七、飞行器S弯曲线飞行训练
一、活动目标
1、操控飞行器在半空中以S型为路线进行飞行
二、活动地点
运动场
三、活动准备
航模器材（直升机和四轴飞行器）、学生佩戴太阳镜
四、注意事项及参考资料
中航飞机研发中心是我国目前唯一集歼击轰炸机、轰炸机、民用飞机、运输机和特种
飞机设计研究于一体的国家级大中型军民用飞机设计研发基地，而总体气动设计研究
则是中航飞机研发中心的“龙头”单位，是型号研制的原点、设计技术的聚点。
中航飞机研发中心总体气动设计研究所主要承担着军用、民用、通用、特种飞机的气
动布局设计、人机工效综合设计、重量与平衡设计、隐身技术设计、短舱及进排气系
统设计、气动计算分析、风洞试验技术、静气弹分析、载荷设计计算、操稳和性能设
计分析、总体布置与外形设计、技术状态管理等工作。在几十年的型号研制历程中，
他们先后完成了歼轰7系列、空警2000、运7系列、运8系列、轰6系列、“小鹰”500等重大型号的总体方案设计，以及若干重大预研课题的总体、气动研究，基本掌
握了覆盖大中型飞机总体气动方案设计、计算、试验、分析全过程的关键技术，目前
总体气动所包含14个主干专业、74个子专业，形成了先进、完整的设计体系。
多年来，总体气动人不懈努力、孜孜以求，先后攻克了大型飞机总体布局设计、大型
飞机超临界机翼设计、全三维数字化设计及电子协调样机、多乘员多任务系统驾驶舱
综合设计、背负式锯齿型并列双发大S弯进气道等一系列国内领先的关键技术，不断
提升总体气动设计能力。同时，他们还与俄罗斯TsAGI，欧洲ETW、DNW、CIRA等国外研究机构开展了广泛的技术合作与交流，不断开拓技术视野，促进总体气动设计
技术与国际接轨，使研发中心的总体气动设计能力始终居于行业前列。
在国家重大专项研制中，他们以型号研制为契机，通过型号研制提升综合技术手段与
水平。在认真思考、总结以往设计经验的基础上，他们本着提高设计协作、减少中间
消耗、增加推进力度、规范工作过程的原则，积极探索更加先进、更适合现代飞机设计的手段和方法。经过近5年的艰辛求索，研发出具有独创技术理念的“飞机总体协同设计系统”。
在“飞机总体协同设计系统”的研发过程中，总体气动所组织资深专家与技术人员，从设计流程、手段、人效、数据四要素出发，充分借鉴波音、空客、NASA Ames等研究设计机构的特点与做法，摒弃国内现有的生产线式研发平台的技术弊端，采用以数据中心为核心的柔性流程设计，将规范化和人效作用有机结合，使专业间从以往的串联设计走向了多学科协同设计，满足了现代飞机设计的技术特征，达到了国外最先进的第三代平台的技术水平。
要实现目标协同、过程协同和结果协同，而“飞机总体协同设计系统”就是实现这些协同的必要手段和平台。
五、活动流程
1、稳定控制飞行高度。
引导学生将飞行器飞到5~10米的高度，并尝试克服风力影响。
稳定控制在此高度范围内。
2、画出S曲线路径。
让学生尝试在半空中按照S型路线飞行。
摘要 四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，与普通飞行器相比，具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，所以在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。 本设计采用stm32f103zet6作为主控芯片，3轴加速度传感器mpu6050作为惯性测量单元，通过2.4G无线模块和遥控板进行通信，最终使用PID控制算法以PWM方式控制电子调速器驱动电机实现了四轴飞行器的设计。 关键词：四轴飞行器,stm32;mpu6050,2.4G无线模块.PID.PWM
Abstract Quadrocopter has broad application prospect in the area of military and civilian because of its advantages of simple structure. Small size, low failure rate, taking off and landing ertically . etc. it is suitable for having task in narrow space. This design uses STM32f103zet6 as the master chip, and triaxial accelerometer mpu6050 inertial measurement unit, via 2.4G wireless module and remote control panel for communication. Finally using pid control algorithm with pwm drives the electronic speed controller to change moto to realize the design of quadrocopter. Key word : quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4G wireless module ;pid; pwm
