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四軸飛行器具備VTOL(VerticalTake-OffandLanding，垂直起降)飛行器的所有優(yōu)點，又具備無人機的造價低、可重復性強以及事故代價低等特點，具有廣闊的應用前景?？蓱糜谲娛律系牡孛鎽?zhàn)場偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報。能夠執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務，可應對現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式。在民用方面可用于災后搜救、城市交通巡邏與目標跟蹤等諸多方面。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場、高壓輸電線、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達空間進行。
本設計主要包括遙控器和飛行器兩大部分，其中央處理器CPU均采用STC15W4K58S4，IAP15W4K58S4(既能仿真又能USB直接下載程序),是目前STC 最先進的芯片之一,內部資源十分豐富,具有58K字節(jié)程序存儲器,4096字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器,5個定時器,4個獨立串口,8通道10位高速ADC轉換器, 1個SPI接口支持主機與從機模式、2路CCP/PCA/PWM、6路帶死區(qū)控制的專用PWM、1個比較器等,支持USB直接下載程序和串口下載程序,內部集成有高精度R/C 時鐘與高可靠復位電路,支持2.5~5.5V寬工作電壓范圍。飛行器與遙控器之間的無線通信采用2.4GHz通信頻段的NRF24L01模塊，NRF24L01模塊與MCU之間通過SPI協(xié)議以1MHz的通信速率通信；飛行器端搭載有3軸加速度計與三軸陀螺儀融合一體的MPU6050慣性測量單元作為姿態(tài)歐拉角測量單元，MPU6050與飛行器MCU之間通過I2C協(xié)議以400Hz的頻率進行通信；飛行器端MCU通過接收無線數(shù)據(jù)以及采集MPU6050數(shù)據(jù)通過四元數(shù)互補濾波計算出的歐拉角，再進行電機PID自動控制，最終以20KHz的PWM通過MOS管來驅動空心杯820直流有刷電機，得以實現(xiàn)遙控四軸飛行器的設計。
2.1設計硬件系統(tǒng)各模塊功能介紹
2.1.1MCU控制中心
MCU是飛行器和遙控器的控制中心，是它們的大腦，主要功能是收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并且做出指示。本次設計選用的是STC15W4K58S4作為中央處理器，設置72M的時鐘頻率，完全能達到設計的要求。
2.1.2電源模塊
電源模塊起著為系統(tǒng)充能量的作用，任何電子系統(tǒng)沒有了電源，系統(tǒng)肯定會癱瘓，所以電源起著至關重要的作用。本次電源設計模塊選用CAT6219作為3.7V轉3.3V穩(wěn)壓芯片；CAT6219的低壓差的優(yōu)點完全符合設計要求，遙控還使用了ASM1117-2.5作為3.7V轉2.5V的穩(wěn)壓芯片；2.5V電壓用于給ADC電位器做參考電壓使用。
2.1.3通信模塊
通信模塊在整個系統(tǒng)中起著信號交流的作用，遙控器通過MCU讀取的按鍵信息以及油門方向值發(fā)送到飛行器端，飛行器端接收到之后做出相應的動作。本次設計采用NRF24L01無線通信模塊，選著此模塊的原因是因其通信協(xié)議簡單、傳輸距離相對較遠、價格低廉等優(yōu)點。
2.1.4慣性測量單元
慣性測量單元主要是在飛行器飛行過程中實時檢測姿態(tài)的傳感器，對于飛行器想要平穩(wěn)飛行來說具有極其重要的作用。本次設計之所以選用MPU6050作為姿態(tài)傳感器作為慣性測量單元，是因其具有跟MCU之間進行I2C數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率為400KHz，通信協(xié)議簡單、價格低廉等優(yōu)點。
2.1.5電機驅動
電機驅動部分主要是MCU通過控制PWM然后控制MOS管打開和閉合作為開關從而控制電機的轉動。本設計采用SI2302N溝道型MOS管，其具有低開啟電壓大電流并且價格便宜等優(yōu)點，電路設計也很簡單。
2.1.6LED狀態(tài)指示
在硬件電路設計中，LED首先必須要有電源指示燈，判斷系統(tǒng)是否上電；其次需要有信號指示燈，指示遙控器和飛行器是否通信；最后就是狀態(tài)顯示LED燈顯示飛行器狀態(tài)等等。
