本设计提出一种基于WIFI的微型四轴飞行器，实现数据高速度传输，实时控制微型四轴飞行器的飞行速度、姿态，提高微型四轴飞行器的可靠性。 为达到上述目的，本实用新型采用的具体技术方案如下: 一种基于WIFI的微型四轴飞行器，包括安装主体，其关键在于，所述安装主体上包围设置有四个旋臂，四个所述旋臂处于同一水平面且整体呈“X”形，在靠近所述旋臂的端部均设有一个直流电机，所述直流电机的转轴上安装有旋翼；所述安装主体为一电路安装腔，该电路安装腔内设有微控制器，所述微控制器分别与四个所述旋臂上的电机连接，在所述微控制器上连接WIFI通信模块，所述微控制器经WIFI通信模块与飞行控制系统连通。 采用上述方案，四个旋臂处于同一水平面且整体呈“X”形，并通过设置在旋臂的端部直流电机实现飞行，其中，相邻两个直流电机的旋转方向相反，相对两个直流电机旋转方向相同，通过调节4个电机的转速来改变旋翼转速，以实现微型四轴飞行器空间6个运动自由度，即分别沿X、Y、Z坐标轴作平移和旋转运动，以及4个可以控制的基本运动状态，即上下飞行、前后飞行、滚转飞行和偏航飞行；通过WIFI通信模块，微控制器与飞行控制系统之间实现无线通讯，飞行数据实现高速度传输，飞行控制系统对微型四轴飞行器实现实时控制，减少了微型四轴飞行器和其他物体发生碰撞，提高了微型四轴飞行器的安全性和可靠性。 进一步描述，所述微控制器上连接有陀螺仪传感器、加速度及磁力传感器、LED状态显示模块以及飞行姿态显示模块。 采用上述方案，根据陀螺仪传感器、加速度及磁力传感器确定实时监测飞行器相对于标准的X、Y、Z坐标轴的偏离，同时检测飞行器的加速度和飞行方向，并结合四元数得到欧拉角，从而得出飞行姿态参数，同时通过LED状态显示模块和飞行姿态显示模块实时显示出来。 再进一步描述，为了提高数据处理速率，所述微控制器为嵌入式微控制器，所述微控制器采用LPC2124芯片。 再进一步描述，所述陀螺仪传感器为三轴陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器采用FXAS21002芯片，该芯片小型、功耗低，该陀螺仪传感器的芯片经SPI接口与所述微控制器相连，传输数据块，实时性好。 再进一步描述，所述加速度及磁力传感器采用FXOS8700CQ芯片，将加速度传感器和磁力传感器合二为一，大大降低了飞行器的载重，并且根据该传感器可以飞行器的加速度及方向，有效监管飞行器的飞行状态，所述加速度及磁力传感器的芯片采用SPI接口与所述微控制器相连。 再进一步描述，所述WIFI通信模块采用RN1723模块，该模块是一款独立的、内嵌2.4GHzIEEE802.11b/g模块，其集成了晶振、电压调节器、匹配电路、功率放大器等。并支持Infrastructure与SoftAp网络模式，内置网络应用程序:TCP，UDP，DHCP，DNS，ARP，HTTP客户端与FTP客户端。板载TCP/IP网络协议栈以及唯一的MAC地址。支持UART通信接口，使用简单的AT命令字与外部微处理器进行读写操作。考虑到该模块如果采用外部天线，不仅其重量增加，并且也影响飞行器的正常飞行。因此在所述WIFI通信模块的电路板上设置有板载天线，提高了WIFI通信模块的通信可靠性，并降低了飞行器的载重。 再进一步描述，由于飞行器要在空中完成各种飞行姿态，则飞行器上的所有结构器件均需要连接牢固，则在所述电路安装腔内设置有电路板固定装置，为了防尘防水，在所述电路安装腔上还设置有电路板隔离装置，其中电路板隔离装置为包裹在安装主体上的薄膜或者透明塑料板，从而延长飞行器的使用寿命，其中薄膜重量轻，不会大幅度增加飞行器载重，而透明塑料板使用时间长，不会经常更换，使用方便。 本实用新型的有益效果:通过在微型四轴飞行器上设置WIFI通信模块，使飞行器与飞行控制系统连通，实现实时控制，减少控制延时而造成的损伤；并且在电路板上设置板载天线，既提高了传输速度，并且载重小；根据陀螺仪传感器、加速度及磁力传感器确定实时监测飞行器相对于标准的X、Y、Z坐标轴的偏离，同时检测飞行器的加速度和飞行方向，并结合四元数得到欧拉角，从而得出飞行姿态参数，同时通过LED状态显示模块和飞行姿态显示模块实时显示出来；并在飞行器上设置电路板固定装置，使飞行更加可靠；在飞行器上设置电路板隔离装置，防尘防水，延长了飞行器的使用寿命。 本实用新型的工作原理:微型四轴飞行器通过WIFI通信模块与飞行控制系统连通，微控制器采集油门、航向、滚转、俯仰信号，并通过WIFI通信模块传送到飞行控制系统，飞行控制系统发出控制信号，致使微型四轴飞行器控制四个直流电机旋转，实现微型四轴飞行器垂直上升、垂直下降、向左移动、向右移动、向前移动、向后移动、翻转飞行、测向飞行、自由悬停、紧急停机等，在飞行过程中，LED状态显示模块显示无线通信状态、飞行器启动状态、紧急停机状态