承载科技放飞梦想 ----池溪中学手掷纸飞机活动方案 一、活动目的： 为了丰富校园生活，张扬学生的个性，培养学生学科学、用科学的兴趣，提高动手能力，特搭建学生展示自我的舞台，学校在科技月里特举办一场“手掷纸飞机比赛”，放飞同学们的梦想! 二、活动介绍及主题： 活动介绍：手掷纸飞机，指以手掷模型升空，由空气作用在保持不变的翼面上而产生升力的模型。（使用比赛指定器材）活动主题：“承载科技放飞梦想” 口号：直冲彩云端放飞科技梦 三、比赛项目： 手掷纸飞机模型直线距离。（7-9年级） 四、参赛规则： 1、制作纸折飞机模型时，纸张只能折叠，不能撕、胶粘、剪、 订、悬挂重物。每个项目纸折飞机模型在15分钟内完成制作。 且纸张（A4纸）由学校赛前统一提供，自带纸张不得参赛。 2、参赛选手须在规定比赛场地内进行制作和投掷比赛，比赛不 设助手。 3、参赛选手在投掷纸折飞机模型时不得跨线，越过起点线者， 成绩无效。 4、留空比赛的竞赛时间为从模型出手计时到模型首次落地停时。
直线距离比赛的竞赛成绩为模型最终落地的位置到原点的直 线距离。 5、每名选手参加一个项目，每个项目飞行2次，取其中成绩最 好一次作为比赛成绩。 五、比赛时间和地点： 时间：待定。 地点：池溪中学操场 六、参赛方法： 1、学校举办校级竞赛，选优秀选手参加县级竞赛。 2、班级统一组织报名，组成代表队参赛，报名表中班级名称务 必写上。 七、奖励方法： 1、团体成绩按年级设一等奖1名，二等奖1名，每个项目的团 体均以2男、2女各单项成绩之和来计算。 2、个人成绩：每个年级按男子组和女子组选出一个纸飞机王。 3、以班级为单位设“优秀组织奖”。 八、报名： 以班级为单位组队参赛，每班4名（2男2女）学生。 本次比赛统一模型材料，班主任老师组织报名。各班要重视此项工作，本着学生自愿参加的原则，认真组织有能力的学生参与此项科技活动。 九、人员分工：
md4系列四旋翼无人机系统 快速操作手册 佛山市安尔康姆航拍科技有限公司 2011年6月
一、起飞前的准备 1、飞行器动力电池：用电池电量显示仪对电池进行测试，对于md4-200显示 参数须高于16.5V，对于md4-1000,显示参数须高于25V。 2、遥控器：每次飞行时一定要把遥控器电池充满电，保证不会因为电量的原因 导致遥控器无法控制飞行器；遥控器的频率必须飞行器接收机的频率一致，否则，飞行器无法手动起飞； 3、地面站电脑：携带足够的设备电池，保证地面站电脑的电池能满足该次作业 的要求，不要出现在飞行过程中地面站电脑电量不足而关机的情况； 4、地面站供电：地面站承担着解码飞行器下传数据的重要任务，一旦断电，则 无法显示任何数据，这样会对安全飞行带来隐患； 5、任务载荷：如果是携带相机或摄像机，需保证该设备的电量及存储卡的容量。 6、飞行环境：md4-200要求风速小于6米/秒，md4-1000要求风速小于12 米/秒，周围环境空旷(起飞点离障碍物的距离应保持在20米以上)，对GPS 信号和磁力计不存在干扰（详情下文有说明）。
二、飞行相关 1、将飞行器放置在平坦的地面，保证机体平稳，起飞地点尽量避免有沙石、纸 屑等杂物； 2、打开遥控器电源，为飞行器插入充满电的电池，自检通过后，飞行器会每隔 两秒发出一声“滴”的响声，表示正处于搜索GPS信号状态； 3、打开地面站软件mdCockpit，弹出下行数据回放页面，重点观察GPS信号 跟设备状态。 GPS信号的确认： 观察地面站软件的下行链路解码器界面，保证GPS的定位 精度不高于4米，如右图红框部分所示。 设备状态的确认： 该步骤主要检查磁力计、GPS及SD卡的工作状态，正常模式如下图： 4、遥控器摇杆动作的分配： 图15：摇杆动作的分配
2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题） 2015年8月15日
摘要 本文对四旋翼碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先，对飞行器各旋翼的电机选择做了论证，分析了实际升力效率与PWM的关系并选择了此样机的最优工作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。 本飞行器采用瑞萨R5F100LEA单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6000采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。整个控制系统包括电源模块、传感器检测模块、电机调速模块、飞行控制模块及微处理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。关键字：R5F100LEA单片机、传感器、PWM、PID控制。
目录 1系统方案 (1) 1.1电机的论证与选择 (1) 1.2红外对管检测传感器的论证与选择 (1) 1.3电机驱动方案的论证与选择 (2) 2系统控制理论分析 (2) 2.1控制方式 (2) 2.2 PID模糊控制算法 (2) 3控制系统硬件与软件设计 (4) 3.1系统硬件电路设计 (4) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2 飞行控制电路原理图 (4) 3.1.3电机驱动模块子系统 (5) 3.1.4电源 (5) 3.1.5简易电子示高模块电路原理图 (6) 3.2系统软件设计 (6) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (6) 3.2.2程序流程图 (6) 4测试条件与测试结果 (7) 4.1 测试条件与仪器 (7) 4.2 测试结果及分析 (7) 4.2.1测试结果(数据) (7) 4.2.2测试分析与结论 (8) 附录1：电路图原理 (9) 附录2：源程序 (10)
