《多旋翼飞行器设计与控制》课程简介
课程编号：031574
课程名称：多旋翼飞行器设计与控制
学时：32学时
开课学期：春季
上课时间：2016年3月10日- 2016年6月30日，周四晚7：00-9：00
上课地点：北航新主楼B208
一．内容简介
1、专业与学生定位：
（1）专业：面向控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业。
（2）学生：控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业的研究生，或有一定航空和自动化专业背景的研究生。
2、课程目的：
本门课程讲授多旋翼设计、动态模型建立、状态估计、控制和决策等方面的基础知识。涉及到空气流体力学、电机、电路、材料结构、理论力学、以及导航、制导与控制各个学科的基础知识，具有基础性和系统性两个特色。因此，有利于学生将已学知识融会贯通，着重培养学生解决问题的综合能力。
二．先修课程与专业基础
自动控制原理，航空航天概论、理论力学、线性系统（建议）
三．讲授方式
课堂授课、学生大作业展示
四．教学安排与内容
1.多旋翼绪论
首先介绍飞行器的基本概念、评价、以及多旋翼的历史，以及本课的安排。
2.多旋翼设计
通过这一阶段，学生可以对多旋翼机身主体设计和动力系统选择有一个较为深入的认识。
2.1多旋翼的基本组成。这一部分包括机身主体、动力系统、控制系统和通讯链路等四个部分。主要按作用和指标参数两个方面分别介绍机架、起落架、云台、涵道、电机、电调、螺旋桨、电池、遥控器和接收器、自动驾驶仪、地面站、数传电台、图传电台、通讯协议等方面。
2.2多旋翼的机身主体设计。这一部分包括机体基本构型，以及减震和降噪的考虑等。
2.3多旋翼动力系统性能建模和估算。多旋翼的动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨四个部分组成。这一部分包括对这四个部分建立力和能量方面的数学模型，提出动力系统的飞行性能估算，比如：悬停状态下的续航时间和最大负重等等。
3.多旋翼动态模型
通过这一阶段，学生可以对多旋翼运动模型有一个较为深入的认识。基于这个基础，可以做多旋翼状态估计和控制。
3.1坐标系和姿态表示。主要介绍世界惯性坐标系和机体系，以及姿态的三种表示方法：欧拉角、旋转矩阵和四元数。
3.2多旋翼的动态模型。这一部分包括姿态模型、动力学模型、控制分配模型、电机模型，还包括气动阻力模型。这将为后续的多旋翼位姿估计和控制等课程服务。
4.多旋翼状态估计
通过这一阶段，学生可以对多旋翼信息估计有一个较为深入的认识。
4.1 传感器模型以及校正。这一部分首先建立这些传感器的测量模型，进而进一步提出较正方法，估计需要较正的参数。
4.2 可观性和卡尔曼滤波。
4.3 多旋翼的运动信息估计。这一部分包括姿态估计、位置-速度估计、速度估计和障碍估计的介绍。
5.多旋翼控制
通过这一阶段，学生可以对多旋翼控制有一个较为深入的认识，所介绍的方法大部分是较为常用的方法。
5.1 多旋翼的稳定性和可控性。
5.2 多旋翼的底层控制。给出目标位置，如何控制多旋翼飞行到目标位置。
5.3 基于半自主飞控平台的位置控制。这一部分主要考虑将自动驾驶仪当作一个“黑箱”，从而在自驾仪基础上做二次开发。本章主要包括系统辨识和控制器设计两部分。
6.决策篇
通过这一阶段，学生可以对多旋翼顶层决策有一个较为深入的认识。决策分为两个方面：完成任务和保证安全。
6.1任务决策。以任务为导向，任务决策主要决定多旋翼下一步“去哪儿”，进一步，需要规划路径，使得整个过程能满足诸如：飞向航路点并沿航线飞，以及飞向航路点并避障等要求。
6.2 健康管理和失效保护。以安全为导向，失效保护主要决定多旋翼下一步“去哪儿”。多旋翼飞行器在飞行前或飞行中，可能会发生通信故障、传感器失效和动力系统异常等，这些意外会直接导致控制任务无法完成。这一部分包括安全问题的介绍、机载设备的健康评估、机载设备的健康监测、失效后的保护建议。
7.总结与展望篇
本章列举了能够推动多旋翼发展的潜在的新技术、给出了风险分析和建议、分析了多旋翼飞行器的新应用以及总结了未来的需求和展望。这一阶段还包括学生的作业展示。
五．考核方式
小作业（20%）、大作业（50%）、考试（30%）
六．参考教材
Quan Quan, Introduction to Multicopter Design and Control，讲义，开课后分章节提供下载链接，下载地址https://www.doczj.com/doc/8c16229251.html,/resources/
