《无线电》
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自制低成本四轴航拍飞行器——《无线电》2014.07
2014-08-13 15:13:01我是一名在校大学生，从小就喜欢动手制作。在网上看了关于四轴飞行器的视频和去年“瑞萨杯”2013全国大学生电子设计竞赛的国赛选题本科组四轴自主飞行器（B题），激起了我制作四轴飞行器的愿望。由于地处边疆，加之又是个学生，学校里也没人会，制作四轴航拍飞行器遇到了很多的困难，但经过努力，一款低成本的四轴航拍飞行器终于制作成功。本文将为大家介绍我的制作过程。
自制一架能够平稳飞行的四轴航拍飞行器，需要一些硬件和软件上的支持。我做的四轴航拍器是基于ST公司的STM32F40 Discovery开发板（见图1）来做的飞控板。STM32F4
Discovery是ST公司为推广其芯片而设计的开发板，价格上很平民化，另外，STM32F407VGT6（板载芯片型号）是32位ARM Cortex-M4内核、1MB Flash、192KB
RAM，具有高性能、低成本、低功耗等特点，绝对是DIY四轴飞行器的理想选择。四轴主控板包括传感器MPU6050、电路模块、电机驱动模块等。
Tips：四轴飞行器原理
四轴飞行器采用4个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体前、后、左、右4个方向，4个旋翼处于同一高度平面，且4个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，4个电机对称地安装在飞行器的支架端，支架中部的空间安放飞行控制板和外部设备。
典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。它们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四轴飞行器与此不同，它是通过调节4个电机的转速来改变旋翼的转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置，这样可能会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。
图1所示中，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四轴飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四轴飞行器在空间中共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动。
以俯仰运动的控制为例，我们来看一下控制运动的基本原理。电机1的转速上升，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轴飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3的转速改变量应相等。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，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y
轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。其他运动在此不再赘述，原理相同。