一、小型四旋翼无人机总体架构 典型的小型四旋翼无人机，一般由机械部分（机架），动力部分（包括电机、电子调速器、电调连接板、桨叶、电池），电子部分（包括飞控板、通信模块、遥控器接收机、PPM编码板）组成。 （一）机械部分 机架 考虑到编队飞行对实验室空间的要求，希望机架能够尽量的小。根据与蔡国伟老师对电机与桨叶（后文提到）的搭配进行讨论后，决定将机架的大小设定为轴距255mm，边距180mm（由6寸桨的大小决定）。 1，底板 2，中间机架板 3，顶板 整个机体由底板、中间机架板、顶板连接而成（通过尼龙螺柱和螺丝）；底板安置电池、xbee模块、遥控器接收机、电调连接板，中间机架板安置4个电调、pixhawk飞控板，顶板用于安置定位系统标记点（同时起到保护、隐藏pixhawk 飞控板及走线的作用）；为便于安装，所有开孔、镂空均根据拟选器件匹配设计；拟采用碳2mm厚3K纤维板加工。 另设计四个保护罩如下（可用于避免桨叶受损或伤人）：
4，保护罩 （二）动力部分 （1）电机 一般而言，小型四旋翼无人机（轴距250mm左右）选用KV2000左右（配5-6寸桨）的电机。经过对比讨论后，拟选用飓风D2206 KV1900无刷直流电机（配6寸桨）。之所以选用这款电机是因为这款电机能够提供较大的拉力，同时该电机的工作电流处在一个比较小的区间，单个电机重量仅为。
飓风D2206 KV1900参数表 飓风D2206 KV1900实物图 （2）电子调速器 电子调速器用于驱动无刷直流电机，比较重要的参数是工作电流，刷新频率，重量。一般而言，市面上可售的大部分电子调速器的刷新频率都大于400hz，符合要求。根据上文所选电机的工作电流，综合考虑重量要求，与蔡国伟老师沟通后，拟选用好盈XRotor-10A电子调速器。
承载科技放飞梦想 ----手掷纸飞机活动方案 一、活动目的： 为了丰富校园生活，张扬学生的个性，培养学生学科学、用科学的兴趣，提高动手能力，特搭建学生展示自我的舞台，学校在科技月里特举办一场“手掷纸飞机比赛”，放飞同学们的梦想! 二、活动介绍及主题： 活动介绍：手掷纸飞机，指以手掷模型升空，由空气作用在保持不变的翼面上而产生升力的模型。（使用比赛指定器材） 活动主题：“承载科技放飞梦想” 口号：直冲彩云端放飞科技梦 三、比赛项目： 手掷纸飞机模型直线距离。（1-6年级） 四、参赛规则： 1、各项模型竞赛必须使用大会指定的模型参赛。每架模型只能由装配制作者一人用于参加比赛。 2、竞赛前15分钟静场，停止调试模型，检录点名。经三次点名不到者，该轮比赛按弃权处理。 3、检录点名后，选手可进行赛前的各项准备工作。 4、直线距离：模型飞机手掷起飞，起飞前必须向裁判提出申请起飞，没有申请，裁判没有示意自行起飞的飞行不计算成绩。参赛者可以有三次飞行，以参赛者确定的飞行为比赛成绩，确定成绩后不得再飞，飞行成绩为三次飞行中最好成绩。 5、场地设置：宽14米，长度不限，模型飞机压边线计算成绩，超出边线没有成绩。 五、比赛时间和地点： 时间：2013年10月18日（星期五）中午12:00 地点：高新区小学后操场 六、参赛方法： 1．学校举办校级竞赛，选优秀选手参加市级竞赛。 2．班级统一组织报名，组成代表队参赛，报名表中班级名称务必写上。
3．每年级派领队1—2名。 七、奖励方法： 1．比赛按年级分设一、二等奖。 2．以班级为单位设“优秀组织奖”。 八、报名： 以班级为单位，10月16日前报名,10月16日—17日领购模型材料。10月18日参加校级比赛。 本次竞赛统一模型材料，班主任老师组织报名并收取材料费，然后到大队部领取材料。各班要重视此项工作，本着学生自愿参加的原则，认真组织有能力的学生参与此项科技活动。 九、人员分工： 裁判长：高惠娟、刘尧裁判员：隋悦 记录员：刘禹辰摄像摄影：杜键 秩序维持：体育教师领队兼检录员：（各年级上报1—2名） 活动主持：朱垆颖 十、物品准备： 1、口哨2个 2、笔和夹板2套 3、条幅“模型拼装竞赛放飞科技梦想” 4、50米卷尺一个， 5、彩旗2包、凳子若干
四旋翼无人机前沿报告 近些年来，各国的许多研究机构都对小型四旋翼无人机进行了一系列的研究，下面列出来一些比较有代表性的四旋翼无人机研究成果。 一、国内外技术发展现状 1.“蜻蜓”无人机 近期，约翰-霍普金斯大学的应用物理实验室的一个研究小组就开发出了一个叫做“蜻蜓（Dragonfly）”的概念无人机任务。该任务提出了一款利用放射性同位素驱动的双四旋翼飞行器，它将可以在土星最大的卫星Titan上执行太空任务。蜻蜓项目首席研究员Elizabeth Turtle指出，这种实验是他们在实验室无法进行的，因为涉及到时间尺度问题，而Titan富含有有机分子和液态水的表面却能维持很长一段时间的时间尺度。该项目就是为了研究Titan生命前化学而设计的。由于Titan表层厚重的云层使得那里的太阳能效率并不高，为此，研究人员改用了多任务放射性同位素热电机（MMRTG）为飞行器提供能源。据了解，MMRTG能让这架双四旋翼无人机在白天持续飞行一个小时的时间，夜晚它将接受充电。蜻蜓无人机的空气流动可以让它收集样本和测量的种类获得增加。在时长1个小时的飞行中，飞行器大概能飞10到20公里。这意味着蜻蜓可以在为期两年的任务中探测到的范围非常广。 2.“OS4”四旋翼无人机 OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种小型四旋翼飞行器，研究的重点是自主飞行控制算法和机构设计方法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。目前，该项目以及进行了两个阶段。OS4I最大长度约为73CM，质量为235g，它使用了Draganflyer3的十字框架和旋翼，电机型号为Faulhaber1724,微惯性测量单元为Xsens的MT9-B。研究