多旋翼无人机的结构和原理 翼型的升力： 升力的来龙去脉这是空气动力学中的知识，研究的内容十分广泛，本文只关注通识理论，阐述对翼型升力和旋翼升力的原理。 根据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小。由于机翼一般是不对称的，上表面比较凸，而下表面比较平（翼型），流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水，流速较快，而流过机翼下表面的气流正好相反，类似于较宽地方的流水，流速较上表面的气流慢。大气施加与机翼下表面的压力（方向向上）比施加于机翼上表面的压力（方向向下）大，二者的压力差便形成了升力。［摘自升力是怎样产生的］。所以对于通常所说的飞机，都是需要助跑，当飞机的速度达到一定大小时，飞机两翼所产生的升力才能抵消重力，从而实现飞行。 旋翼的升力飞机，直升机和旋翼机三种起飞原理是不同的。飞机依靠助跑来提供速度以达到足够的升力，而直升机依靠旋翼的控制旋转在不进行助跑的条件下实现垂直升降，直升机的旋转是动力系统提供的，而旋翼旋转会产生向上的升力和空气给旋翼的反作用力矩，在设计中需要提供平衡旋翼反作用扭矩的方法，通常有单旋翼加尾桨式（尾桨通常是垂直安装）、双旋翼纵列式（旋转方向相反以抵消反作用扭矩）等;而旋翼机则介于飞机和直升机之间，旋翼机的旋翼不与动力系统相连，由飞行过程中的前方气流吹动旋翼旋转产生升力（像大风车一样），即旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，无需专门抵消。 而待设计的四旋翼飞行器实质上是属于直升机的范畴，需要由动力系统提供四个旋翼的旋转动力，同时旋翼旋转产生的扭矩需要进行抵消，因此本着结构简单控制方便，选择类似双旋翼纵列式加横列式的直升机模型，两个旋翼旋转方向与另外两个旋翼旋转方向必须相反以抵消陀螺效应和空机动力扭矩。
哈尔滨四通技工学校第三教学站延寿农民工综合培训学校 多旋翼无人机操作教案 二0 —七春季生 1/1
多旋翼无人机操作基础 授课教师:张海东 第一章无人飞行器概述 1、 无人飞行器发展简史 2、 无人飞行器的优缺点 3、 无人飞行器应用领域 1、 什么事无人机 2、 无人机的应用 3、 无人机未来的发展趋势 无人机的概述重要性，帮助学员更好的了解无人 机。 讲授法 新课 二课时 一、 组织教学 二、 课前提问 三、 导入新课 四、 教学内容： 1、1910年，在莱特兄弟所取得的成功的鼓舞 下，来自俄亥俄州的年轻军事工程师查尔斯?科特林 建议使用没有人驾驶的飞行器：用钟表机械装置控 制飞机，使其在预定地点抛掉机翼并象炸弹一样落 向敌人。在美国陆军的支持和资助下，他制成并试 验了几个模型，取名为“科特林空中鱼雷”、“科 特林虫子”。 2【二战期间，美国海军首先将无人机作为空面 武器使 用。1944年，美国海军为了对德国潜艇基地 进行打击，使用了由B-17轰炸机改装的遥控舰载 机。 3、上世纪70-90年代及其以后，以色列军事专 家、科学家和设计师对无人驾驶技术装备的发展做 出了突岀贡献，并使以色列在世界无人驾驶系统的 研制和作战使用领域占有重要地位。 4、 最著名的是“捕食者”可复用无人机，世界 上 最大的无人机- - “全球鹰”，“影子?200”低空 无人 机，“扫描鹰”小型无人机，“火力侦察兵” 无人直升课程名称： 课题 教 学目标 教学重点 教材分析 教学方法 授课类型 课时 课程内容
机。 5、理论开创阶段，多旋翼无人飞行器理论开创于 上世纪10年代，直升机研发之前。几家主要飞机生产 商开发出的在多个螺旋桨屮搭乘飞行员的机型。这种设 计开创了多旋翼飞行器的理论。 6、加速发展阶段，2007年以后，装配高性能压电 陶瓷陀螺仪和角速度传感器（六轴陀螺仪）的多旋翼无 人飞行器开始出现加速发展。 7、未来发展阶段，伴随着飞行器技术的进步，多 旋翼无人飞行器使用者会急剧增加。这样一来，事故和 故障也会相应增加，甚至会发展成社会问题。今后不仅 是制造商和商店一级，协会和主管部门面向多旋翼无人 飞行器的飞行会和培训班也会增加。 8、优点的特性。 9、避免牺牲空勤人员，因为飞机上不需要飞行人 员，所以最大可能地保障了人的生命安全。 10、无人机尺寸相对较小，设计时不受驾驶员生理 条件限制，可以有很大的工作强度，不需要人员生存保障 系统和应急救生系统等，大大地减轻了飞机重量。 11、制造成本与寿命周期费用低，没有昂贵的训练 费用和维护费用，机体使用寿命长，检修和维护简单。 12、无人机的技术优势是能够定点起飞，降落，对起 降场地的条件要求不高，可以通过无线电遥控或通过机 载计算机实现远程遥控。 课程后记给学生留了上网查询无人机的信息的作业。
