四轴飞行器报告(高级篇)
姓名: 阿力木江艾合买提江高瞻
完成日期: 2014年12月29日星期一
报告内容
1.姿态解算用到的常用数学方法和处理手段
2.自动控制原理PID和系统建模
姿态解算用到的常用数学方法和处理手段
姿态有多种数学表示方式，常见的是四元数，欧拉角，矩阵和轴角。他们各自有其自身的优点，在不同的领域使用不同的表示方式。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角。
四元数是由爱尔兰数学家威廉·卢云·哈密顿在1843年发现的数学概念。从明确地角度而言，四元数是复数的不可交换延伸。如把四元数的集合考虑成多维实数空间的话，四元数就代表着一个四维空间，相对于复数为二维空间。
四元数大量用于电脑绘图（及相关的图像分析）上表示三维物件的旋转及方位。四元数亦见于控制论、信号处理、姿态控制、物理和轨道力学，都是用来表示旋转和方位。
相对于另几种旋转表示法（矩阵，欧拉角，轴角），四元数具有某些方面的优势，如速度更快、提供平滑插值、有效避免万向锁问题、存储空间较小等等。
以上部分摘自维基百科-四元数。
莱昂哈德·欧拉用欧拉角来描述刚体在三维欧几里得空间的取向。对于在三维空间里的一个参考系，任何坐标系的取向，都可以用三个欧拉角来表现。参考系又称为实验室参考系，是静止不动的。而坐标系则固定于刚体，随着刚体的旋转而旋转。
以上部分摘自维基百科-欧拉角。下面我们通过图例来看看欧拉角是如何产生的，并且分别对应哪个角度。
姿态解算的核心在于旋转，一般旋转有4种表示方式：矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适合变换向量，欧拉角最直观，轴角表示则适合几何推导，而在组合旋转方面，四元数表示最佳。因为姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量，所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。
总结来说，在飞行器中，姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态，包括旋转和方位。在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。
姿态控制算法的输入参数必须要是欧拉角。AD值是指MP U6050的陀螺仪和加速度值，3个维度的陀螺仪值和3个维度的加速度值，每个值为16位精度。AD值必须先转化为四元数，然后通过四元数转化为欧拉角。这个四元数可能是软解，主控芯片（STM32）读取到AD值，用软件从AD值算得，也可能是通过MP U6050中的DMP硬解，主控芯片（STM32）直接读取到四元数。具体参考《MP U60x0的四元数生成方式介绍》。
下面就是四元数软解过程，可以由下面这个框图表示：
下面介绍一下四元数，然后给出几种旋转表示的转换。这些运算在飞行器的代码中都会遇到。
四元数可以理解为一个实数和一个向量的组合，也可以理解为四维的向量。这里用一个圈表示q是一个四元数（很可能不是规范的表示方式）。
四元数的长度（模）与普通向量相似。
下面是对四元数的单位化，单位化的四元数可以表示一个旋转。
四元数相乘，旋转的组合就靠它了。
旋转的“轴角表示”转“四元数表示”。这里创造一个运算q(w,θ)，用于把绕单位向量w转θ角的旋转表示为四元数。
通过q(w,θ)，引伸出一个更方便的运算q(f,t)。有时需要把向量f的方向转到向量t的方向，这个运算就是生成表示对应旋转的四元数的（后面会用到）。
然后是“四元数表示”转“矩阵表示”。再次创造运算，用R(q)表示四元数q对应的矩阵（后面用到）。
多个旋转的组合可以用四元数的乘法来实现。
“四元数表示”转“欧拉角表示”。用于显示。
使用MP U6050硬件DMP解算姿态是非常简单的，下面介绍由三轴陀螺仪和加速度计的值来使用四元数软件解算姿态的方法。
我们先来看看如何用欧拉角描述一次平面旋转(坐标变换)：
设坐标系绕旋转α角后得到坐标系,在空间中有一个矢量在坐标系中的投影为,在内的投影为由于旋转绕进行，所以Z坐标未变，即有。
转换成矩阵形式表示为：
整理一下：
所以从旋转到可以写成
上面仅仅是绕一根轴的旋转，如果三维空间中的欧拉角旋转要转三次:
上面得到了一个表示旋转的方向余弦矩阵。
不过要想用欧拉角解算姿态，其实我们套用欧拉角微分方程就行了：
上式中左侧,,是本次更新后的欧拉角,对应row,pit,yaw。右侧，是上个周期测算出来的角度，，，三个角速度由直接安装在四轴飞行器的三轴陀螺仪在这个周期转动的角度，单位为弧度，计算间隔时T陀螺角速度，比如0.02秒0.01弧度/秒=0.0002弧度。间因此求解这个微分方程就能解算出当前的欧拉角。
前面介绍了什么是欧拉角，而且欧拉角微分方程解算姿态关系简单明了，概念直观容易理解，那么我们为什么不用欧拉角来表示旋转而要引入四元数呢？
一方面是因为欧拉角微分方程中包含了大量的三角运算，这给实时解算带来了一定的困难。而且当俯仰角为90度时方程式会出现神奇的“GimbalLock”。所以欧拉角方法只适用于水平姿态变化不大的情况，而不适用于全姿态飞行器的姿态确定。
四元数法只求解四个未知量的线性微分方程组，计算量小，易于操作，是比较实用的工程方法。
我们知道在平面(x,y)中的旋转可以用复数来表示，同样的三维中的旋转可以用单位四元数来描述。我们来定义一个四元数：