手掷飞机的设计与制作教学设计 一、教学目标： 1、认知目标：了解制作手掷飞机的一般工艺流程；了解机翼的形状对飞机飞行的意义；了解粘合剂的使用方法。 2、技能目标：学会识图、划线放样；初步学会制作刀、锉刀、砂纸等工具的使用；初步学会用切、削、锉、砂、粘等方法对木料进行加工，提高技术素养。 3、情感目标：培养学生热爱科学、勇于创造和团结协作的精神；提高质量意识。 二、重点难点： 1、重点：机翼、机身的成形，飞机制作和调试 三、教学准备： 胶水、笔、尺、美工刀、砂纸、桐木片、桐木条等 四、教学过程： (一)情景导入 出示手掷小模型飞机 介绍课题：今天我们来学习小模型飞机的制作及飞行调整比赛，请大家仔细观察这架模型飞机是由哪些部件组成的 机翼、机身、尾翼三部分 （二）提出新知 设计出方案，并绘制出草图。这架模型飞机，看似简单、容易飞行，但按照竞赛要求飞直线距离，就有相当的难度。怎样才能让它飞得又直又远而平稳呢？归纳（三个条件）：1、较小的阻力；
2、飞机的重心平衡 3、机头必须插到黑胶头的顶部 (三)探求新知 根据设计草图画出制作图，确保尺寸准确。 如何达到上面三个目标条件，逐个进行分析： 1、利用美工刀和砂纸，将各零部件多余的边角毛刺处理掉，使模型外表面整洁光滑，这样，才能减小飞行阻力。 2、飞机平稳飞行与和飞机的重心有关。 3、靠机翼和飞机重心平衡把空气排向后方，产生动力，推动飞机前进。 4、模型制作的方法、过程 （四）制作实践，分别制作机翼机身尾翼，模型总装。 在学生操作过程中，有针对性地加强巡视。 （五）试飞、调试 观察小飞机飞行姿态，有问题作出调整。要养成分析问题、按科学规律解决问题的习惯。要耐心、仔细地、一点一点调整舵面的角度，只有这样在能达到理想的飞行状态。 五、教学反思： 制作和试飞模型，要多动脑、勤练习，在实践中逐步积累经验，争取在今后的活动中改进提高。
收稿日期：2012-07-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60674100）；博士点基金资助项目（20113218110013）；江苏省产学研联合创新资助项目 （BY2012018） 作者简介：王振华（1987—），男，江苏江阴人，硕士研究生，从事飞行控制理论、嵌入式系统开发研究。 E-mail:wzh_nuaa@https://www.doczj.com/doc/298948960.html, 护主要依靠日常巡检及故障发生后的继电保护、稳定控制和失步解列等“三道防线”，而对电网运行的主动监测、主动防护相对落后。提前获知灾害的形成过程，主动清除各类缺陷和隐患，为“坚强”、“自愈”的智能电网安全提供了强有力 的保障。 目前输电线路的巡检手段主要为人工巡检。然而受到自然条件、巡检设备落后的制约，人工巡检存在着诸多问题。而传统的自动化巡检载体，如线路本体在线监测系统[2]、线路攀爬巡检机器人[3-4]等，因其巡检覆盖范围小，操作难度大，不利于维护等原因，正逐步退出历史舞台。随着航空工业技术的发展，飞行器巡检正逐步成为一项新的研究课题。其非接触式、快速高效、多角度全方位的巡检手段，搭配各类可见光和红外影像设备，能够全面了解输电线路的运行情况，给影像信息的获取，上述的飞行平台还不能完全满足要求。 1四旋翼无人机巡检系统 南京航空航天大学和南京工程学院组成的研 究团队，在调研输电线路短途目视巡检需求的基础上，研制了四旋翼无人机巡检系统。其飞行器本体机械结构简单，旋翼尺寸较小（潜在危害性小，运行风险低），具有重量轻、易携带、易操控、可悬停、效率高、无污染、易维护等优点，能够快速机动地执行巡检任务。 巡检系统采用编码正交频分复用（coded orthogonal frequency division multiplexing,COFDM ） 图像传输机制[9]实时传输输电线路部件的影像信息，通过手持式或地面站式遥控设备，进行全方
手掷飞机模型的制作和试飞》案例 一、学情分析 学生喜欢飞机，但由于学生初中没有《通用技术》这样动手能力的课，更没有科学和技术作铺垫。多数学生的动手能力不强，他们只知道剪、拼、粘等简单组装。《手掷飞机模型的制作和试飞》是本课的主题。教学内容是让学生动手设计制作和试飞比赛自己的拼粘好的小飞机，在试飞比赛中，增强学生自信心和友谊第一，比赛第二的理念，也激发了学生的挑战欲。 在动手操作中去发现原有事物的不足、去改进它、发展学生的创新精和实践能力，当学生拿着自己的小飞机进行试飞尝试时，就有几个学生飞的还可以，多数学生不成功，这样需要学生在实践中去调试、添加、削减、不断总结，并加以改进，并让学生对比观察飞行好的，远的与飞行近的、不直的飞机的各部分有什么不同，找到自己的不足，然后加以修改调试，在进行比赛。