四轴飞行器具备VTOL(VerticalTake-OffandLanding，垂直起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行。 本设计主要包括遥控器和飞行器两大部分，其中央处理器CPU均采用STC15W4K58S4，IAP15W4K58S4(既能仿真又能USB直接下载程序),是目前STC 最先进的芯片之一,内部资源十分丰富,具有58K字节程序存储器,4096字节数据存储器,5个定时器,4个独立串口,8通道10位高速ADC转换器, 1个SPI接口支持主机与从机模式、2路CCP/PCA/PWM、6路带死区控制的专用PWM、1个比较器等,支持USB直接下载程序和串口下载程序,内部集成有高精度R/C 时钟与高可靠复位电路,支持2.5~5.5V宽工作电压范围。飞行器与遥控器之间的无线通信采用2.4GHz通信频段的NRF24L01模块，NRF24L01模块与MCU之间通过SPI协议以1MHz的通信速率通信；飞行器端搭载有3轴加速度计与三轴陀螺仪融合一体的MPU6050惯性测量单元作为姿态欧拉角测量单元，MPU6050与飞行器MCU之间通过I2C协议以400Hz的频率进行通信；飞行器端MCU通过接收无线数据以及采集MPU6050数据通过四元数互补滤波计算出的欧拉角，再进行电机PID自动控制，最终以20KHz的PWM通过MOS管来驱动空心杯820直流有刷电机，得以实现遥控四轴飞行器的设计。 2.1设计硬件系统各模块功能介绍 2.1.1MCU控制中心 MCU是飞行器和遥控器的控制中心，是它们的大脑，主要功能是收集数据和处理数据并且做出指示。本次设计选用的是STC15W4K58S4作为中央处理器，设置72M的时钟频率，完全能达到设计的要求。 2.1.2电源模块 电源模块起着为系统充能量的作用，任何电子系统没有了电源，系统肯定会瘫痪，所以电源起着至关重要的作用。本次电源设计模块选用CAT6219作为3.7V转3.3V稳压芯片；CAT6219的低压差的优点完全符合设计要求，遥控还使用了ASM1117-2.5作为3.7V转2.5V的稳压芯片；2.5V电压用于给ADC电位器做参考电压使用。 2.1.3通信模块 通信模块在整个系统中起着信号交流的作用，遥控器通过MCU读取的按键信息以及油门方向值发送到飞行器端，飞行器端接收到之后做出相应的动作。本次设计采用NRF24L01无线通信模块，选着此模块的原因是因其通信协议简单、传输距离相对较远、价格低廉等优点。 2.1.4惯性测量单元 惯性测量单元主要是在飞行器飞行过程中实时检测姿态的传感器，对于飞行器想要平稳飞行来说具有极其重要的作用。本次设计之所以选用MPU6050作为姿态传感器作为惯性测量单元，是因其具有跟MCU之间进行I2C数据传输，传输速率为400KHz，通信协议简单、价格低廉等优点。 2.1.5电机驱动 电机驱动部分主要是MCU通过控制PWM然后控制MOS管打开和闭合作为开关从而控制电机的转动。本设计采用SI2302N沟道型MOS管，其具有低开启电压大电流并且价格便宜等优点，电路设计也很简单。 2.1.6LED状态指示 在硬件电路设计中，LED首先必须要有电源指示灯，判断系统是否上电；其次需要有信号指示灯，指示遥控器和飞行器是否通信；最后就是状态显示LED灯显示飞行器状态等等。