我们可以把它写成,其中,。那么是矢量，表示三维空间中的旋转轴。w是标量，表示旋转角度。那么就是绕轴旋转w 度，所以一个四元数可以表示一个完整的旋转。只有单位四元数才可以表示旋转，至于为什么，因为这就是四元数表示旋转的约束条件。
而刚才用欧拉角描述的方向余弦矩阵用四元数描述则为：
所以在软件解算中，我们要首先把加速度计采集到的值(三维向量)转化为单位向量,即向量除以模，传入参数是陀螺仪x,y,z值和加速度计x,y,z值：
下面把四元数换算成方向余弦中的第三行的三个元素。刚好vx,vy,vz 其实就是上一次的欧拉角（四元数）的机体坐标参考系换算出来的重力的单位向量。
axyz是机体坐标参照系上，加速度计测出来的重力向量，也就是实际测出来的重力向量。
axyz是测量得到的重力向量，vxyz是陀螺积分后的姿态来推算出的重力向量，它们都是机体坐标参照系上的重力向量。
那它们之间的误差向量，就是陀螺积分后的姿态和加计测出来的姿态之间的误差。
向量间的误差，可以用向量叉积（也叫向量外积、叉乘）来表示，exyz就是两个重力向量的叉积。
这个叉积向量仍旧是位于机体坐标系上的，而陀螺积分误差也是在机体坐标系，而且叉积的大小与陀螺积分误差成正比，正好拿来纠正陀螺。（你可以自己拿东西想象一下）由于陀螺是对机体直接积分，所以对陀螺的纠正量会直接体现在对机体坐标系的纠正。
用叉积误差来做P I修正陀螺零偏
四元数微分方程，其中T为测量周期，为陀螺仪角速度，以下都是已知量，这里使用了一阶龙哥库塔求解四元数微分方程：
最后根据四元数方向余弦阵和欧拉角的转换关系，把四元数转换成欧拉角：
所以有：
四轴的姿态解算无疑是最繁琐的步骤没有之一，但是自从MP U6050出现了硬件DMP的时候，大妈都能完成姿态解算了！
飞行器使用了MP U6050自带的硬件四元数单元，可以通过IIC直接读取四元数，省却了软件解算繁琐的算法步骤，非常方便易用。
这里还是要首先介绍下四元数，四元数要说的实在太多，因为它的优点很多，利用起来很方便，但是理解起来就有点蹩脚了。我们百度四元数，一开始看到的就是四元数来历，还有就是四元数的基本计算。对于来历，还是想说一下，四元数（Quaternions）是由威廉·卢云·哈密尔顿(William Row anHamilton,1805-1865）在1843 年爱尔兰发现的数学概念。
将实数域扩充到复数域，并用复数来表示平面向量，用复数的加、乘运算表示平面向量的合成、伸缩和旋，这就是我们熟知的复数的二维空间含义，所以人们会继续猜想，利用三维复数不就可以表达三维空间的变换了吗，历史上有很多数学家试图寻找过三维的复数，但后来证明这样的三维复数是不存在的。有关这个结论的证明，我没有查到更明确的版本，据《古今数学思想》中的一个理由，三维空间中的伸缩旋转变换需要四个变量来决定：两个变量决定轴的方向，一个变量决定旋转角度，一个变量决定伸缩比例。这样，只有三个变量的三维复数无法满足这样的要求。但是历史上得到的应该是比这个更强的结论，即使不考虑空间旋转，只从代数角度来说，三维的复数域作为普通复数域的扩张域是不存在的。并且，据《古今数学思想》叙述，即使像哈密尔顿后来引入四元数那样，牺牲乘法交换律，这样的三维复数也得不到。经过一些年的努力之后，Hamilton 发现自己被迫应作两个让步，第一个是他的新数包含四个分量，而第二个是他必须牺牲乘法交换律。（《古今数学思想》第三册177 页）但是四元数用作旋转的作用明显，简化了运算，而且避免了Gimbal Lock，四元数是最简单的超复数，我们不能把四元数简单的理解为3D 空间的矢量，它是4 维空间中的的矢量，也是非常不容易想像的。
我们知道在平面(x,y)中的旋转可以用复数来表示，同样的三维中的旋转可以用单位四元数来描述。我们来定义一个四元数：
我们可以把它写成，其中，。那么V是矢量，表示三维空间中的
旋转轴。w是标量，表示旋转角度。那么就是绕轴V旋转w度，所以一个四元数可以表示一个完整的旋转。只有单位四元数才可以表示旋转，至于为什么，因为这就是四元数表示旋转的约束条件。
所以大家可以理解为，单位四元数能够表示旋转。我们给出一组单位四元数和欧拉角的转换关系，通过这个关系来将采集到的四元数转化成欧拉角，原理将在软件解算中给出，这里直接使用就可以了：
所以在四轴飞行器中，传感器读取到四元数，首先应先将它归一化成单位四元数：
归一化后根据四元数和欧拉角转换公式把四元数转化为欧拉角，OK,硬件姿态解算完成！
自动控制原理PID和系统建模
PID控制算法
四轴如何起飞的原理
四轴飞行器的螺旋桨与空气发生相对运动，产生了向上的升力，当升力大于四轴的重力时四轴就可以起飞了。
四轴飞行器飞行过程中如何保持水平：由于四个电机转向相同，四轴会发生旋转。我们控制四轴电机1和电机3同向，电机2电机4反向，刚好抵消反扭矩，巧妙的实现了平衡：
实际上由于电机和螺旋桨本身制造的差异我们无法做到四个电机转速完全相同，如果我们控制同样的转速很有可能飞行器起飞之后就侧翻了。
由于电机的不平衡，在人眼的观察下发现飞机向右侧翻，我们控制右侧电机1电机2提高转速增加升力，飞机归于平衡。由于飞机是一个动态系统，在接下来我们会一直重复：
观察->大脑计算->控制->观察->大脑计算->控制这个过程。
但事实上这是不可能的，因为人无法长时间精确的同时控制四个电机。我们需要一个自动反馈系统替代人操作来完成飞机的自稳定，我们人只需要控制飞机的方向和高度就可以了。这个系统中反馈由姿态传感器替代眼睛，而大脑则由单片机来替代。这时候该运用P ID控制系统
P ID控制器由偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）来对被控对象进行控制，是应用最为广泛的一种自动控制器。