总之，给每个学生发展的空间，找到自己的问题，敢于挑战，让他们自主参与，亲身体验并积极实践，是本课程的指导理念。 二、教学设计 教学目标 知识与能力： 1.初步了解手掷模型飞机的构造和飞行原理。 2、进一步会看流程图。 3、初步知道副翼、尾翼的作用。 过程与方法： 1、学习正确运用砂皮板打磨加工零部件的技能。 2、在制作手掷小模型飞机的过程中, 掌握副翼、方向舵、升降舵的调整方法。 3、初步掌握手掷直线小模型飞机比赛规则。 情感态度价值观： 培养学生做事认真踏实的态度,和对飞机的爱，发展学生的创新精神和动手实践能力。※教学重点： 飞机制作和调试。 ※教学难点： 机头制作和调试 ※教学准备： 模型飞机一架,手掷小模型飞机1 套, 胶, 美工刀,砂皮板，剪刀。 ※教学过程 （一）情景导入 师出示：手掷小模型飞机
渤海大学本科毕业论文（设计）四旋翼无人机设计与制作 The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle 学院（系）： 专业： 学号： 学生姓名： 入学年度： 指导教师： 完成日期：
摘要 四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet 单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理，之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计，实现精确的姿态测量。最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。在制作四旋翼飞行器的过程中，进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。 关键词：姿态传感器；四元数姿态解算；STM32微型处理器；数据融合；PID
The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle Abstract Quad-rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure, and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four-rotor aircraft, including Quad-rotor UAV aircraft flight principle, hardware introduction and selection, implementation and realization of derivation attitude reference algorithm, the system software . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontroller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal posture, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimposed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the existing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft. Key Words：MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID
大学生电子设计竞赛 设计报告 摘要：本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时，解算出相应电机需要的的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，超声波传感器进行测距，起飞后悬停在一定高度，打靶后降落。 关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制
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目录 1系统方案 (1) 1.1控制系统选择方案 (1) 1.2飞行姿态控制方案论证 (1) 1.3角度测量模块的方案论证 (2) 1.4高度测量模块方案论证.............................................. 错误！未定义书签。2理论分析与计算 (2) 2.1控制模块 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.2机翼电机 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.3飞行姿态控制单元 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1系统总体设计思路 (4) 3.2主要元器件清单......................................................... 错误！未定义书签。 3.3系统框图 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1系统硬件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。 3.3.2系统软件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.. (5) 5结论 (6) 3