四轴（多轴）飞行器概述 一、简介 四轴（多轴）飞行器也叫四旋翼（多旋翼）飞行器它有四个（多个）螺旋桨，四轴（多轴）飞行器也是飞行器中结构最简单的飞行器了。前后左右各一个，其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机的控制信号，在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个电调，电调再把控制命令转化为电机的转速，以达到操作者的控制要求，前后马达是顺时针转动，需要安装反桨，左右马达是逆时针转动，需要安装正桨，机械结构上只需保持重量分布的均匀，四电机保持在一个水平线上，可以说结构非常简单，做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构变得尽可能的简单。 二、控制原理 四轴飞行器的控制原理就是，当没有外力并且重量分布平均时，四个螺旋桨以一样的转速转动，在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时，四轴就会向上升，在拉力与重量相等时，四轴就可以在空中悬停。在四轴的前方受到向下的外力时，前方马达加快转速，以抵消外力的影响从而保持水平，同样其它几个方向受到外力时四轴也是可以通过这种动作保持水平的，当需要控制四轴向前飞时，前方的马达减速，而后方的马达加速，这样，四轴就会向前倾斜，也相应的向前飞行，同样，需要向后、向左、向右飞行也是通过这样的
控制就可以使四轴往我们想要控制的方向飞行了，当我们要控制四轴的机头方向向顺时针转动时，四轴同时加快左右马达的转速，并同时降低前后马达的转速，因为左右马达是逆时针转动的，而左右马达的转速是一样，所以左右是保持平衡的，而前后马达是顺时针转动的，但前后马达的转速也是一样的，所以前后左右都是可以保持平衡，飞行高度也是可以保持的，但是逆时针转动的力比顺时针就大，所以机身会向反方向转动，从而达到控制机头的方向。这也是为什么要使用两个反桨，两个正桨的原因。 三、电调 我们平时用的商品电调是通过接收机上的油门通道进行控制的，这个接收机出来的控制信号一般都是20mS 间隔的PPM脉宽控制信号，而四轴为了提高响应的速度，需要控制命令的间隔更短-比如说5mS，所以就需要特殊的电调而不能用普通的商品电调，但是为什么要使用I2C总线跟电调连接呢，这个跟电路设计以及软件编写等有关，I2C总线在硬件连接上可以多个设备直接并连在总线上，它有相应的传输机制保证主机与各个从机之前顺畅沟通，这样连接就比较的方便，所以四个电调的控制线是并接在一起连到主控板上就可以了，这个也跟我们选用的芯片相关，很多单片机都有集成I2C总线的，软件设计起来也得心应手。
详解多旋翼飞行器上的传感器技术 导语：现在多旋翼飞行器市场火爆，诸多产品琳琅满目，价格千差万别。为了理解这些飞行器的区别，首先要理解这些飞行器上使用的传感器技术。 本文作者YY硕，来自大疆工程师。 2014年的六月，我在知乎“民用小型无人机的销售现状和前景怎么样？ - YY硕的回答”这个问题下面发布了一篇科普多旋翼飞行器技术的回答，在知乎上至今获得了889个赞同、近10万次浏览，并且被几十家媒体和公众号转发。2014年中正是多旋翼飞行器市场爆发前的风口，后来很多朋友告诉我说正是这篇文章吸引他们走入了多旋翼飞行器行业。 两年来，大疆精灵系列更新了两代，飞控技术更新了两代，智能导航技术从无到有，诸多新的软件和硬件产品陆续发布。同时我们也多了很多友商，现在多旋翼飞行器市场火爆，诸多产品琳琅满目，价格千差万别。为了理解这些飞行器的区别，首先要理解这些飞行器上使用的传感器技术。我觉得现在很有必要再发一篇科普文章，定义“智能导航”这个概念，顺便字里行间介绍一下两年来大疆在传感器技术方面的努力。 1. 飞行器的状态 客机、多旋翼飞行器等很多载人不载人的飞行器要想稳定飞行，首先最基础的问题是确定自己在空间中的位置和相关的状态。测量这些状态，就需要各种不同的传感器。 世界是三维的，飞行器的三维位置非常重要。比如民航客机飞行的时候，都是用GPS获得自己经度、纬度和高度三维位置。另外GPS还能用多普勒效应测量自己的三维速度。后来GPS民用之后，成本十几块钱的GPS接收机就可以让小型的设备，比如汽车、手机也接收到自己的三维位置和三维位置。 对多旋翼飞行器来说，只知道三维位置和三维速度还不够，因为多旋翼飞行器在空中飞行的时候，是通过调整自己的“姿态”来产生往某个方向的推力的。比如说往侧面飞实际上就是往侧面倾，根据一些物理学的原理，飞行器的一部分升力会推着飞行器往侧面移动。为了能够调整自己的姿态，就必须有办法测量自
