基于教學和科普工作的微型四軸四旋翼無人機的設(shè)計

周三元　亓君藝　鄒珊　田耕

摘 要：眾所周知，無人機的研究主要是針對軍事訓(xùn)練以及實戰(zhàn)模擬的工具。20世紀20年代，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，無人機首次出現(xiàn)于軍事應(yīng)用中。至今，無人機在軍事、城市管理和視頻拍攝等方面的應(yīng)用較為廣泛。隨著科技的發(fā)展，無人機已逐漸在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的高校課堂上出現(xiàn)，但在西藏地區(qū)此現(xiàn)象寥寥無幾，故希望借助這次研究，認真分析當下無人機的發(fā)展狀況，了解掌握無人機工作原理（涉及力學、電工學等），研發(fā)一款微型的用于教學實踐的無人機。在此希望將來能有更多無人機愛好者參與其中，也希望將來能夠開設(shè)相關(guān)課程，積極培養(yǎng)學生在無人機方面的興趣，以實驗、設(shè)計推動學生學習興趣和熱情。

關(guān)鍵詞：教學；科普；無人機

中圖分類號：V249 文獻標志碼：A

0 前言

自20世紀60年代中期開始，我國研制無人機已有50多年的歷史，其研究發(fā)展在總體設(shè)計、組合導(dǎo)航、飛行控制、傳感器技術(shù)、圖像傳輸、信息對抗與反對抗等諸多領(lǐng)域都有所建樹?，F(xiàn)如今，無人機主要應(yīng)用于航拍、軍事、農(nóng)業(yè)等方面。通過這次研究，我們已自購相關(guān)耗材，并親自實驗、設(shè)計，目的是希望將我們的設(shè)計理念扎根于學生這樣一個群體中，讓學生們知道無人機的飛行原理與設(shè)計。例如，無人機如何起飛？如何編程使無人機正常起飛？如何使無人機定高、定速飛行？如何使無人機更多功能化服務(wù)于人群中？其涉及的學科非常多，作為一種學習的介質(zhì)，以實踐求真知，會有很好的教學效果。除此之外，無人機在高原學科的應(yīng)用一直是個盲區(qū)，我們希望能夠利用本次研究，培養(yǎng)一批學生無人機愛好者，更希望今后能將其應(yīng)用于實驗設(shè)計和課堂教學，以開辟新的學科和研究領(lǐng)域，激發(fā)學生興趣和創(chuàng)新熱情，這無疑是一個極好的開端。

1 微型四軸四旋翼無人機材料分析

我們選擇了一款支持材料生產(chǎn)的公司，進行無人機材料加工，基本的硬件設(shè)計有：

（1）STM32F103C8T6 32位微控制器；

（2）MS5611 氣壓計（IIC）；

（3）MPU6050 三軸陀螺儀，三軸加速度計（IIC）；

（4）HMC5883 磁強計（IIC）；

（5）nRF24L01 2.4G無線模塊（SPI）；

（6）藍牙（串口2）；

（7）上位機 （串口1）；

（8）LED （I/O口）；

（9）電機，MOS管 （PWM輸出）。

四旋翼主控芯片為 ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32位微控制器 STM32f103C8T6。遙控器主控芯片為 ARM Cortex-M0 架構(gòu)的32位微控制器 STM32f030C8T6。傳感器采用高精度陀螺儀和加速度計 MPU6050。電源采用了先升壓再降壓的方案，確保了控制系統(tǒng)和傳感器供電的穩(wěn)定。電池采用 500mAh 航模鋰電池，續(xù)航能力強。

采用 2.4G 無線遙控和藍牙手機遙控兩種遙控方式。2.4G 無線遙控的手感更佳，而藍牙手機 APP 遙控會更加便捷。

2 四旋翼姿態(tài)描述和基本控制

Roll為滾轉(zhuǎn)角，主要表示飛機的滾轉(zhuǎn)；Pitch為俯仰角，主要表示飛機的俯仰；Yaw為偏航角，主要表示飛機的偏航。通過這3個角度，可以唯一確定飛機在空中的姿態(tài)。而如果保持這3個角度穩(wěn)定，比如說都為0，則飛機水平豎直垂直穩(wěn)定，就是姿態(tài)穩(wěn)定。具體到四旋翼上，在選定了四旋翼的機頭后，我們就可以規(guī)定以上3個角度。接下來我們就可以用傳感器測量這3個角，通過控制器，讓這3個角保持為遙控器給出的姿態(tài)角，從而就可以穩(wěn)定地控制四旋翼。

PID控制器的對于無人機也是至關(guān)重要的，其決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制的核心就是學習控制理論，采用反饋的概念，將輸出引入到輸入中，用輸出來調(diào)節(jié)輸入，從而保證輸入對輸出影響符合我們的設(shè)計要求。

