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摘 要：多旋翼式飞行器以其独特的飞行方式成为了许多研究人员的关注焦点。本文以四旋翼飞行器为代表，基于蓝牙串口通信技术下，简要分析该种飞行器的遥控系统设计。
关键词：旋翼；螺旋桨；驱动；控制
无人机是一种新型的无人驾驶的自主飞行器，多旋翼式飞行器是无人机的一种。多旋翼式飞行器具有自主起飞、着陆，并且能够实现多姿态飞行，环境适应性更强。特别是拥有较为新颖布局的多旋翼飞行器，以其独特的飞行方式成为了许多研究人员的关注焦点。本文中所论述的多旋翼飞行器指的四旋翼飞行器，基于蓝牙串口通信技术下，简要分析该种飞行器的遥控系统设计。
一、多旋翼飞行器组成部分与基本功能概述
多旋翼飞行器主要的驱动原理在于利用了多个旋翼改变转速的方式，利用这种方式让飞行器完成不同的飞行姿态。本文所选取的四旋翼飞行器的结构特点一般具有轴对称的特性，它的4个旋翼位置分布一般均匀，硬件结构如下图1所示。四旋翼飞行器主要由升力系统、动力系统、控制（遥控）系统以及机体和起落架五个部分。其中动力系统主要是为飞机的起飞、飞行、降落提供能量，其主要动力来自于锂电池供电，通过无刷直流电机进行驱动，供给驱动力。
图1 四旋翼飞行器结构图
升力系统主要由完全一样的四个子系统组成，各系统包含一个直流电机和一个旋翼，旋翼通过高速转动产生升力。控制系统在机体最中心的位置，一般由控制器以及机载传感器组成，主要对机体飞行状态进行控制，本文所论述的遥控系统主要是基于蓝牙串口通信模块的一种控制通信模块。机体是飞行器的主要外观表现，一般是由机体连接轴和圆环组成，一般由铝合金制成，呈十字形分布。
二、多旋翼飞行器控制系统电路设计
1. 四旋翼飞行器控制原理
四旋翼飞行器的驱动主要靠四个独立的电机，每一个电机上均配置一个螺旋桨，相反方向的螺旋桨属于一对，两组对桨的旋转方向相反。只有在两对桨在旋转过程中产生了相互平衡的外力，才能够让飞行器得以精确飞行。对于四旋翼飞行器飞行过程中的控制，主要取决于两对桨的各自旋转速度和方向，当两对螺旋桨朝相反的方向旋转的时候，电机的转动速度在没有反扭矩的轻快下都在增加，提升了螺旋桨的动力驱动力，升力有所提高直至超越了飞机所受的重力，飞行器就能够实现离开地面上述。
由此可以看出，对于四旋翼飞行器的控制主要集中在对飞行器寄生作用的螺旋桨的旋转方向，利用对驱动电机的转速的控制，来改变螺旋桨形成的升力大小，从而改变飞行器的飞行状态。
2. 多旋翼飞行器遥控系统电路结构设计
基于多旋翼飞行器控制的对象，将多旋翼飞行器的控制电路结构设计为电机驱动模块、主控制器模块、电机模块以及按键模块。
（1）主从控制器：按键按下产生电信号，主控制器收到后迅速转换成转速信息并传递给电机，因此，主控制器是控制电路设计的重点核心部分。而从控制器主要收集飞行器在飞行过程中所产生的一系列飞行数据，对信息进行处理后实现对驱动电机的控制。
（2）无刷电机驱动模块：驱动模块是整个飞行器的动力源，为螺旋桨的转动提供能量传递，在四旋翼飞行器中，一共需要四个独立的无刷电机驱动模块，以保证对4个螺旋桨的独立驱动。这四个驱动模块为电机提供电子换向，从而达到对螺旋桨的旋转速度控制。
（3）电源模块：电源模块一般由锂电池组成，它是飞行器的能源所在，主要起到维持控制电路的能量供给。
三、基于蓝牙串口的多旋翼飞行器控制通信设计
多旋翼飞行器相较于固定旋翼飞行器而言具有很多的优点，因此被大量广泛的使用在军事领域。但多旋翼飞行器在控制系统的设计上存在许多不确定性的因素，例如随着时间变动的动力学特征、输入和输出变量之间的偶和作用、外界条件干扰等。相较于一般的通信控制模块而言，基于蓝牙串口的多旋翼遥控系统设计能够更好的避免这一问题。
1. 蓝牙串口通信简介
蓝牙技术是一种无线通信技术，它主要特点在于能够在小范围内实现无线连接以及微小网自主组网的通信技术，同时兼备良好的抗干扰能力以及系统稳定性。蓝牙模块的内部体系结构如涂所示。该模块继承了数据存储器、基带控制器、程序存储器、与外界通信的I/O口以及射频接口。
