杨建 扎西加 周欢欢 杨倩
摘 要： 小型四旋翼无人机广泛应用在教育、现场巡视、救灾、物流、航拍和军队等领域，其应用前景十分广阔。为了实现小型四旋翼无人机的制作，首先根据四旋翼控制系统的基本原理及理论框架，利用开源硬件构建小型四旋翼无人机，最终实现了通过遥控进行航拍和测绘等任务。
关键词： 四旋翼飞行器； 自动控制； 无人机； 四旋翼飞行器原理
中图分类号：V279+.2 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）01-09-04
Research and production of small quadcopter
Yang Jian1， Za Xijia1， Zhou Huanhuan2， Yang Qian2
（1. Tibetan information technology engineering research center， Lhasa， Tibet 850000， China； 2. College of Engineering， Tibet University）
Abstract： Small Quadcopter is widely used in education， on-site visits， relief， logistics， aerial photography， military and other fields， and it has very broad application prospects. According to the basic principles and theoretical framework of Quadcopter control system， a small Quadcopter is built by using the open-source hardware in this paper. Through the remote control， the small Quadcopter has completed the tasks such as aerial photography， surveying and mapping and so on.
Key words： quadcopter； automatic control； UAV； quadcopter principle
0 引言
四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有四个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器[1]。相对于载人飞机，四旋翼飞行器成本低、体形小、对飞行环境要求低，空中生存能力强，还能够节省大量的人力和物力资源，使用起来更加安全方便。这些优势使无人机在商业领域和军事领域都备受青睐。四旋翼飞行器的发展更加小型化、多样化，使得四旋翼飞行器的应用范围也越来越广泛，比如救灾，航拍，甚至是物流等，其灵活性和经济性是及其高的。
1 四旋翼原理
1.1 四旋翼控制系统原理
如图1所示，四旋翼由十字型的机架组成，中间的蓝色方块部分是飞行控制器，飞行控制器的内部有陀螺仪、加速度传感器和惯性测量仪等传感器。飞行控制器根据传感器的测量数据进行计算，然后输出相应控制信号至四个电调以控制对应1、2、3和4号无刷电机的转速。每一支机架上安装有一对旋转方向相同（顺时针或逆时针）的一对无刷电机（图1中相同颜色的为一对）由响应速度极快的飞行控制器输出信号至电调控制，不同的转速对应不同的升力和扭力，两对无刷电机通过飞行控制器的协调控制，从而使四旋翼能够以黄色箭头为正方向进行保持悬停、上升下降、前后左右移动和原地转变方向等基本动作，这就是四旋翼的基本原理[2]。
1.2 四旋翼姿态分析
四旋翼能够进行保持悬停、上升下降、前后左右移动和原地转变方向等基本动作，是因为在飞行控制器中为四旋翼定义了一个方向（如黄色箭头所示）为正方向，并以此作为参考系。可以完成垂直起降、俯仰、偏航等动作。垂直起降，是四旋翼最基本的功能，即当四个电机转速一致并逐渐提升转速即可进行垂直起降；其次是俯仰，即1、2号电机保持转速，3、4号电机提升转速即可进行前俯仰，后、左和右俯仰动作控制模式与上类似；最后是偏航（转向动作），当四个电机转速相同时，扭矩相互抵消，不产生旋转[4]。但是由于对角线两对电机转速不相同时，由于扭矩数值不相等，螺旋桨产生的扭矩不能被完全抵消，飞行器会产生旋转动作，这就是偏航（转向动作）。
1.3 无线遥控器及接收机
遥控器采用型号为WTF07 2.4GHz的无线遥控器（如图2所示），其超大图形点阵液晶显示屏LCD，方便了参数的观察以及及时的调整；此外，WTF07 2.4GHz的无线遥控器采用3组可编程混控、总线数据传输和高端扩频+跳频技术，不仅满足了复杂动作和操控敏捷度的需要还满足了多台同时开机工作而互不影响的需要[5]。