md4-1000型四旋翼无人机系统介绍 一、系统组成 “md4”系列四旋翼无人机系统由五个主要部分组成：飞行器、数字遥控器、地面站系统、机载任务设备和附属设备。 飞行器是无人机系统的主体，根据指令完成飞行任务。 数字遥控器用于对飞行器的实时操作，可以实时监控飞行器的各项状态指标。 地面站系统主要由笔记本电脑和微波信号传输系统构成，可以通过微波，实时接收飞行器上机载设备拍摄的实时影像，以及实时监控飞行的各项状态指标。 机载任务设备根据客户需要，可选配不同类型的酬载设备，如数码相机、高清摄像机、微光摄像机、红外摄像机等，完成不同的拍摄任务。 附属设备包括电池、充电箱、数据线等系统配件。 飞行器
数字遥控器 一体化地面站
机载任务设备 附属设备
二、系统技术参数
三、系统特性 1、可以定点悬停，稳定地拍摄感兴趣区域地物； 2、可以根据GPS信号，按照线路规划自主航行；没有GPS信号时也可以进行飞行，甚 至在室内飞行； 3、具有高性能平衡云台，可以在大风中依然保证酬载设备得到稳定的目标影像； 4、可以搭载高清摄影机、高画质的相机等设备，并可以进行自由调焦，以得到目标部 位最清晰的影像； 5、数传系统抗干扰性强，可以在距离电力线设备最近3m位置拍摄而信号不受干扰； 6、工业性能好，可以在强风、大雨的情况下正常起飞、作业，在紧急情况下也可以完 成任务； 7、操作简单，熟练的话，一个人即可进行操作；新手的话，两个人配合即可进行操作； 8、具备电量安全提示，当电量低于额定值时报警，当电量低于最低电压时即便人不在 现场也可以自动执行降落操作，保证无人机系统的安全； 9、采用微波作为数传系统，地面端可以实时得到高清影像； 10、具有电子围栏功能，具备位置记忆功能，可以在无操作的情况下，自动回到原来 的位置悬停拍摄； 11、对起飞场地没有要求，3×3m的场地即可实现垂直起降； 12、电机具有优良的散热性能，可以在每次飞行结束后更换电池进行再次飞行，达到 全天作业的目的；
1、互补滤波算法 互补滤波器作为一种频域滤波器，常用于融合来自不同传感器测量得到的数据。一般地，互补滤波器包含至少两种频率特性互补的输入信号。例如，对于陀螺仪和加速度计解算姿态这一双输入系统，两个输入量都能分别对姿态角进行解算，其中加速度计输入量包含高频，应通过低通滤波器来滤除；陀螺仪则包含低频噪声（积分漂移），应采用高频滤波器滤队。两者的频率特性互补，可用互补滤波思想进行姿态解算，最终输出较准确信号。 2、四元数表示姿态角 运用互补滤波与卡尔曼滤波思想进行姿态整合的过程归根结底都是利用加速度计解算出的姿态角去修正陀螺仪积分的漂移误差. 这两种方法在姿态融合过程中姿态角的表示形式都是欧拉角表示.但是用欧拉角进行姿态解算在大角度计算时会出现万向节锁(角度为90度时加速度计进行姿态解算的反三解函数无解),为了避免该问题,可采用四元数来解算姿态. 四元数的优点： ·四元数不会存在欧拉角的万向节死锁的问题 ·四元数由4个数组成2个四元数之间更容易插值 ·对四元数规范化正交化计算更加容易 3、MPU6050 DMP内部四元数解算功能 运动控制传感器MPU6050提供了DMP内部四元数解算功能，可以直接输出四元数数据。它除了提供三轴陀螺仪和三轴加速度计传感器的16位ADC信号采集功能之外，还集成了数字低通滤波器和数字运动处理DMP，可以直接输出经低通滤波处理和四元数姿态解算后的四元数数据。将该四元数转换为欧拉角，可以得到准确的俯仰角和橫滚角。 4、PID 控制
由自动控制原理可知，采用角速度反馈闭环控制可有效增加系统稳定性，因此，在进行状态角控制之前需设计姿态角速度增稳内环控制。同时，系统最终控制量为空间位置，因此需要增加外环位置控制。由此得到四轴飞行器俯仰角方向整体控制结构： 4.1、PID 控制 比例控制指的是使用一个比例系数对输入量与期望量的差进行放大或缩小。不过单纯的比例控制会产生静态误差（误差不会收敛于0），所以这时要加入积分控制，对误差进行积分再乘以积分系数，误差累计越大积分控制的比重越大。其优点是可以消除静态误差；其缺点是不稳定，会使系统产生振荡。微分控制是预测系统的变化趋势。当输入的数据缓慢变化时微分项不起作用，当产生一个阶跃响应瞬间发生变化时，微分项发挥作用，做“超前控制”。 4.2串级PID 当将两个PID串联起来,用第一个PID的输出量作为第二个PID的输入量,第一个PID的期望量为期望达到的角度,第二个PID的期望量为此时该轴的角速度,角度环为1级PID为外环,角速度环为2级PID为内环 串级PID较单级PID的优点是,作为内环的角速度由陀螺仪采集数据输出,采集值一般不存在受外界影响的情况,抗干扰能力强,并且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速,这样使四轴在飞行时抗干扰能力强,飞行更稳定. 4.3PID调试过程详解--P64