多旋翼飞行器解决方案 一、多旋翼飞行器介绍 多旋翼飞行器是由多组动力系统组成的飞行平台，一般常见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼……十八旋翼，甚至更多旋翼组成。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。电动多旋翼飞行器由无刷电机驱动螺旋桨组成单组旋翼动力系统，由惯导系统、飞控系统、导航系统、电子调速器组成控制驱动部分。瑞伯达提供专业无人机飞行器解决方案。飞行器作为飞行载体可携带影像器材、通讯器材、采集器材、特殊器材等升空，可达到传统方式达不到的高度（0-500米）。 二、多旋翼飞行器优点 多旋翼飞行器以其独特的结构和简洁的系统构架与传统飞行器相比 有明显的优势。 1、多旋翼飞行器的最大优点是安全 2、需要的起降条件要求很低。 3、以高能电池作为能量与油动飞行器相比噪音更低 4、简单的机械部件组成（仅电机轴承为机械部件）与传统直升机 （有较复杂的机械部件与传动结构）相比维护相当简单。
5、操纵简单，整机全电子增稳，一个人只需要半天左右学习就基 本可以独立驾驶了。 三、多旋翼飞行器缺点： 1、速度差，旋翼飞机比直升飞机稍慢，与固定翼飞机相比差得太远，因此在需要快速运输而又没有特别要求的场合，都使用普通固定翼飞机； 2、灵活性欠佳。虽然旋翼飞机比直升飞机略快一点，安全性也更 高，但其使用灵活性却比直升飞机差太多。它的机动性远逊于直升飞机，而且比固定翼飞机起降场地要求低很多，跟直升飞机比起来却又有些逊色，但是安全性和操纵简单的优势就突出 四、多旋翼飞行器的用途 多旋翼飞行系统可广泛应用于农业中低空撒种、喷洒农药，治安监控、森林灭火、灾情监视、应急通讯、电力应用、海运应用、气象监测、航拍航测，另外对空中勘探、无声侦查、边境巡逻、核辐射探测、航空探矿、交通巡逻等三十多个行业方面的应用也将进一步得到开发。 多旋翼飞行器在多行业的应用 1、公安系统的应用 多旋翼飞行器具有便携、质轻、飞行稳定、噪音低等特点，携带影像设备与侦测设备可以为秘密侦察提供强有力的手段，尤其是人不易接近的区域，可以提供空中第一手影像资料。同样在群体性事件中也可以发挥巨大的作用，除侦察外甚至可以携带小型催泪瓦斯进行空中投
AXILIU-Z6/8型多旋翼系留无人机升空平台系统 技术说明书 写： __________________ 对： __________________ 核： __________________ 审： __________________ 签： __________________ 准： __________________ □一七年七月 编 校 审 标 会 批
目次
AXILIU-Z6/8 型多旋翼系留无人机升空平台系统 技术说明书 1 产品用途和功能 1.1产品用途 升空平台AXILIU-Z6/8 ，可实现定点长时间滞空工作，主要用于远距离通讯的-Z6/8。 1.2产品功能 升空平台AXILIU-Z6/8 主要的功能有：手动飞行、自动起飞、自动降落、自动返航、无线遥控、有线遥控、有线优先、RTK差分定位、卫星导航、悬 停稳定、升空高度可调、失控保护功能、低电报警、低电报警电压可调、低电自动降落。 2 产品性能和数据 2.1产品性能 a)实时向地面设备回传飞行姿态、速度、高度、经纬度等信息； b)悬停飞行功能：同时锁定高度和位置； c)具备高度锁定功能、返航点锁定功能； d)内置黑匣子； e)多种失控保护机制设计； 2.2产品数据 2.2.1 性能指标 a) 飞行器重量(包含电池、桨叶、脚架) ：10-20kg ； b)飞行器外形尺寸：8轴w 1655mM 1450mM 505mm(不含螺旋桨)； 6 轴w 1255mrH 1250mrH 505mm(不含螺旋桨)；
c)系留迫降电池：5000-8000mAh； d)系留机载电源模块：3000-4500W； e)系留配置发电机：4000-8000W； f)导航要求：GPS北斗双模； g)续航时间：标准电池下安全续航时间30 分钟，系留模式不小于4 小时 h)最大平飞速度：20m/s； i)飞行器水平误差：w 5m j)飞行器高度误差：w 2m k)最大相对飞行高度：500m； l)最大海拔飞行高度：3000m； m)可靠性与维修性指标 (1)飞行工作时间：》10小时； (2)MTTR(平均修复时间)：w 30min。 2.2.2 环境适应性指标 (1)系统工作温度：-10 C?+55C (士2C)； (2)存储温度：-20 C?+55C (士2C),其中电池在常温储存； (3)湿度：(95士3)%RH； (4)抗风等级：6级； ( 5) 防水等级：小雨(?2mm/h)。 3产品组成、结构和工作原理 3.1产品组成 该产品主要由六轴或八轴无人飞行器、手持终端、RTK 地面基站、地面电源、机载电源等部件组成。