?比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
?积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System w ith Steady-state E rror）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(P I)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分项输出：
?微分（D）控制
微分调节就是偏差值的变化率。使用微分环节能够实现系统的超前控制。如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。微分项输出：
综上所述得到一个一条公式，这个就是模拟P ID：
而P ID中又可以只使用P I项构成比例-积分控制器，使用P D项构成比例-微分控制器。在飞行器四轴飞行器中我们使用了增量式P D控制，以ROLL方向角度控制为例：
?测得ROLL轴向偏差：
?比例项的计算：
?微分项计算：由于陀螺仪测得的是ROLL轴向旋转角速率，角速率积分就是角度，那么角度微分即角速率，所以微分量刚好是陀螺仪测得的值。
?整合结果总输出为：
ROLL 和P IT轴向按照以上公式计算P ID输出，但YAW轴比较特殊，因为偏航角法线方向刚好和地球重力平行，这个方向的角度无法由加速度计直接测得，需要增加一个电子罗盘来替代加速度计。如果不使用罗盘的话，我们可以单纯的通过角速度积分来测得偏航角，缺点是由于积分环节中存在积分漂移，偏航角随着时间的推移会偏差越来越大。我们不使用罗盘就没有比例项，只仅使用微分环节来控制。
?YAW轴输出：
?电机的输出：油门控制Throttle是电机输出的基准值，增加油门即可提高四轴高度。最后整合ROLL/P IT/YAW三轴输出量进行电机控制：
如图四轴绕ROW轴向右下倾斜5度，那么电机1电机2应该提高升力，电机3电机0减小升力恢复平衡状态，所以有以下规则：
?Roll方向旋转，则电机1电机2同侧出力，电机0电机3反向出力
?P itch方向旋转，则电机2电机3同侧出力，电机0电机1反向出力
?Yaw方向旋转，则电机1电机3同侧出力，电机0电机2反向出力
参考:
软件架构部分:小马论坛,匿名论坛, 圆点博士论坛,crazyfile论坛
控制P ID部分:中山大学四轴俱乐部,crazyfile论坛
硬件参考:众多大神匿名提供的资料和解决方案,还有许多热心帮助的爱好者.
参考书籍:《实时操作系统CSD方法》《UC/OS-III基于STM32移植》《由入门到精通吃透P ID》《高频电子线路设计》
参考文献：《基于非线性滤波的初始对准研究》《卡尔曼滤波器介绍》《捷联式惯性导航系统》《四旋翼飞行器的动力学建模及pid控制》《四旋翼几种控制方法研究》
四轴飞行器运动分析 一、飞行原理 四轴飞行器的结构形如图所示，其中同一对角线上的电机转向应该相同，不同对角线上的电机转向应该相反。这样，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。 与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。其基本运动状态可分为： （1）垂直运动； （2）俯仰运动； （3）滚转运动； （4）偏航运动； （5）前后运动； （6）侧向运动；
下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态： 垂直运动——在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当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。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。 俯仰运动——在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。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（方向如图所示），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。
四轴飞行器飞行原理 四旋翼飞行器结构 形式如图所示，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。 与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。 其基本运动状态分别是： （1）垂直运动； （2）俯仰运动； （3）滚转运动； （4）偏航运动； （5）前后运动； （6）侧向运动； 在控制飞行器飞行时，有如下技术难点： 首先，在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，很难获得其准确的性能参数。