接收机（如图3所示）采用型号为WFR07S7通道2.4GHz WFLY PCMS接收机使用原生2.4G技术，可兼容PCMS 4096，PCMS 1024和PPM模式（自适应），且有失控保护功能[3]。
2 四旋翼结构与硬件分析
一个简易的四旋翼由七大部分构成，如图4所示。
⑴ 飞行控制器，其相当于是整架四旋翼的大脑，内置的多种传感器时刻了解当前四旋翼的飞行姿态数据进行计算然后对四旋翼进行动态控制。
⑵ PCB板，即印刷电路板，以下的大部分部件都要焊接在上面，以减少布线难度和减轻整体质量。
⑶ 机架，机架包括四支力臂和中间的承力板，飞行控制器和电池等部件都要放置在中间的承力板上。
⑷ 无刷电机，即无刷直流电机，其由电动机永磁体作为主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
⑸ 电调，用于输出控制无刷电机的信号。
⑹ 桨叶。
⑺ 航模锂离子电池。
3 四旋翼相关硬件选择
四旋翼最重要的就是进行姿态控制，所以姿态控制仪（飞行控制器）是极其重要的，所以我们选择DJI出品的Naza-M Lite，相较其他产品，其具有All In One设计、先进的姿态稳定算法、多种飞行控制模式/智能切换、GPS模块扩展/精准定位悬停、智能方向控制、失控保护模式、低电压保护、掰杆启动及掰杆停止模式、支持普通接收机和PPM接收机及D-BUS支持、支持的多旋翼类型、云台增稳、远程调参等特性。四旋翼中的电调我们同样选择DJI E300系列搭配15A 960KV的无刷电机和直径为9寸，螺距为43的桨叶，相较于其他的搭配，此组合具有质量和协调性好、响应迅速、稳定和油门一致性高等无可比拟的优点，同时兼具更好的控制性和经济性。根据以上所选择的电机及螺旋桨，选用容量为4000mAh、电压为11.1v（3s），放电倍率为30C的锂离子电池，这样在大电流放电的情况下能够获得较好的续航时间。
4 四旋翼机组装与调试
4.1 四旋翼机的组装
将电机电源线及锂电池电源线焊接在PCB板的金属点位上并打上溶胶以绝缘，将飞行控制器用3M胶粘在PCB底板的中央位置，这样能够使传感器获得准确的整个四旋翼的姿态数据。将电调及接收机的控制线连接到飞行控制器的对应接口。随后利用M2.5号内六角螺丝固定四支旋臂，覆盖PCB上板。连接电池，机身组装完毕，如图5所示。
4.2 NAZA飞行控制器的调试
由于选用的是DJI NAZA-M LITE系列飞行控制器，所以使用 Micro-USB 连接线连接飞行控制器系统和电脑利用调参软件进行参数的校准。其界面如图6所示，主要包括①查看：包括飞行器类型、遥控器类型、安装位置、感度、通道监测、马达、失控保护模式、智能loc设置、云台设置、电压等相关信息的显示。②基础：在此页面进行飞行器类型、遥控器类型、安装位置、感度、通道监测的设置。③高级：在此页面进行马达、失控保护模式、智能IOC设置、云台设置、电压的设置。④工具：在此页面进行IMU（惯性测量单元）校准。当四旋翼的某部分出现问题时，便在相应的选项页中进行相关参数的设置和调整。
5 结论及展望
本文研究简易四旋翼的构建和组装，是因为四旋翼飞行器在社会各行各业广泛的应用中，其易操控性和经济性得到了体现，它是一种潜力巨大的机器人。其最常使用的场景便是替代传统的直升机进行航拍，用最小代价获得最大收益。同时，利用多机器协调摄影工作，并进行图像匹配也是未来研究的一大热点。
未来可在城市上空飞行多架无人机，它们可以互相协调，实时构建城市的三维模型和对地区进行实时扫描和监控，并对突发事件提供全视角信息，方便相关人员进行合理的支援部署。我们也可以利用无人机进行农业项目的实验，比如通过无人机监控农场的植物生长情况，并将数据传回后台进行分类识别分析。
无人机作为智能设备的一个延伸分支，开始慢慢走向市场，未来将有越来越多的无人机部署到各行各业中并扮演者重要的角色，其拥有无限可能。
参考文献（References）：
[1] 刘焕晔.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[D].上
海交通大学，2009.
[2] 庞庆霈，李家文，黄文浩.四旋翼飞行器设计与平稳控制仿真
研究[J].电光与控制，2012.3：51-55
[3] 陈海滨，殳国华.四旋翼飞行器的设计[J].实验室研究与探索，
2013.3：41-44
[4] 聂博文，马宏绪，王剑，王建文.微小型四旋翼飞行器的研究现
状与关键技术[J].电光与控制，2007.6：113-117
[5] 赵常均，宫勋，白越，续志军，徐东甫，高庆嘉.四旋翼飞行器中
升力波动的干扰与抑制[J].光学精密工程，2014.9：2431-2437