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。 2.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，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。 （5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。） （6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。 首先声明本人也是菜鸟，此教程就是从一个菜鸟的角度来讲解，现在论坛上的帖子都突然冒很多出来，又不成体系，我自己开始学的时候往往一头雾水，相信很多新手也一样。所以在这个帖子里面，我都会把自己遇到的疑惑逐一讲解。 【概述】 1、diy四轴需要准备什么零件 无刷（4个） 电子调速器（简称，4个，常见有好盈、中特威、新西达等品牌）
《多旋翼飞行器设计与控制》课程简介 课程编号：031574 课程名称：多旋翼飞行器设计与控制 学时：32学时 开课学期：春季 上课时间：2016年3月10日- 2016年6月30日，周四晚7：00-9：00 上课地点：北航新主楼B208 一．内容简介 1、专业与学生定位： （1）专业：面向控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业。 （2）学生：控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业的研究生，或有一定航空和自动化专业背景的研究生。 2、课程目的： 本门课程讲授多旋翼设计、动态模型建立、状态估计、控制和决策等方面的基础知识。涉及到空气流体力学、电机、电路、材料结构、理论力学、以及导航、制导与控制各个学科的基础知识，具有基础性和系统性两个特色。因此，有利于学生将已学知识融会贯通，着重培养学生解决问题的综合能力。 二．先修课程与专业基础 自动控制原理，航空航天概论、理论力学、线性系统（建议） 三．讲授方式 课堂授课、学生大作业展示 四．教学安排与内容 1.多旋翼绪论
首先介绍飞行器的基本概念、评价、以及多旋翼的历史，以及本课的安排。 2.多旋翼设计 通过这一阶段，学生可以对多旋翼机身主体设计和动力系统选择有一个较为深入的认识。 2.1多旋翼的基本组成。这一部分包括机身主体、动力系统、控制系统和通讯链路等四个部分。主要按作用和指标参数两个方面分别介绍机架、起落架、云台、涵道、电机、电调、螺旋桨、电池、遥控器和接收器、自动驾驶仪、地面站、数传电台、图传电台、通讯协议等方面。 2.2多旋翼的机身主体设计。这一部分包括机体基本构型，以及减震和降噪的考虑等。 2.3多旋翼动力系统性能建模和估算。多旋翼的动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨四个部分组成。这一部分包括对这四个部分建立力和能量方面的数学模型，提出动力系统的飞行性能估算，比如：悬停状态下的续航时间和最大负重等等。 3.多旋翼动态模型 通过这一阶段，学生可以对多旋翼运动模型有一个较为深入的认识。基于这个基础，可以做多旋翼状态估计和控制。 3.1坐标系和姿态表示。主要介绍世界惯性坐标系和机体系，以及姿态的三种表示方法：欧拉角、旋转矩阵和四元数。 3.2多旋翼的动态模型。这一部分包括姿态模型、动力学模型、控制分配模型、电机模型，还包括气动阻力模型。这将为后续的多旋翼位姿估计和控制等课程服务。 4.多旋翼状态估计 通过这一阶段，学生可以对多旋翼信息估计有一个较为深入的认识。 4.1 传感器模型以及校正。这一部分首先建立这些传感器的测量模型，进而进一步提出较正方法，估计需要较正的参数。 4.2 可观性和卡尔曼滤波。 4.3 多旋翼的运动信息估计。这一部分包括姿态估计、位置-速度估计、速度估计和障碍估计的介绍。 5.多旋翼控制 通过这一阶段，学生可以对多旋翼控制有一个较为深入的认识，所介绍的方法大部分是较为常用的方法。