其次，微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 再次，利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除，怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否，是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价值。 下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态： 垂直运动——在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当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。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。 俯仰运动——在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。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（方向如图所示），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
四旋翼飞行器结构和原理 1.结构形式 旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图1.1所示。 .工作原理 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。
在上图中，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
四轴飞行器的建模与仿真 摘要 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。 关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference
4-AXIS AEROCRAFT INSTRUCTION MANUAL 四轴飞行器说明书 ATTENTION:（注意事项） 1、This 4-axis aircraft is suitable for indoor/outdoor flying.but make sure the outdoor wind is not over grade 4. 这款四轴飞行器适用于室内/室外飞行。但要确保室外风力不超过4级。 2、2.4 technology adopted for anti-interference,even more than one quadcopter is flying in the same area they will not interferewith each other. 采用2.4GHZ抗干扰技术, 即使一个以上的飞行器在同一地区飞行，它们也不会彼此干扰。 Beside ,players can let the the aircraft fly up/down/forward/backward,left/right sideward and tuen left/right. 此外，玩家可以让飞机飞上/下/前进/后退，左转/右转和左翻/右翻。 3、Please read this man ual carefull before using,in the mean time ,please well keep the manul for future reference. 请在使用前仔细阅读本手册，同时，请妥善保管说明书备查。 ALL PARETS INCLUDED( 组成结构简介) MAIN MENU：（菜单） Lcd screen液晶屏幕Power light 电源指示灯 Servos舵机Flip key 翻转 Left hand throttle shows左手调节显示Forward and back left and right前，后，左，右Signal display信号指示Direction joystick方向操纵杆 Accelerator and steering 油门和转向Forward/back trimming 前进/后退微调 Left-turn/riggt-turn trimming 左/右转微调Left/right sideways timming左/右侧微调Power switch 电源开关 TRANSMITTER BATTERY INSTALLATION:( 安装发射器电池) Aircraft battery change:( 更换飞机电池) THE RELATED NOTES ABOUT LITHIUM BATTERY’S USAGE: 关于锂电池使用的相关说明 HOW TO CONTROL:(操作说明) 1、Aircraft power switch to the “ON”position.the vehicle-mounted with the flat ground.Motherboard light is blink,don’t turn the fuselage again. 飞行器电源开关拔到“ON”位置。将飞行器平放在地面上，主板上的灯开始闪烁，不要再转动机身。 2、about 6 second,the operation of the throttle stick to the bottom,and then the power switch to the