课题用卡纸设计一架手掷飞机课型理化实验课 班级理化试验班425 学生 人数 18 教学目标1、通过教师讲述、学生交流活动、图片、资料展示等多种手段，初步了解一些关于飞机,知道飞机的组成部分和飞机分类等相关的基本知识。 2、通过特定任务的完成自己动手设计一个卡纸飞机 3、对自己设计的飞机进行调试飞行 重点、难点1、如何让学生理解飞机飞行的原理。 2、如何让学生自己根据自己的设计思路制作一架飞机 （其中飞机的机翼制作比较难，需要学生自己想办法固定和调节控制好）。 教学媒介 多媒体演示、学生活动与教师讲述相结合。 实验材料 卡纸、双面胶、尺，剪刀、橡皮泥 教学活动过程 教师活动学生活动设计意图 6分钟左右科学视频欣赏、学生点到、小组分组。利用视频展示一些理化试验，激发学生的兴趣。为学生融入宇宙相关课程做一铺垫。 一、 1、提问：学生自己介绍一些了解的制作飞机 2通过展示一段飞机频，介绍一些关于大气压的知识，两张纸从中间吹起只会怎么样 3、讲述、交流飞机的所包括的基本结构以及飞行的原理学生回答问题 和自己的看法 学生举手发言 对大气压知识 了解多少，预测 这个实验的结 果 学生之间相互 讨论交流 调动课堂气氛，师 生互动 对学生的回答进行 点评，再从学生回 答的基础上进行总 结，为介绍飞机飞 行原理打基础 调节课堂气氛，让 学生在活跃气氛中 学到知识。
4、开始设计飞机，指出设计需要注意的步骤，如何一张纸将整个飞机设计完成 5、检查学生设计的飞机，设计合理者发剪刀，开始剪裁，不合理者指出他们的问题进行改正 6、对剪好的学生发双面胶，开始黏贴飞机（提出注意项，机身可以先剪一个，另外两个可以直接以第一个为模板裁出来。提出难点如机翼如何固定，尾翼如何安装等）学生思考，自己 动手自己的动 手开始在一张 纸上设计 学生动手开始 剪裁 学生动手拼接 飞机，想办法解 决机翼连接问 题 让学生养成新的的 思考问题的方法， 学会整体规划， 培养学生的动手能 力 培养学生解决问题 的能力
编号： 项目结题报告 项目名称： 项目负责人：学号： 联系电话：电子邮箱： 院系及专业： 指导教师：职称： 联系电话：电子邮箱： 院系及专业： 填表日期：年月日
二、指导教师意见 三、项目专家组意见 四、项目成果
四轴飞行器设计 摘要 四轴飞行器具备垂直起降飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。因此，四轴飞行器的研究意义重大。 本文主要讨论四轴飞行器的设计实现。首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的发展以及研究成果，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理论进行的研究方法和所取得成果。其次给出本项目所设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。着重从机械结构与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的样机设计。文中详细分析了机械结构设计中的选材以及元器件选型，实现了一个切实可用，能够满足应用研究的四轴飞行器样机模型。一个稳定可用的样机模型是实现四轴飞行器的基础。之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，分析其飞行姿态原理。对控制器中需要用到姿态角求解部分进行了详细论述。姿态角的求解在整个四轴飞行器设计中也是核心内容之一。通过软件设计实现飞行控制器方案。最后对飞行器各性能指标进行考察，进行实地飞行、调试优化飞行器软件控制器设计 关键词：四轴飞行器，飞行控制器，无人机。 一.课题背景 1.1背景：四轴飞行器，一个陌生新奇的东西慢慢地走入我们小组的生活。四轴飞行器现在是科学家想要完成突破的重要课题，但是不免遇到了很多实用性的技术难题，研究与实践应用之间还是有一定的距离的。但普通的四轴飞行器在现在已经不是我们触不可及的高精尖的科技，它现在已经成为大学生进行科技创新的一个训练，成为我们提高自身科技技术水平的桥梁；对于研究人员，他们在微电子领域不断地提高四轴飞行器的质量，增强它的功能；而很多电子爱好者也已经能够熟练地掌控四轴飞行器。 虽然现在研发的四轴飞行器有尺寸较小，运动灵活等优势，但是四轴飞行器也遇到了一些技术上的难题如载重量小，续航时间较短，产生恼人的噪音等等。对四轴飞行器的设计与优化，需要空气动力学与自动控制等方面的人才，而现在我们的小组没有对这些方面的涉猎，但我们可以在网络上获取大量的相关资源与技术支持，虽然我们有时找不到思路，但是我们并不是在未知中探索。慢慢地我们的困难会一点点被克服。四轴飞行器已经作为新兴的遥控航拍机进入了人们的生活，与其他的电子产品相同，它会逐渐开始普及，变得越来越先进。解决现在遇到的种种问题，并实现现在人们提出的假想。 当然，四轴飞行器在商业，农业，军事，消防，工业方面的前景是非常广阔的，例如商业上，技术人员可以通过增大其载重降低其噪音来使用四轴飞行器发放快递，传递信息；农业上可以进行田地的勘测，而装有太阳能电池板的四轴飞行器可以节能的进行种子的播撒；对于军事，四轴飞行器有着可怕的前景，四轴飞行器可以制作成与小型鸟类一样的大小，并使用透明机体，这样就可以达到一系列军事目的，如果在四轴飞行器携带炸弹或更恐怖的武器，后果不堪设想；关于消防，四轴飞行器由于动作灵活可已进行快速地勘测与救援；而在工业方面四轴飞行器可以在大型化工厂，高压输电线，地震后山区等人工不易到达的区域进