毕业设计文献综述 电气工程与自动化 多旋翼飞行器控制系统设计 一、材料来源 参考文献主要来自于图书馆中文数据库中的CNKI期刊学位会议报纸中的中国期刊全文数据库。 二、飞行器的发展历史以及现状分析 在我国，几个世纪的发展，让我们看着各种飞行器像雨后春笋般出现，有飞机、导弹、火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机、空间站、星球探测器等等，近年来，对各种飞行器的研究都十分重视，国内外许多开源项目都能提供相当多的资料。 自从欧洲的莱特兄弟发明飞机到现在，人们都一直在为能够在蓝天中飞翔而激动不已，但是同时又受着起飞、着落所需的场地的困扰。在莱特兄弟的时代，飞机只要有一片草地或缓坡就可以轻松地起飞和着陆。在不列颠之战和巴巴罗萨作战中，当时性能最高的“喷火”战斗机也只需要一片平整的草地就可以轻松地起飞，除了那些重型轰炸机，很少有必须要用“正规”的混凝土跑道才能起飞、着陆的。然而，这些飞机早已经不能和今天的飞机的性能相比，但飞机的对跑道的冲击、飞机的重量和滑跑速度，使对起飞、着陆的具体跑道的要求有增无减，甚至连简易跑道也是高速公路级别的。现代各种战斗机和其他高性能的军用飞行器对坚固、平整的长跑道的依赖，早已经成为现代各国空军致命的软肋。为了解决这一困境，从航空先驱者们的时代开始，人们就在孜孜不倦地研究着具有垂直短距起落能力的能够象鸟儿一样腾飞的飞机。当人们跳出模仿鸟儿拍翅飞行的思维怪圈之后，以贝努力原理为依据的空气动力升力就成为了除气球和火箭外其他所有动力飞行器的重要的基本原理。所谓“机翼前行”，实际上指的就是机翼和周围空气形成了相对速度，当机翼前行时，上下翼面之间的气流速度差导致上下翼面之间的压力差，这就是所谓的升力。和机身一起保持前行时，机翼可以造成一定的升力，机身不动但机翼像风车叶一样打转，和周围空气形成相对速度，这样也可以形成升力，这样旋转的“机翼”就形成了旋翼，旋翼产生了的升力就是直升机垂直起落的基本原理。 随着微机电系统（MEMS）技术以及微惯导（MIMU）等相关技术的迅猛发展，微型无人飞行器业已成为目前无人机领域的研究热点之一，它在军用和民用领域中均具有
多旋翼飞行器入门 1、DJI产品的发展历程 （一）“精灵”系列 2013年12月16号PHANTOM2新产品发布 精灵3 是深圳市大疆创新科技有限公司（DJ-Innovations，简称DJI）在2015年4月8 日推出的一款微小型一体航拍无人机。 2016年3月2日深圳市大疆创新科技有限公司在纽约正式发布产品—大疆精灵Phantom 4 图1-1 “精灵” （二）“御”系列 2018年8月23日，DJI大疆创新在纽约发布“御”Mavic 2 系列无人机，包括“御”Mavic 2 专业版及“御”Mavic 2 变焦版两款。 图1-2 “御” （三）“悟”系列
2014年11月13日，在旧金山金银岛上，DJI正式发布了一款消费级无人机“悟” 图1-3 “悟” （四）“晓”系列 “晓”Spark是DJI大疆创新于2017年5月在美国纽约召开新品发布上，正式推出的全新无人机，这也是大疆第一款迷你型掌上无人机。 图1-4 “晓” 2、国内外多旋翼飞行器行业应用 2.1农业 我国是传统农业大国，耕地面积超过20亿亩。随着农村劳动力短缺问题的凸显，农村土地集约化管理的加快，农业机械化和自动化引起了国家有关部门的重视。2015年5月，国务院印发《中国制造2025》，全面推进制造强国战略。在这份行动纲领中，农机装备与航空航天装备、生物医药、新材料等一起被列入十大重点发展领域。在全国倡导机械化、自动化的大环境
下，植保无人机迎来了广阔的发展空间。 我国的农业机械化率超过60%，但就无人机的应用水平而言，与发达工业国家相比还存在一定差距。日本在用植保无人机3000多架，入手超过14000人。仅Yamaha一家企业就有130多家培训学校，负责和从事水稻等无人机作业的组织超过1000个，且形成了规范的行业服务体系。而我国的农业植保无人机尚处于起步阶段，据统计，2014年我国植保无人机保有量为695架，总作业面积426万亩；2015年我国植保无人机保有量为2324架（31个省统计），总作业面积1152.8万亩，增长幅度分别为234%、170.6%。虽然涨幅明显，但整体而言，我国的植保无人机体系尚未成熟。 目前，植保无人机的主要有两种：油动单旋翼和电动多旋翼。两种机型各有利弊，对比如下。 表2-1 油动单旋翼和电动多旋翼植保无人机对比 价格和技术壁垒很大程度上影响了无人机在农业领域的推广。为了克服这一难题，已经有企业开始探索新的经营模式，化硬件销售为运营服务，由自己的团队来完成整个航空作业，按照作业面积收费。 农村土地流转是农村经济发展到一定阶段的产物，通过土地流转，可以开展规模化、集约化、现代化的农业经营模式，摆脱分散经营、作物品种不一、作物长势不一等不利于农机推广的弊端，从而促进无人机在农业领域的应用。据新华