DIY四轴飞行器制作过程，超清晰多图！！！本人是航模菜鸟，大概是去年11月份，迷上了四轴飞行器，经常上MK的网站看飞行录相，四轴飞行起来稳定性真好，简直是酷毙了。最终没能抵制住诱惑，冲动之下决定自已也做个来玩玩。从网上收集资料，一切从0起步。经历了几个月的走走停停，现在已陆续完成了无刷电调、四轴机架、遥控器多通道改造、IMU 模块、飞控板设计制作。现小有成果，公布出来和大家交流交流，以资进步由于水平所限，本人只熟悉和使用51架构的MCU，系统的所有模块都是架构在C8051F 的基础上。但四轴所涉及的原理、控制理论都是一样的原理，希望各位同好网友不吝赐教，多多指导，谢谢！！！ 1.从旧货摊买的两个硬盘.JPG (94.34 KB) 2009-7-13 00:06
2.费了九牛二虎之力，最后改造一个拆手机用的起子，搞定了.JPG (91.37 KB) 2009-7-13 00:06 先贴两个图试试能否成功，下面接着来。机架打算用现有的电直尾管和管座配上硬盘片构成，电机用新西达2212 KV930，两正两反的桨用口碑不错的德国EPP1045 。
3.固定电直尾管的座子，好贵呀.JPG (103.48 KB) 2009-7-13 00:10
4.固定电直尾管的座子，好贵呀.JPG (103.48 KB) 2009-7-13 00:10
5.和到手的电机、尾管合张照.JPG (9 6.75 KB) 2009-7-13 00:10
6.外加工的4个电机安装座.JPG (73.54 KB) 2009-7-13 00:10
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:) 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
学校名称： 队长姓名： 队员姓名： 指导教师姓名：2013年9月6日
摘要 本次比赛我们需要很好地控制飞行器，让它自主完成比赛应该完成的任务。 本文的工作主要针对微型四旋翼无人飞行器控制系统的设计与实现问题展开。首先制作微型四旋翼无人飞行器实验平台，其次设计姿态检测算法，然后建立数学模型并设计姿态控制器和位置控制器，最后通过实验对本文设计的姿态控制器进行验证。设计机型设计全部由小组成员设计并制作，部分元件从网上购得，运用RL78/G13作为主控芯片，自行设计算法对飞行器进行，升降，俯仰，横滚，偏航等姿态控制。并可以自行起飞实现无人控制的自主四轴飞行器。 关键字：四旋翼无人飞行器、姿态控制、位置控制
目录 第1章设计任务.................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1 研究背景与目的........................................................................ 错误！未定义书签。 1.2 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。第2章方案论证.................................................................................... 错误！未定义书签。 2.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第3章理论分析与计算........................................................................ 错误！未定义书签。 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第4章测试结果与误差分析................................................................ 错误！未定义书签。 4.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.4 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第5章结论心得体会............................................................................ 错误！未定义书签。 5.1 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。.................................................................................................................. 错误！未定义书签。 2设计任务： 基本要求 （1）四旋翼自主飞行器（下简称飞行器摆放在图1所示的A区，一键式
四旋翼自主飞行器(B题) 摘要 系统以R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心，由电源模块、电机调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF模块，瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。