四轴飞行器设计与用途 学院：广东白云技师学院 专业：电子信息工程与电气技术（技师本科）制作学生：邹剑平 指导老师：廖高灵 四轴飞行器简介 配置： 单片机A VR ATMEGA168PA
三轴数字陀螺仪MPU—3050 电机（无刷）XXD 2212 1000KV 电子调速器（无刷）好盈天行者40A 螺旋桨1045 电池格氏2200mAh 11.1V 25C 机架DIY 机架材料玻璃纤维铝合金 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如图所示: 前(1号), 后(4号), 右(3号), 左(2号). 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.
制作木质手掷两用飞机教案 1.简单介绍一下飞机 2.简单讲解一下木质飞机的飞行原理（飞翔是利用重力与升力的两种力量交互作用形成的.纸飞机本身的重量会牵引机身向下掉落,机翼则会抓住空气,让纸飞机在空气中漂浮.一上一下的两股力量,再加上投掷者帮助纸飞机向前滑行的「动力」--产生惯性运动而顺势滑出,三股力量的平衡,就能飞出优美姿态.） 3.如何制作木质手掷飞机： 一、材料、工具 设计图． 大型美工刀、长直尺、量角器、笔． AB胶．(五分钟速干型) 砂纸．(#240，#320，#400或是密度更细的数种砂纸) 薄木块 胶水 二、制作 (一)主翼制作要点： 根据设计图，以5mm之巴沙木将翼型裁出，画上翼剖面上之最高线．通常设计图上都有标示最高线所在，若图上没有标示，则可自行将其标在翼弦(Chord)长度之30%～35%处． 接着在最高线距翼前缘 1/3 处画上一条线．并与翼前缘后面的顶点连成斜线线．使用美工刀将斜线部份削去．用#240砂纸磨出机翼剖面雏形，接近成形时，再以#320砂纸磨出翼剖面形状．最后以#400砂纸细磨加工，直到感觉滑溜时停止．在此过程中须注意的是，在完成标准翼形前，也就是 #240，#320 砂纸两阶段内，最高线不可磨去．机翼磨好之后，依设计图的要求将机翼切开以制作上反角．将欲制成上反角的机翼部份置于桌边，与桌缘对齐．以#320砂纸包住一个如香烟盒大小般的木块，单方向地在机翼边缘磨动．切记千万不可来回磨动，否则翼缘会被磨成弧形，减少胶合面积，造成该处结构脆弱．上反角的胶合，若是两段式的上反角，则需先黏翼端上反角，务必使两边翘起的上反角度一致．再接合中央． 上述之胶合，都是采用AB胶．待AB胶干固后，将主翼全部以 #400砂纸或是更密的砂纸将毛边整修一翻． (二)垂直、水平尾翼制作要点： 垂直尾翼制作．以 2mm厚之巴沙木为材料，依照设计图，裁出垂直尾翼，此步骤最重要的是，垂直尾翼之木纹方向需和飞行方向垂直，否则尾翼将会非常非常容易断裂．原则上，
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。
四旋翼飞行器的设计 四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求. 一．微小型四旋翼飞行器的发展前景 根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预计它将有以下发展前景。 1 )随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。 2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 M E MS 技术的发展，四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、动力与能源、任务与通信等子
系统) 的高度复杂ME M S系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还 能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。 3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应 在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。 二．四旋翼飞行器的国内外研究现状 目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。 (1)遥控航模四旋翼飞行器 遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的Dragan．flyer III和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制的X．UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)76．2cm，高18cm，重481．19：旋翼直径28cm，重69；有效载荷113．29；可持续飞行16--20min。Draganflyer III采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以控1书1]4个电机的转速。另外，还使用了3个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制【5J。X．UFO机体最大长