STM32四轴飞行器的设计(4)

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1.4 关键技术和设计难点[7][8][11]

（1）微型化设计的整机优化问题

四轴飞行器的发展日趋小型化。由于四轴飞行器的性质特殊，无论是它的制作成本、任务环境，还是它的飞行模式都需要被列入考虑的范围内。因此，在设计中，要尽可能地将其重量、体积、速度、能耗等特点相结合，并进行一定的协调。当然，这么多因素考虑到一起一定会出现许多矛盾，为了更好地解决这些矛盾，通过性能的分析，适当地选择比较合理的材料，从经济的角度出发，结合整个机体的重量和尺寸大小，提高飞行速度、降低能源消耗等问题，选择合适的能源供应，并确保能设计一个优化的机体。可见优化四轴飞行器的机身设计是对系统工程、新材料和新能源在一定程度上的综合测试。

（2）模型精度和控制方法的有效性问题

四轴飞行器的飞行环境因为气流等非线性因素的影响而变得复杂，在实行飞行的同时会受到各种外界因素的干扰，此时四轴的系统会因为出现很多状况而变得不稳定。因此，很难用一个准确的动态模型来描述。另外，所采用的传感器精度以及各种干扰对其产生的影响也是使设计人员无法准确了解实际飞行器状态的几个原因之一。

（3）能源效率和电力系统的协调问题

以开发更轻、效率更高的动力装置为目的，使四轴飞机携带起来更加轻便，减小飞机的规模，增加四轴的承载能力，只有解决了节能和动力系统问题才能实现提高四轴飞机性能的目标。此外，除了可以选择合适的电机和电机的减速比这些方法外，建立有效的电力系统和扩大电池的能量储存也是一种提高能源效率和电力系统效率的途径。

第2章四轴飞行器组成

2.1 结构特性

四轴飞行器是一个分别沿三个坐标轴平移和旋转，但是只有四个控制自由度（四个电机的转速）的系统，因此被称为欠驱动系统（只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统）。不过，对于姿态控制本身（分别沿三个坐标轴旋转），它确实是完整驱动的。

与直升机相比，四轴飞行器的飞行姿态可以实现较少，但一些基本的姿态，例如：向前、向后、平移等状态还是可以实现的，如图2、图3、图4、图5所示。而四轴飞机的机械结构比直升机的机械结构简单得多，维修和更换的费用也很小，这使得四轴飞行器比直升机有更大的优势[9]。

四轴飞行器相对于传统的飞行器模型来说，最为复杂的要属电子零件那一部分了。它能够飞行得非常稳定其实是得益于电子控制部分的整体。在传统的固定翼飞机上，陀螺仪并不是常用的设备，对于一个相对难以控制的直机来说，如果自动稳定系统没完成好，那锁尾部分肯定会使用到陀螺仪。要制作四轴飞行器陀螺仪是必不可少的，这决定了四轴飞行器能不能飞行，甚至是能不能稳定地飞行。因此光有陀螺仪还不够，而且得是X、Y、Z三个方向都得有，这是根据四轴飞机的机械结构和动态组成特性而定的。在此基础上，辅以三轴加速度传感器，六个自由度让它构成了飞行姿态稳定的基本组成部分，也是一个关键的核心部分——惯性导航模块，简称IMU。在这整个测试的飞行姿态系统的过程中，它是整个模型的核心组件。

此外，每架四轴飞机都配有四支螺旋桨（也可以成为“叶片”），两两相对呈“×”字交叉结构，在桨的转动方向上分正转和反转，使四轴飞机在转动时可以抵消机身自带的旋转。四轴每个桨的直径很小，通常大约在10英寸左右。当四周的螺旋桨旋转时，离心力分散，与直升机只产生集中的离心力的情况不同，想让它保持不侧翻并非易事，所以它通常用到的舵机控制信号的更新频率很低。