目录 1 系统方案论证与控制方案的选择............................................................................................. - 2 - 1.1 地面黑线检测传感器............................................................................................................. - 2 - 1.2 电机的选择与论证................................................................................................................. - 2 - 1.3 电机驱动方案的选择与论证................................................................................................. - 3 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计............................................................................................. - 3 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型..................................................................................................... - 3 - 2.2 PID控制算法结构分析.......................................................................................................... - 3 - 3 硬件电路设计与实现................................................................................................................. - 5 - 3.1飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 - 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 - 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 - 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 - 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 - 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 - 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 - 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 - 6 总结........................................................................................................................................... - 10 - 附录A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -
四轴飞行器知识 什么是四轴飞行器？ 四轴飞行器也叫四旋翼飞行器。通俗点说就是拥有四个独立动力旋翼 的飞行器，有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。四轴飞行器是多轴 飞行器其中的一种，常见的多轴飞行器有两轴，三轴，四轴，六轴， 八轴或者更多轴。 四轴飞行器飞行原理 重心的距离相等, 当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的 平衡, 四轴不会向任何一个四轴飞行器有四个电机呈十字形排列, 驱动四片桨旋转产生推力; 四个电机轴距几何中方向倾转; 而四个 电机一对正转,一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡, 保证了四轴航向的稳定. 此飞行控制板规定四轴电机的排布方式相 对应。1,4号电机顺时针方向旋转, 2,3号电机逆时针方向旋转. 四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向 和偏航方向上的运动: 当四轴需要向前方运动时, 2,3号电机 保持转速不变, 1号电机转速下降, 4号电机转速上升, 此时4号电 机产生的升力大于1号电机的升力, 四轴就会沿几何中心向前倾转, 桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动. 当四轴要转向左转 向时, 1,4号电机转速上升, 2,3号电机转速下降, 使向左的反扭距 大于向右的反扭矩, 四轴在反扭距的作用下向左旋转.四个桨产生的 推力, 超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与 下降的运动, 当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停。