2. 蓝牙串口通信模块设计
蓝牙串口通信开发模式分为单微控制器模式以及双位控制器模式。本文采用的是双位控制器模式，单片机通过主机控制器接口对蓝牙模块进行开发，并且实现其特点的功能。本文中采用的蓝牙芯片是 CSR 公司的主流芯片BC417143，支持蓝牙的 V2.0 的协议标准， 蓝牙芯片上提供 UART 接口、SPI 接口、PCM 接口、PIO 接口，串口波特率支持多重选择，默认是9 600b/s。蓝牙主机采用的是单片机，芯片是AT89C2051，工作电压为 5 V， 具有2KB的可编程存储器和128B的数据存储器， 具有2个定时器和可编程串行通道， 单片机与蓝牙模块通过串口进行连接，AT89C2051 与 MCS -51 兼容，采用 KC51 进行开发。
微控制器芯片内部寄存器可提供 6 条 SPI 指令，它们分别是读取指令、写指令、请求发送报告指令、位编辑指令、复位指令以及读状态指令。其工作方式可以飞卫监听工作方式、睡眠工作方式、环路工作方式、配置工作方式等。实现在飞行器在不同的状态的飞行控制。
3. 基于蓝牙串口的多旋翼飞行器控制结构阐明
对于小型四旋翼飞行器来说，其对无线遥控模块的控制指令进行接收，指令经过主控制器解析之后，就会将要求的位置数据以及姿态计算出来，接着通过飞行控制算法将 4 个旋翼的转动速度计算出来，通过电机驱动模块对驱动电机进行控制，从而得到要求的转速，才能够使要求的姿态得以实现。采用蓝牙串口的通信方式，能够有效防止非法连接，保证了控制通信系统的稳定性和安全性。■
参考文献
[1] 王业潘，孙骅，李文静. 微型四旋翼直升机控制系统设计[J]. 广州大学学报（自然科学版），2011（02）.
[2] 黄圣财，邓寅喆，刘亮，龚振邦. 超小型旋翼飞行器超视距遥控系统若干技术的探讨[J]. 机电一体化，2013.
[3] 干俊生. 四旋翼碟形飞行器控制系统设计及控制方法研究[D]. 长沙：国防科技大学机械工程与动化学院，2012.
关键词：旋翼；螺旋桨；驱动；控制
无人机是一种新型的无人驾驶的自主飞行器，多旋翼式飞行器是无人机的一种。多旋翼式飞行器具有自主起飞、着陆，并且能够实现多姿态飞行，环境适应性更强。特别是拥有较为新颖布局的多旋翼飞行器，以其独特的飞行方式成为了许多研究人员的关注焦点。本文中所论述的多旋翼飞行器指的四旋翼飞行器，基于蓝牙串口通信技术下，简要分析该种飞行器的遥控系统设计。
一、多旋翼飞行器组成部分与基本功能概述
多旋翼飞行器主要的驱动原理在于利用了多个旋翼改变转速的方式，利用这种方式让飞行器完成不同的飞行姿态。本文所选取的四旋翼飞行器的结构特点一般具有轴对称的特性，它的4个旋翼位置分布一般均匀，硬件结构如下图1所示。四旋翼飞行器主要由升力系统、动力系统、控制（遥控）系统以及机体和起落架五个部分。其中动力系统主要是为飞机的起飞、飞行、降落提供能量，其主要动力来自于锂电池供电，通过无刷直流电机进行驱动，供给驱动力。
图1 四旋翼飞行器结构图
升力系统主要由完全一样的四个子系统组成，各系统包含一个直流电机和一个旋翼，旋翼通过高速转动产生升力。控制系统在机体最中心的位置，一般由控制器以及机载传感器组成，主要对机体飞行状态进行控制，本文所论述的遥控系统主要是基于蓝牙串口通信模块的一种控制通信模块。机体是飞行器的主要外观表现，一般是由机体连接轴和圆环组成，一般由铝合金制成，呈十字形分布。
二、多旋翼飞行器控制系统电路设计
1. 四旋翼飞行器控制原理
四旋翼飞行器的驱动主要靠四个独立的电机，每一个电机上均配置一个螺旋桨，相反方向的螺旋桨属于一对，两组对桨的旋转方向相反。只有在两对桨在旋转过程中产生了相互平衡的外力，才能够让飞行器得以精确飞行。对于四旋翼飞行器飞行过程中的控制，主要取决于两对桨的各自旋转速度和方向，当两对螺旋桨朝相反的方向旋转的时候，电机的转动速度在没有反扭矩的轻快下都在增加，提升了螺旋桨的动力驱动力，升力有所提高直至超越了飞机所受的重力，飞行器就能够实现离开地面上述。