本设计采用了STM32F103C8T6为主控芯片，用了NRF2401大功率型，加大了控制范围。运用模块化的MPU6050陀螺仪，可实现姿态平稳飞行。 由于简易，时间紧迫，没有改进姿态调节算法。仅供参考。 在校直接手工制版，但是比较成功。

四轴飞行器又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。这四轴飞行器（Quadrotor）是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。具体的技术细节在“基本运动原理”中讲述。[1][1]机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。 本设计采用STM32F103T8U6为主控芯片，陀螺仪MPU6050，磁力计HMC5883。具体电路设计看见资源包。 四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。 四旋翼飞行器的电机 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。 在图2.2中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。 （1）垂直运动:同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。 （2）俯仰运动:在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。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。 （3）滚转运动:与图 b 的原理相同，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （4）偏航运动:旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。 （5）前后运动:要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。） （6）倾向运动:在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

随着科技的发展，无人机技术越来越被重视，并且相对于固定翼无人机，多轴飞行器有着诸多优点:如动力分布，机体质量分布对称，水平面积大，在调整倾角时不会产生平移。 四轴结构决定它能以自身质心为原点，在任意轴旋转，可以实现上升、下降、左旋、右旋、前进、后退、左偏、右偏、悬浮等高难度动作。由于水平结构面积较大，适合安装航拍设备，广泛应用于广泛用于航拍、电影、农业、地产、新闻、消防、救援、能源、遥感测绘、野生动物保护等领域，并不断地融入新的行业应用。 品佳集团提供多轴智慧飞行器软硬件解决方案，飞行器硬件部分包括以下部分:飞控板、遥控板、电调板（ESC）、sensor板，飞控板我们采用了NXP LPC4078 是基于ARM Cortex-M4的内核，主频120MHz，512K Flash作为主控制器，遥控板采用了NXP LPC1114 是基于ARM Cortex-M0的内核，主频50Mhz，32K Flash作为主控器，无线控制采用NXP JN5168 带功放距离到达6公里，电调（ESC)采用了三种方案分别是Microchip PIC16F1938，Nuvoton Mini54，NXP LPC1517，Sensor板采用了BOSH BMI055 6轴陀螺仪，BMM150 地磁传感器，BMP280气压传感器。软件方面我们提供开源的KK或者德国 MK飞控作为参考。 展示板照片核心技术优势 起飞重量:3kg  负载能力:1kg  遥控距离:2km（加功放可扩展到6km）  续航时间:10min  飞行高度:1000m  悬停精度（GPS模式）:垂直方向±0.5m，水平方向±2m  最大倾斜角度:35º  最大尾舵角速度:150º/s  抗风能力:<8m/s（17.9mph/28.8km/h）  最大升降速度:±6m/s方案规格① 无线控制采用 NXP JN5168 Zigbee模块进行远程控制 ② 飞控采用LPC4078 Cortex-M4工作频率高达120 MHz，具有512 KB闪存、96 KB SRM ③ 电调采用了3个品牌方案:Microchip PIC16F1936-I/SS\Nuvoton Mini54\ NXP LPC1517 ④ 遥控器采用了NXP LPC1114 ARM Cortex-M0 低功耗MCU ⑤ Sensor采用了BOSCH 陀螺仪BMI055 气压计 BMP280 地磁/电子罗盘 BMM150 方案来源:大大通