STM32單片機的開發(fā)。STM32是32位ARM Coterx-M3內(nèi)核的處理器，主頻可以達到72MHz，同時采用精簡指令集，滿足了四旋翼的控制需求，且能為以后的電子設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

軟件使用：C 語言源代碼、工程基于 ARM 內(nèi)核單片機主流開發(fā)環(huán)境：Keil-MDK、使用的庫函數(shù)版本為 ST 最新官方 V3.5 固件函數(shù)庫。

算法：硬件 DMP 進行姿態(tài)解算，姿態(tài)數(shù)據(jù)更為準確；卡爾曼濾波、低通濾波、滑動平均濾波，讓數(shù)據(jù)穩(wěn)定；串級 PID 控制算法，更穩(wěn)定的控制效果。

3 微型四軸四旋翼無人機在教育中的應(yīng)用

3.1 平臺優(yōu)勢

無人機技術(shù)的發(fā)展，使無人機航拍在突發(fā)性事件、自然災(zāi)害、廣告等紀實性報道中的畫面充實感和鏡頭語言感獲得更好的表達，其非常廣泛的應(yīng)用也實現(xiàn)了更多的社會和經(jīng)濟效益。在很多實時性新聞報道中，無人機以其能夠近距離拍攝、將畫面?zhèn)魉突貋淼囊幌盗袃?yōu)勢為人們了解事件進程提供了有效途徑。除了上文提到的影視作品拍攝、突發(fā)事件現(xiàn)場報道、測繪勘測等應(yīng)用場合外，無人機航拍還廣泛應(yīng)用于森林防火、邊境巡邏、應(yīng)急救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、地震調(diào)查、核輻射探測、管道巡檢、保護區(qū)野生動物監(jiān)測、軍事偵察、海事偵察、保釣活動以及環(huán)境監(jiān)測等方面。這也為我們無人機應(yīng)用于教育事業(yè)打下了良好的基礎(chǔ)。

隨著我國低空管制政策開放、技術(shù)發(fā)展、電子設(shè)備模塊化程度提高，無人機有其體積小、操控性強的特點，只要相對較小的場地就可以完成起落，不受場所限制，使得作業(yè)時的運輸和轉(zhuǎn)場都比較便利。比如需要走出野外專業(yè)的同學在危險的懸崖、深山、森林等地段，可以利用無人機的優(yōu)勢，將其傳回的畫面與相關(guān)信息結(jié)合來完成高難度的野外任務(wù)，這樣就大大降低了野外操作的危險性，同時也彌補了我們?nèi)粘＝逃龁我换牟蛔?，還可以利用全方位的探索來豐富和完善學習所需資料。

3.2 培養(yǎng)學生實踐與技術(shù)相結(jié)合的能力需求

利用無人機來進行相關(guān)教育是一項動手能力和實踐能力都非常強的技能，如果學生僅掌握了無人機的起飛、降落、空中懸停、航線作業(yè)等操作技能是遠遠不夠的，還需要學生從原理上了解無人機，也就是我們要適時地進行無人機知識的科普，只有明白了無人機的原理機制才能夠更好地去操作它，從而達到我們教育的目的。一方面，由于無人機本身還受到其他因素的影響（如：技術(shù)、天氣以及無線電干擾等），容易造成無人機不同程度的損失。另一方面，當工作場合不同或影響無人機的其他因素發(fā)生改變時，我們學生需要對無人機的一些飛行要素進行調(diào)整或修改，而這就需要操作人員具備對無人機的結(jié)構(gòu)、飛行控制技術(shù)和機械加工能力等技能的相關(guān)知識和能力。通過培養(yǎng)學生的動手實踐能力，讓學生除了可以運用本專業(yè)的知識開展無人機實踐外，還能夠完成無人機的維修與維護，既達到了學習的目的又掌握了部分無人機技術(shù)，符合當前跨學科、多領(lǐng)域、理論與實踐并重的復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求。

3.3 開展無人機教學實踐的初步構(gòu)想

在無人機航拍技術(shù)培訓(xùn)實踐中，初期以電腦模擬系統(tǒng)練習，使學生建立飛行空間意識和操控動作的條件反射能力。在具備了一定的飛行技術(shù)和經(jīng)驗之后，完成固定航線作業(yè)的模擬拍攝技術(shù)。然后進一步深入實現(xiàn)拍攝設(shè)備與地面接收設(shè)備之間的連接，使兩者逐步磨合、達到默契。隨著飛控手不斷地觀察拍攝場景，測試拍攝角度、景別，達到精準、穩(wěn)定、靈活、熟練的操控無人機要求。最后，按照相關(guān)的航拍要求和流程，根據(jù)學習需要對真實場景進行拍攝。

參考文獻

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