电子技术·Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
四轴飞行器因其具备可垂直 起降、造价低、可重复利用、事 故代价小诸多优点，广泛的用于 军事侦察、航拍、交通巡逻等多 个领域，逐渐走进普通大众生活。 基于对技术现状分析总结，设计 了四轴飞行器整体技术方案，并 对其在航拍、定轨迹飞行、ｇｐｓ地 理位置反馈等方面的应用进行初 步研究。
【关键词】四轴飞行器ＰＩＤ ＳＴＭ３２飞行控制
器
四轴飞行器（ＭＡＡＶ）是无人飞行器的一
种，应用四个对称十字交叉分布螺旋桨，调整
螺旋桨转速控制飞行器各种飞行姿态，可以实
现地面控制飞行和自主飞行两种控制方式，随
着传感器和微处理器技术的发展，四轴飞行器
也得到了快速发展。四周飞行器的应用领域十
分广泛，从军事领域侦察到测绘航拍甚至于表
白求婚无不见其身影：自主飞行模式的实现解
放了控制者的劳动，大大节省了人力。
四轴飞行器的设计涉及到多个学科的知
识，包括自动控制理论、计算机技术、无线通
讯技术、空气动力学等各个学科，但随着四轴
飞行器市场化的逐步成熟，其设计和制作的技
术难度大大降低。本文借鉴已有的研究成果，
采用较为成熟的设计理念和元器件型号，对四
轴飞行器进行硬件和软件的设计。
１飞行器的设计
１．１系统硬件设计
飞行控制系统硬件部分主要由电源模块、
无线通讯模块、姿态传感器模块、电机驱动模
块、主控模块及相关扩展接口等部分组成，其
原理如图１所示。
主控模块由微处理器和其外围电路组成，
是飞行控制系统的核心模块，通过接口接收其
它模块的数据和遥控指令，通过ＰＩＤ控制算法
控制输出电机驱动数据，实现飞行器姿态的调
整；电源模块的作用是为整个飞行控制系统提
供电力供应，不同的模块所需要的电压会有所
差别，因此需要设计相应的稳压电路；无线通
讯模块的主要作用是收到遥控器发送的命令，
同时向地面终端接受信息，为控制飞行器姿态，
通讯模块需要升降、俯仰、旋转和翻滚四个通 四轴飞行器的设计与研究
文／文豪
道；姿态传感器需要有加速度传感器和角度传
感器两种，为飞行控制系统提供飞行器姿态数
据；选用无刷电机作为飞行器的驱动电机，需
要设计电子调速器作为电机驱动模块，而且需
要单独设计，另外考虑到开关频率特性，电机
驱动模块与电机一一对应，频率一致。
１．２系统软件设计
本次设计采用的微处理器为ＳＴＭ３２系列，
支持Ｃ语言编写嵌入式软件。使用Ｃ语言编
写嵌入式软件在项目管理、程序移植等方面相
比其它语言具有很大的优势，因此本次设计采
用Ｃ语言。编程方式采用直接面向寄存器编程，
提高运行效率。飞行控制系统的主要功能是接
受地面控制器遥控信号和姿态传感器的信号，
通过ＰＩＤ控制器和ＰＷＭ占空比控制实现各电
机转速的闭环控制，实现不同的飞行姿态：同
时，鉴于四轴飞行器的发散性，引入角速度陀
螺仪反馈环辅助飞行控制。
主要执行流程如下：
（１）系统初始化。系统初始化主要是对
内部各模块时钟、总线、控制参数及内部资源
等：
（２）数据输入。接收来自于地面遥控器
的控制命令和来自于姿态传感器的测量数据，
其中姿态传感器的测量数据包括陀螺仪传感器
和加速度传感器数据；
（３）姿态融合。姿态融合将地面遥控器
控制命令数据和姿态传感器的测量值比较，将
二者的差值通过ＰＩＤ控制器转换成不同占空比
ＰＷＭ脉冲输出，控制电机转速；
（４）ＰＩＤ控制器。ＰＩＤ控制器的作用是
计算姿态差值将其转换成电机ＰＷＭ输出占空
比，进而输出电机驱动模块，实现飞行器电机
转速的控制。
２四轴飞行器的应用研究
无人飞行器的出现使得以往需要乘坐飞
机才能够进行的高空摄影越来越多的变成在地
面上通过遥控器控制飞行器和照相机进行，四
轴飞行器作为一种优异的无人飞行器，其两队
旋转机翼对称布置，机动能力强，静态盘旋稳
定性高，小型化潜力大，因此非常适合作为一
款航拍飞行器。使用四轴飞行器航拍主要应用
在事故灾难救援侦查、城市交通状况巡逻以及
大型活动摄影等等多个方面。
２．２定轨迹飞行。
１２８·电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 无线通讯模块
图１：飞行控制系统原理图
四轴飞行器通过程序设定可以实现定轨
迹飞行，这就解放了地面控制人员的劳动，是
四轴飞行器具备了初步自主飞行的能力，也具
备了工业化应用的可能性，实现定轨迹的四轴
飞行器在实现简单重复性工作方面具备很大的
优势，同时成本十分低廉，例如通过设定好巡
逻轨迹的四轴飞行器可以携带摄像机实现小区
的定时定点巡逻，携带有红外热像仪的四轴飞
行器可以实现电力设备的空中红外测温等。
３四轴飞行器的应用展望
四周飞行器的应用前景十分广泛，例如
在机场可以可加装蜂鸣器模仿老鹰等猛禽的叫
声来驱散鸟类，也可以增加其称重能力加装农
药喷洒装置用于给高树喷洒农药，电力公司可
以使用它来巡视高压电力线路等以便及时发现
线路故障隐患，众多快寄公司正在研究使用四
周飞行器等小型无人飞行器来实现城市中近距
离的快寄业务，甚至于未来的一天四轴飞行器
有可能作为人类出行的工具代替私家车以改善
地面交通拥堵的问题，
参考文献
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作者简介
文豪，男，山东省安丘市人，现公安海警学院
本科在读。
作者单位
公安海警学院浙江省宁波市３１ ５８００