由此可以看出，对于四旋翼飞行器的控制主要集中在对飞行器寄生作用的螺旋桨的旋转方向，利用对驱动电机的转速的控制，来改变螺旋桨形成的升力大小，从而改变飞行器的飞行状态。
2. 多旋翼飞行器遥控系统电路结构设计
基于多旋翼飞行器控制的对象，将多旋翼飞行器的控制电路结构设计为电机驱动模块、主控制器模块、电机模块以及按键模块。
（1）主从控制器：按键按下产生电信号，主控制器收到后迅速转换成转速信息并传递给电机，因此，主控制器是控制电路设计的重点核心部分。而从控制器主要收集飞行器在飞行过程中所产生的一系列飞行数据，对信息进行处理后实现对驱动电机的控制。
（2）无刷电机驱动模块：驱动模块是整个飞行器的动力源，为螺旋桨的转动提供能量传递，在四旋翼飞行器中，一共需要四个独立的无刷电机驱动模块，以保证对4个螺旋桨的独立驱动。这四个驱动模块为电机提供电子换向，从而达到对螺旋桨的旋转速度控制。
（3）电源模块：电源模块一般由锂电池组成，它是飞行器的能源所在，主要起到维持控制电路的能量供给。
三、基于蓝牙串口的多旋翼飞行器控制通信设计
多旋翼飞行器相较于固定旋翼飞行器而言具有很多的优点，因此被大量广泛的使用在军事领域。但多旋翼飞行器在控制系统的设计上存在许多不确定性的因素，例如随着时间变动的动力学特征、输入和输出变量之间的偶和作用、外界条件干扰等。相较于一般的通信控制模块而言，基于蓝牙串口的多旋翼遥控系统设计能够更好的避免这一问题。
1. 蓝牙串口通信简介
蓝牙技术是一种无线通信技术，它主要特点在于能够在小范围内实现无线连接以及微小网自主组网的通信技术，同时兼备良好的抗干扰能力以及系统稳定性。蓝牙模块的内部体系结构如涂所示。该模块继承了数据存储器、基带控制器、程序存储器、与外界通信的I/O口以及射频接口。
2. 蓝牙串口通信模块设计
蓝牙串口通信开发模式分为单微控制器模式以及双位控制器模式。本文采用的是双位控制器模式，单片机通过主机控制器接口对蓝牙模块进行开发，并且实现其特点的功能。本文中采用的蓝牙芯片是 CSR 公司的主流芯片BC417143，支持蓝牙的 V2.0 的协议标准， 蓝牙芯片上提供 UART 接口、SPI 接口、PCM 接口、PIO 接口，串口波特率支持多重选择，默认是9 600b/s。蓝牙主机采用的是单片机，芯片是AT89C2051，工作电压为 5 V， 具有2KB的可编程存储器和128B的数据存储器， 具有2个定时器和可编程串行通道， 单片机与蓝牙模块通过串口进行连接，AT89C2051 与 MCS -51 兼容，采用 KC51 进行开发。
微控制器芯片内部寄存器可提供 6 条 SPI 指令，它们分别是读取指令、写指令、请求发送报告指令、位编辑指令、复位指令以及读状态指令。其工作方式可以飞卫监听工作方式、睡眠工作方式、环路工作方式、配置工作方式等。实现在飞行器在不同的状态的飞行控制。
3. 基于蓝牙串口的多旋翼飞行器控制结构阐明
对于小型四旋翼飞行器来说，其对无线遥控模块的控制指令进行接收，指令经过主控制器解析之后，就会将要求的位置数据以及姿态计算出来，接着通过飞行控制算法将 4 个旋翼的转动速度计算出来，通过电机驱动模块对驱动电机进行控制，从而得到要求的转速，才能够使要求的姿态得以实现。采用蓝牙串口的通信方式，能够有效防止非法连接，保证了控制通信系统的稳定性和安全性。■
参考文献
[1] 王业潘，孙骅，李文静. 微型四旋翼直升机控制系统设计[J]. 广州大学学报（自然科学版），2011（02）.
[2] 黄圣财，邓寅喆，刘亮，龚振邦. 超小型旋翼飞行器超视距遥控系统若干技术的探讨[J]. 机电一体化，2013.
[3] 干俊生. 四旋翼碟形飞行器控制系统设计及控制方法研究[D]. 长沙：国防科技大学机械工程与动化学院，2012.