系統(tǒng)中，加速度傳感器用來測(cè)量與重力方向的夾角。當(dāng)應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)我們就可以理解加速度傳感器輸出的信號(hào)是當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下加速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系下投影。加速度計(jì)能夠在沒有加速度存在的條件下可以感應(yīng)重力產(chǎn)生的加速度，然而在有加速度存在時(shí)，根本無法測(cè)量出姿態(tài)角，需要陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下的姿態(tài)測(cè)量[[] [D].電子科技大學(xué),2013]。 三軸數(shù)字羅盤傳感器數(shù)字電子羅盤也叫指南針，顧名思義指南針是用來指示方向的。傳統(tǒng)羅盤通過磁針來感應(yīng)地磁場(chǎng)方向，電子羅盤通過磁阻傳感器測(cè)量地磁方向信息，再將所測(cè)信息轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸出。數(shù)字電子羅盤的優(yōu)勢(shì)在于它克服了只能夠在水平面使用的缺點(diǎn)，這種數(shù)字電子羅盤內(nèi)部有傾斜補(bǔ)償裝置，這個(gè)裝置一般是由加速度傳感器來完成，如果在完全動(dòng)態(tài)的情況下，也需要陀螺儀檢測(cè)姿態(tài)角，通過這個(gè)角度和磁場(chǎng)方向信息可以補(bǔ)償?shù)玫綔?zhǔn)確的角度信息，而姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的電子羅盤實(shí)際上就是三軸數(shù)字電子羅盤。 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)傳感器選型目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的一款I(lǐng)nvenSense公司的MPU6050芯片內(nèi)部集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，這樣做不僅消除了焊接電路時(shí)易造成加速度計(jì)和陀螺儀之間的對(duì)準(zhǔn)誤差的問題，而且因?yàn)樾酒瑑?nèi)部結(jié)構(gòu)上有數(shù)字可編程低通濾波器。所以在飛行器經(jīng)受較大震動(dòng)的時(shí)候，可以用軟件設(shè)置適當(dāng)頻率的低通濾波器，濾掉高頻震動(dòng)，這種方法很有效的減少了四旋翼機(jī)身震動(dòng)對(duì)姿態(tài)測(cè)量的影響。因此MPU6050被廣泛應(yīng)用于姿態(tài)控制系統(tǒng)之中，其特征如下：（1）三軸角速度傳感器具有177。250、177。500、177。1000 與177。2000（176。/s）測(cè)量范圍[[] [D].]；三軸加速度量程控制范圍有177。2g、177。4g、177。8g、和177。16g。（2）具備較低功耗：芯片供電電壓VDD 177。5%、177。5%、177。5%[[] [D].]；陀螺儀工作電流5mA，待機(jī)電流為5uA；加速度計(jì)工作電流為500uA，在10Hz低功耗模式下僅需40uA的電流[[] [D].]。（3）陀螺儀和加速度計(jì)都具備16 位ADC 同步采樣功能。（4）IIC接口傳輸頻率可高達(dá)400KHz，內(nèi)建頻率發(fā)生器在所有溫度范圍只有1%頻率變化。綜合MPU6050特性。圖 MPU6050電路圖HMC5883傳感器是三軸數(shù)字羅盤，它可以用來測(cè)量四軸飛行器所處位置的三軸磁場(chǎng)信息，該傳感器內(nèi)置了三軸磁阻模塊和放大采樣電路，直接輸出數(shù)字信號(hào)，用來測(cè)量航向角并進(jìn)行姿態(tài)解算。HMC5883的特點(diǎn)如下：1. IIC 數(shù)字量輸出總線接口，設(shè)計(jì)使用簡單，尺寸非常小。 ，內(nèi)置12位 A/D轉(zhuǎn)換。 圖 HMC5883電路圖4. 擁有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，簡化了應(yīng)用的步驟。 5. 內(nèi)置有自測(cè)試電路，量產(chǎn)測(cè)試非常方便，不需要增加額外的高昂測(cè)試設(shè)備[[] [D].]。 6. 功耗較低，。 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了滿足飛行控制系統(tǒng)的需要，電源系統(tǒng)為飛行控制器和功能模塊提供了12V、。選擇12V的鋰電池作為供電電源，通過穩(wěn)壓芯片將12V電壓降為5V，為GPS模塊、超聲波傳感器、接收機(jī)等提供供電電源；，為飛行控制主板、姿態(tài)測(cè)量傳感器和無線通信模塊提供電能。圖 電源系統(tǒng)電路圖 其它硬件模塊 無線通信模塊該模塊為上位機(jī)和控制器建立了聯(lián)系。通過兩塊NRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，控制器將姿態(tài)和高度等信息傳輸至地面站，地面站將位置信息和導(dǎo)航信息告訴控制器，從而達(dá)到可控的要求。 ~ ，而且具備自動(dòng)重發(fā)功能，有6個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，最大傳輸速率高達(dá)2Mbits[[] 臺(tái)述鵬,[J].]。STM32主控板可以通過SPI接口對(duì)NRF24L01的寄存器進(jìn)行配置，無線通信模塊的電路設(shè)計(jì)圖。圖 NRF24L01電路圖 電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊我們常用的直流電機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可以劃分為無刷電機(jī)和有刷電機(jī)。無刷電機(jī)是航