四轴飞行器：让PCB板飞！

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我们在制作一个非常袖珍的四轴飞行器，就用PCB作为承力结构。第一个版本被命名为疯狂直升机。

它的主要特点有：

• STM32 Cortex-M3 CPU
• 3轴加速度计
• 1轴/2轴陀螺仪
• Nordic 2.4GHz 射频通信芯片
• 电动机，螺旋桨和银辉（Silverlit）X翼模型飞机的电池
  

这架直升机可以从电脑上通过USB无线适配器遥控。我们制作了三架样品（每个成员各一架），并完成了大多数的固件程序。

为了达到稳定飞行的目的，还需要解决一些控制上的问题，以及完成电脑上的控制程序模块。

更多的信息和实际飞行视频会在稍后公布

第一个飞行视频

这是直升机的第一段飞行影像。

控制系统工作的很棒，但是它仍然过于依赖操纵者的敏捷（见视频的结尾部分）。

这架直升机是通过PC机上运行的Python程序控制的，我们实际上用一个游戏机的蓝牙手柄来操纵它。

疯狂直升机四轴飞行器详述

像承诺过的那样，我们要在这里公布疯狂直升机（也是我们第一架四轴飞行器）的更多信息。

该系统的主要架构如下：

.疯狂直升机的高层次系统图。

直升机本身是围绕CPU组织起来的。CPU的任务是读取物理传感器（陀螺仪和加速度计）的测量结果，给出控制信号控制电机，让直升机保持稳定。通过一个控制反馈回路，CPU每秒能够对电机发送250次调节转速的指令。无线通信的带宽需求很低，仅仅需要发送操作命令和接受遥测数据。CPU上运行的程序可以通过无线通信更新。

控制和遥测程序在电脑上运行，控制程序从手柄读取输入，然后向直升机发送命令。我们也有调节直升机上控制参数的程序模块，并且会记录下传感器的测量结果，方便调整控制回路。

所有这些开发工作在Windows或linux系统上完成。事实上有三个人同时在这个项目上工作，两个人在Linux上工作，剩下一个人主要使用Windows。利用自由/开源软件（FLOSS，Free/Libre and Open Source Software）许可对提高工作效率非常有帮助。我们主要使用GCC编译器编译直升机程序，GNU（ GNU's Not Unix，一个包含了递归的缩写！GNU Linux工程是为与可复制﹑修改﹑和重新分配的源代码一起的类Unix操作系统的发展而建立的。）建立我们的工程，Mercurial（一个轻量级的分布式版本控制系统）管理我们的源代码，与直升机之间的通讯采用python/pyusb（一个python上的USB通讯软件库）。所有这些软件都能在linux和windows系统间来回无缝切换，使这个项目的管理变得容易许多。

电动机之间的距离（X轴和Y轴方向）大约有8cm，整个飞行器的重量只有20g。

电路板顶面的细节.

疯狂直升机电路板顶面细节

电路板顶面包含了传感器和控制/通讯电路。

• JTAG/串行接口用来向处理器编程，传送debug信息。
• CPU是STM32 Cortex - M3。时钟设定为内部振荡器64MHz。
• 2轴X-Y陀螺仪InvenSense IDG500。它的模拟信号输出连接到CPU的模数转换器。
• Z轴陀螺仪InvenSense ISZ500。和X-Y陀螺一样，模拟信号输出连接到CPU的模数转换器。
• 2.4GHz的射频通信基于Nordic的nRF24L01 芯片。它实际上是一个通过SparkFun出售的带接口电路板，通过SPI端口连接到CPU。
• 3轴加速度计是Bosch SMB380。它通过I?C总线连接到CPU。
  

电路板底面的细节.

疯狂直升机电路板底面细节

这里没有什么特别之处，除了一小块电池通过胶带粘在电路板底面。这些电池来自一架Silverlit x-twin模型飞机，允许我们的直升机飞行4.5分钟。

电池下方的电路细节.

在电池下方是供电电路和功率控制电路。

• 充电插座连接外界的5V电源，给电池充电
• 电源开关切换直升机的电源供应（连接器/充电电池）
• 5V升压电路将3?4V的电池电压升压到5V。
• 两个3.3V线性稳压器，从5V电压降压输出3.3V电压。数字和模拟3.3V供电电压相互独立。这是为了减少对模拟器件的噪声干扰（两个陀螺仪，设计中很重要的一部分）。
• 最后，在四个侧边正中有电动机的驱动晶体管。电能从PCB梁的顶部和底部布线传送，为电动机提供能量。
  

值得一提的是，我们在3.3V稳压器右边放置了电池充电芯片，这是一片常用的MAX1555，它工作的很好。

使用升压电路的目的在于在电池的基础上提供更加稳定的供电，在电池即将耗尽，电压开始下降时它特别有效，同时还能够减小电机驱动电路带来的噪声。但是说到底这些芯片使用2.8V线性稳压器供电就能工作，因此我们计划在下一个版本中取消升压电路，同时还打算把无线通讯模块也集成到电路板上。

电动机和螺旋桨都来自Silverlit x-twin模型飞机，它们直接由电池电压供电。