多旋翼无人机的组成 1.光流定位系统 光流（optic flow），从本质上说，就是我们在三维空间中视觉感应可以 感觉到的运动模式，即光线的流动。例如，当我们坐在车上的时候往窗外观看，可以看到外面的物体，树木，房屋不断的后退运动，这种运动模式是物体表面 在一个视角下由视觉感应器（人眼或者摄像头等）感应到的物体与背景之间的 相对位移。光流系统不但可以提供物体相对的位移速度，还可以提供一定的角 度信息。而相对位移的速度信息可以通过积分获得相对位置信息 2. 全球卫星导航系统 GPS系统是美国从上世纪70年代开始研制并组建的卫星系统，可以利 用导航卫星进行目标的测距和测速，具备在全球任何位置进行实时的三维导航 定位的能力，是目前应用最广泛的精密导航定位系统 北斗系统是中国为了实现区域及全球卫星导航定位系统的自主权与主 导地位而建设的一套卫星定位系统，用于航空航天、交通运输、资源勘探、安 防监管等导航定位服务。北斗系统采用5颗静止同步轨道卫星和30颗非同步轨道卫星组成，是中国独立自主研制建设的新一代卫星导航系统。 GLONASS是俄罗斯在前苏联时期建立的卫星定位系统，但由于缺乏资 金维护，目前系统的可用卫星从最初的24颗卫星减少到2015年的17颗可用在轨卫星，导致系统的可用性和定位精度逐步的下降。 欧盟的伽利略导航卫星系统是由欧洲自主、独立的民用全球卫星导航 系统，不过目前为止该系统还只是计划方案，计划总共包含27颗工作卫星，3 颗为候补卫星，此外还包含2个地面控制中心，但由于该计划由欧盟共同经营，同时与内部私企合营，各部分利益难以平衡，计划实施则一再推迟，目前还无 法独立使用。
多旋翼飞行器原理
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。 2.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，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。 （5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y 轴的水平运动。） （6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。 首先声明本人也是菜鸟，此教程就是从一个菜鸟的角度来讲解，现在论坛上的帖子都突然冒很多名词出来，又不成体系，我自己开始学的时候往往一头雾水，相信很多新手也一样。所以在这个帖子里面，我都会把自己遇到的疑惑逐一讲解。 【概述】 1、diy四轴需要准备什么零件 无刷电机（4个）
[键入文字] V1.1版 翎航智能科技工作室 培训 教材 多旋翼无人机知识手册
前言 随着多旋翼无人机的应用日趋广泛，多旋翼无人机的入门门槛越来越低，“到手飞”、个人航拍机等对操作人员的要求几乎是零，对毫无基本常识和经验的人来说也可以操作。但这些都为人身和财产安全埋下了巨大的隐患，出于以上考虑，本教材阐述了多旋翼无人机的基本原理、总结了飞行过程中的注意事项、操作方法、以及如何规避风险。这是一本适合飞行初学者的教材，旨在普及航空知识、和飞行常识等基本理论，根据经验提出在飞行中应该注意的问题和如何规避风险、应急处置等。 本教材的材料有些基于无人机方面的书籍，有些则基于航模飞行的经验，很多都是十分难得的第一手资料，因此可以作为飞行初学者的基础教程，也可以作为以拓宽知识面、开拓思路为主要目的的广大无人机爱好者的学习资料。 由于水平有限，时间仓促，书中疏漏之处在所难免，敬请读者朋友批评指正，以使我们在再版时修订。 作者
目录 前言................................................................................................... - 2 - 目录................................................................................................... - 3 - 第一章绪论 ....................................................................................... - 4 - 第二章系统组成及原理.................................................................... - 7 - 第三章飞行器 ................................................................................. - 