四轴飞行器是一种有四个螺旋桨且螺旋桨呈十字形布局的小型飞行器，属于多旋翼飞行器中最基本的一种。四轴飞行器具有可靠的稳定性，在复杂、危险的环境下可完成特定的飞行任务。它的应用十分广泛，可用于救援物资投放、航拍，桥梁检测，定点巡航等应用，具有不可估量的市场潜力。 ATSAM4S16-AU 属于 Atmel 推出的 SAM4S 系列，Atmel:registered: SAM4S 系列拓展了 Atmel Cortex-M 产品组合，增强了性能，提高了电源效率，具有 2MB 闪存和 160KB SRAM 的较高存储密度，有用于连接、系统控制和模拟接口的丰富外设套件，它丰富的接口资源更适用于要将所有数据连入的飞控 MCU。更重要的是，四轴飞行器有很多来自 IMU 的数据需要处理，而且还有复杂的控制算法，对于主控 MCU 的性能要求较高，ATSAM4S16-AU 为 Cortex-M4 内核，继承了ARM的优良性能，主频可达 120 MHz，可以完成四轴飞行器复杂的功能和精准的控制，且采用封装为 100-LQFP，较小的尺寸更加适用对于体积要求较高的飞行器。 世平集团于 2014 年 9 月推出基于 Atmel ATSAM4S16-AU 的四轴飞行器解决方案。采用 Zigbee 远程遥控方式，控制范围可达 500m 以上。飞行器配备陀螺仪、重力、压力、磁力传感器，可测量飞行器的姿态角和速度数据，再利用高性能微处理器对数据做出分析，从而控制马达的电子调速器的反馈运动，使飞行器可以平稳地在空中飞行。 展示板照片方案方块图核心技术优势① Zigbee 远程遥控: 本方案的遥控器采用基于 ZigBee RF4CE 协议的新型航模遥控器，带有 PA，传输范围可达 1~2km。 ② 飞行控制: 本方案中的飞控板可应用 4~6 轴飞行器机身控制，可以控制飞行器前后、左右、旋转，并可支持其他品牌的无线接收、电调。 ③ 调节 BLDC 转速: 本方案中的电调板可通过检测反动电动势的方式启动 BLDC，MCU 产生不同占空比的 PWM 控制转速。方案规格① 本方案遥控器是 IEEE802.15.4 兼容无线电收发器，采用 Atmel SAMD20E16 为主芯片，ARM Cortex-M0+ 处理器，主频可达 48MHz ② 本方案飞控板采用 Atmel ATSAM4S16-AU 为主芯片，120M Cortex-M4 处理低功耗 MCU，90uA/Mhz，可支持 I2C 接口协议的数据控制信号 ③ 本方案电调采用 Atmel SAMD20E16 为主芯片，50M Cotex-M0 处理低功耗 MCU，90uA/Mhz，支持 400Khz PWM 控制，最大可驱动 20A BLDC 电机 方案来源:大大通

四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器，进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。 新唐主控板采用采用新唐 32 bit Cortex:registered:－M4 M452 微控器，支持失控保护(自动降落)，通过控制电调达到飞行目的，同时通过2.4G专用遥控模块与遥控把手通信。M452强大的运算能力，将10轴传感器运算结果整合，确保飞行的稳定性。 n 500Hz 传感器融合更新率 n 支持定高(气压计),无头模式(电子罗盘) n 支持飞行姿态PID 调适 n 支持自动降落 n 支持传感器校准 n 支援各式大小轴距机架,抗风载重能力 新唐遥控手把采用新唐4T 8051 N79E14来控制飞行器的方向和高度及飞行姿态。 n 2.4G无线收发双向传输 n 支持自动跳频 n 支持自动对频,8架同场竞技 n 支持低电池侦测自动报警 n 支持飞行控制微调 n 支持定高,无头模式控制 n 支持遥控信号强度侦测(RSSI) n 支持飞行手感控制 产品实体图展示板照片方案方块图核心技术优势 主控采用新唐M452，连接 GPS , 2.4G RF , 9 轴传感器 , 压力感应 器 , 红外传感器 , 超声波传感器  手把控制采用新唐8051 N79E814控制飞行器飞行姿态  控制手把与主控端通过SSV 2.4G 射频通信  电调部分采用MINI54系列  空旷地带控制距离可达100米方案规格①支持高速 ESC(400Hz) ②支持低电池侦测 ③支持飞行动态 PID 调适 ④SSV 2.4G 射频 ⑤空旷地带控制距离可达100米 ⑥支持传感器校准，陀螺仪增稳 方案来源:大大通

APM2.8 电路原理图和PCB源文件要用Eagle软件打开。对于用altium designer 的同学很不方便。特地转换格式，可以直接用altium designer 18打开，方便大家研究学习。

其中包含了飞控版程序，PID算法，MPU6050寄存器操作，上位机系统，stm32程序，四旋翼论文，四旋翼控制模式，电调设置，组合飞行器

2020年北京航空航天大学《飞行器结构原理》期末考试试卷