其他方式的运动原理与以上过程类似. 四轴飞行原理虽然简单, 但实现起来还需很多工作要做. 四轴飞行器需要的零件 无刷电机（4个）、电子调速器（简称电调，4个，）、螺旋桨（4个，需要2个正浆，2个反浆）、飞行控制板（常见有瑞伯达、KK等品牌）、电池（11.1v航模动力电池）、遥控器（最低四通道遥控器）、机架（非必选）、充电器(尽量选择平衡充电器) 怎样知道是否能正常起飞？ 一切准备完毕，怎么知道可以试飞了呢，我个人建议为了避免匆忙上马，秒炸。先拿手上试飞比较好，但要注意离身体距离。 拿手上通电，加油门，如果一切正常，四轴是不会大幅度的晃动的，而是比较平稳。还可以故意左右晃动一下，会感觉到四轴保持平衡的反力量，只要达到这个效果，就基本达到了试飞的条件。RBD飞控我复位了好几次，只要没有意外，是基本都能成功的。 试飞场地建议选宽阔的地方，建议是草坪，这样的不容甩坏。 马达选择有刷马达，原因很简单，要需要复杂的电调，直接用MOS 管就可以驱动了。而且响应速度又快，价格也便宜。也可以选择减速组配高转速马达。只是成本高了点。而且实际的测试结果是马达里面火化直冒也无法将四轴自身拉离地面。原因就是马达转速和减速组搭配不合理，转速过快但拉力不够。经历过失败后，决定不在冒险，于是选择了大众配置：瑞伯达 2212，1000KV外转子无刷马达，瑞伯达30A电调（好赢兼容的程序），在解决了如何安装的问题后，终于可
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1楼 发表于2011-1-20 12:12:02|只看该作者|倒序浏览 一、相关技术文件: 1. 程式控制基底ATmega 8 ATmega8 技术文件点击此处下载ourdev_611065Q176XE.PDF(文件大小:2.45M) (原文件名: ATmega8_cn.PDF) 2. 无线模组 CC2500 (2.4G Hz 无线IC) 技术文件点击此处下载ourdev_611064KBBYJG.pdf(文件大小:1.26M) (原文件名: cc2500_cn.pdf) RDA T212 (PA+LNA) 技术文件点击此处下载ourdev_611063XH619C.pdf(文件大小:229K) (原文件名: RDA_T212.pdf) RDA ES02 (SP2T Switch )技术文件点击此处下载ourdev_611062ACP4OA.pdf(文件大小:29K) (原文件名: RDA_ES02.pdf) 3. 无刷马达电子调速模组 FDS7764A (N-Channel) 技术文件点击此处下载ourdev_612408FW8MGC.pdf(文件大小:273K) (原文件名:FDS7764A.pdf) TPC810 (P-Channel) 技术文件点击此处下载ourdev_612409Y3Y2UA.pdf(文件大小:293K) (原文件名:TPC8103.pdf) 4. 液晶萤幕显示模组 16x02 (液晶萤幕) 技术文件点击此处下载ourdev_612410MVKKXZ.zip(文件大小:365K) (原文件名:LCD_1602.zip) 5. MAG 9 FOD 飞行姿态感测模组(3轴磁力计＋3轴线性加速计＋3轴陀螺仪) LSM303DLH (磁力计＋线性加速计) 技术文件点击此处下载ourdev_612411H66HEH.zip(文件大小:2.02M) (原文件名:LSM303DLH.zip) IMU-3000 (陀螺仪) 技术文件点击此处下载ourdev_612412ORGL5T.zip(文件大小:1.93M) (原文件名:IMU_3000.zip) 6. GPS模组 U-BLOX NEO-5Q (GPS) 技术文件点击此处下载ourdev_612413K5MRZI.zip(文件大小:3.03M) (原文件名:NEO_5.zip) 7. 超音波测距模组 HIN-232 (RS-232 5V至10V升压IC) 技术文件点击此处下载ourdev_612414E8JL5V.pdf(文件大小:564K) (原文件名:HIN232.pdf) LM-324 (OP) 技术文件点击此处下载ourdev_612415WGYN7Y.pdf(文件大小:599K) (原文件名:LM324.pdf) 二、TWI(I2C) 通讯规划(用于各个电路模组通讯) M8 TWI(I2C) 规划(PDF档) 电路图档(Eagle档) 点击此处下载ourdev_611067JVY9ZR.zip(文
四轴飞行器报告(高级篇) 姓名: 阿力木江艾合买提江高瞻 完成日期: 2014年12月29日星期一 报告内容 1.姿态解算用到的常用数学方法和处理手段 2.自动控制原理PID和系统建模 姿态解算用到的常用数学方法和处理手段 姿态有多种数学表示方式，常见的是四元数，欧拉角，矩阵和轴角。他们各自有其自身的优点，在不同的领域使用不同的表示方式。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角。 四元数是由爱尔兰数学家威廉·卢云·哈密顿在1843年发现的数学概念。从明确地角度而言，四元数是复数的不可交换延伸。如把四元数的集合考虑成多维实数空间的话，四元数就代表着一个四维空间，相对于复数为二维空间。 四元数大量用于电脑绘图（及相关的图像分析）上表示三维物件的旋转及方位。四元数亦见于控制论、信号处理、姿态控制、物理和轨道力学，都是用来表示旋转和方位。 相对于另几种旋转表示法（矩阵，欧拉角，轴角），四元数具有某些方面的优势，如速度更快、提供平滑插值、有效避免万向锁问题、存储空间较小等等。 以上部分摘自维基百科-四元数。