18 - 第四章操作方法实例...................................................................... - 26 - 第五章其他细节 ............................................................................. - 45 - 第六章多旋翼无人机的作用与意义 .............................................. - 53 - 第七章与多旋翼无人机有关的航空法规及航空气象 ................... - 54 - 总结................................................................................................... - 66 - 参考文献 ........................................................................................... - 66 -
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前言 随着多旋翼无人机的应用日趋广泛，多旋翼无人机的入门门槛越来越低，“到手飞”、个人航拍机等对操作人员的要求几乎是零，对毫无基本常识和经验的人来说也可以操作。但这些都为人身和财产安全埋下了巨大的隐患，出于以上考虑，本教材阐述了多旋翼无人机的基本原理、总结了飞行过程中的注意事项、操作方法、以及如何规避风险。这是一本适合飞行初学者的教材，旨在普及航空知识、和飞行常识等基本理论，根据经验提出在飞行中应该注意的问题和如何规避风险、应急处置等。 本教材的材料有些基于无人机方面的书籍，有些则基于航模飞行的经验，很多都是十分难得的第一手资料，因此可以作为飞行初学者的基础教程，也可以作为以拓宽知识面、开拓思路为主要目的的广大无人机爱好者的学习资料。 由于水平有限，时间仓促，书中疏漏之处在所难免，敬请读者朋友批评指正，以使我们在再版时修订。 作者
目录 前言................................................................................................... - 2 - 目录................................................................................................... - 3 - 第一章绪论 ....................................................................................... - 4 - 第二章系统组成及原理.................................................................... - 7 - 第三章飞行器 ................................................................................. - 18 - 第四章操作方法实例...................................................................... - 26 - 第五章其他细节 ............................................................................. - 45 - 第六章多旋翼无人机的作用与意义 .............................................. - 53 - 第七章与多旋翼无人机有关的航空法规及航空气象 ................... - 54 - 总结................................................................................................... - 66 - 参考文献 ........................................................................................... - 66 -