莱昂哈德·欧拉用欧拉角来描述刚体在三维欧几里得空间的取向。对于在三维空间里的一个参考系，任何坐标系的取向，都可以用三个欧拉角来表现。参考系又称为实验室参考系，是静止不动的。而坐标系则固定于刚体，随着刚体的旋转而旋转。 以上部分摘自维基百科-欧拉角。下面我们通过图例来看看欧拉角是如何产生的，并且分别对应哪个角度。 姿态解算的核心在于旋转，一般旋转有4种表示方式：矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适合变换向量，欧拉角最直观，轴角表示则适合几何推导，而在组合旋转方面，四元数表示最佳。因为姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量，所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。 总结来说，在飞行器中，姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态，包括旋转和方位。在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。 姿态控制算法的输入参数必须要是欧拉角。AD值是指MP U6050的陀螺仪和加速度值，3个维度的陀螺仪值和3个维度的加速度值，每个值为16位精度。AD值必须先转化为四元数，然后通过四元数转化为欧拉角。这个四元数可能是软解，主控芯片（STM32）读取到AD值，用软件从AD值算得，也可能是通过MP U6050中的DMP硬解，主控芯片（STM32）直接读取到四元数。具体参考《MP U60x0的四元数生成方式介绍》。 下面就是四元数软解过程，可以由下面这个框图表示：
实验报告 课程名称：《机械原理课内实验》 学生姓名：徐学腾 学生学号：1416010122 所在学院：海洋信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 报导教师：宫文峰 2016年6 月26 日
实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架； 2. 苹果手机一部； 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构； 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线； 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作； 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理； 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损； 3、安装电沲并装好安全罩； 4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面； 5、软件启动，设备连通，即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制； 2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉； 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部； 4. 电量不足时，不可强制启动飞行； 5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上； 6. 飞行器不得触水； 7. 飞行器最大续航时间10分钟。
四旋翼无人机制作飞行（小学组） 技术要求： （1）四旋翼无人机模型现场制作，散件组装。参与现场制作并用现场制作四旋翼飞行的成绩系数1.5，非现场制作商品机系数1。 （2）飞行控制器组委会统一提供，旋翼数量为四旋翼，四轴机架对角电机轴距≤350MM，动力电池电压≤11.1V，无GPS装置加装，螺旋桨直径尺寸≤9寸。遥控器选用2.4G设备。 竞赛方法： 1.一人一机，自行准备安装调试的工具、接线板等设备设施。 2.选手在比赛前将飞行器拆散，拆散后必须等待裁判确认。飞行器拆散要求：通电部分之间互不连接,机架拆散。 3.选手在准备区搭建、调试四轴飞行器（时间120分钟），准备比赛器材。搭建调试过程中，选手应注意人身和财产安全，文明有序。 4.搭建结束后，选手在规定时间内上交四轴飞行器至指定地点，按比赛顺序号（赛前随机设置）准备比赛。第一轮比赛结束后选手可领回四轴飞行器进行调试，准备第二轮比赛。 5.根据比赛顺序，选手在指定赛场的等候区等待进场比赛，不得影响其他选手比赛。 6、裁判宣布“比赛开始”的同时，计时开始。 7、飞行过程中飞行器不得飞跃安全线，飞跃安全线立即终止该
学员比赛并判定0分。 8、计时停止代表比赛结束。以下情况计时停止：a）选手完成任务；b）飞行器有零件脱落；c）裁判认为出现其他应该停止计时的情况。 成绩评定： 比赛任务分值：总分120分 在起飞框架内垂直起飞至目视水平高度（20分），悬停5秒（10分）。正向穿越龙门（20）。拍摄并读出围栏数据（50）。返航着陆，分值区域现场抽签（20、10、5），着陆支架跨界按低分计，着陆区域外为0分。比赛标准时间为100秒，正负时间差以秒为单位，每差1秒总分扣1分。读出围栏数据（不计入飞行时间） 以飞机飞行实际分值计算成绩，如成绩相同以所用时间作为评定成绩。 场地：