四旋翼自主飞
行器
姓名：谭万林
学院：四川大学
专业：计算机
学号：201309203011
时间：2014-4-13
摘要：四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作
灵活、带负载能力强等特点，具有重要的军事和民用价值，以及研究价值。在深入了解四旋翼飞行器的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上，根据四旋翼飞行器飞行原理，建立系统动力学模型，确定了系统组成和总体设计方案。首先根据设计方案采购了简单飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，设计线性度良好、功率满足一定要求的无刷电机驱动器，以满足四旋翼飞行器带载飞行需要。选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件满足系统需要，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。飞行器运动姿态测量单元主要由惯性测量单元(IMU)和三轴磁传感器组成，根据其传感器的性能指标，构建数学模型，从而得到载体准确的航向信息和相应姿势，为飞行器系统稳定飞行提供重要的保障。四旋翼无人飞行器要实现稳定飞行是以平衡控制为前提的，由于该飞行器具有六自由度而只有四个控制量的欠驱动的控制系统，通过调节四个电机转速实现飞行器平衡稳定飞行，因此平衡控制是四旋翼飞行器运动中的关键。根据系统动力学模型设计控制算法，设计四旋翼飞行器控制系统控制规律，主要包括两个控制回路：姿态控制回路、位置控制回路。在仿真软件平台上，通过仿真验证后将算法移植到处理器中，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。最后，为了满足四旋翼无人飞行器的稳定飞行控制的要求，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作。最终设计出能够实现一键飞行、高效的四旋翼自主飞行器。
关键词：四旋翼飞行器瑞萨R5F100LEA PWM 陀螺仪超声传感器
Abstract:Four rotor aircraft is a kind of novel structure, superior performance of vertical take-off and landing aircraft, has many characteristics, such as flexible operation and load ability, has the important value of military and civilian, and research value. In understanding the research status of four rotor aircraft, the key technology and the application prospect, according to the principle of four rotor aircraft flight, establish a system dynamics model, the system composition and the overall design scheme is determined. First according to the design plan to purchase the simple vehicle body model, select the appropriate brushless dc motor as the power unit system, design good linearity and power meet certain requirements of brushless motor drive, to meet the needs of the four rotor aircraft flying on load. Selected the powerful and easy development of microprocessors, sensors and related electronic components meet the needs of the system, and made a lot of system hardware and software debugging, finally completed the overall design. Aircraft motion measurement unit is mainly composed of inertial measurement unit (IMU) and a three-axis magnetic sensor, according to the sensor performance index, build the mathematical model of the carrier to get the exact course information and the corresponding position, provide important guarantee for aircraft flying system stable. Four rotor unmanned aerial vehicles to achieve stable flight is the premise of the balance control, due to the aircraft has six degrees of freedom only four control of underactuated control system, by adjusting the motor speed to achieve four aircraft flying balanced and stable, so the balance control is key in the four rotor aircraft movement. On the simulation software platform, through the simulation verify the algorithm after transplantation into the processor, verifies the control algorithm and experimental research, optimization of flight control algorithm parameters. Finally, in order to meet the requirements of the stability of the four rotor unmanned spacecraft flight control, high real-time performance of control system software design, carries on the related experimental debugging. A key to achieve ultimately designed to fly, high efficient and automatic four rotor aircraft.
Keywords: four rotor aircraft renesas R5F100LEA PWM gyroscope ultrasonic sensors
目录
一、系统方案比较与设计 (6)
二、单元电路设计与计算 (6)
1. 四旋翼飞行器飞行模式 (6)
2. 系统硬件芯片的选择 (12)
3、飞行姿态的测量 (15)
4、超声波传感器高度控制 (15)
5、电源模块 (16)
6、硬件电路图 (16)
三、程序设计 (17)
四、系统测试 (18)
1、基本部分测试 (18)
2、测试方法 (18)
3、测试结果 (18)
五、结论19
六、参考文献 (19)
七、附录 (20)
1、仪器设备清单 (20)
2、程序清单 (20)
1主函数 (20)
3、子函数 (21)
一、系统方案比较与设计
1.方案一：以瑞萨R5F100LEA为核心控制超声波测距系统，通过主控芯片记录超声波发射的时间和收到反射波的时间，当收到超声波的反射波时，接受电路利用PWM调制法，使飞行器根据不同高度，控制脉冲占空比，从而控制速度。该方法较易实现，仅由电机直接驱动，电路简单，利于一键起飞。
2.方案二：考虑以上方案，受外力影响大，稍有倾斜，飞行器将失去平衡。为了达到控制飞行器平衡稳定飞行，外加 MPU6050模块，MPU-6050中陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为数字量，这些数字量输入到主控芯片，结合精密算法，调节脉冲占空比，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。
通过比较两种方案，确定了使用方案二，虽然算法复杂，但困难是可能被克服的，能够完成基本任务；而方案一，算法粗糙，一旦采用，面临的各种问题是难以想象的，所以确立为方案二。
二、单元电路设计与计算
1、带防撞的四旋翼飞行器
1.1 四旋翼飞行器飞行模式
四旋翼飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器。飞行器动作依靠4个电机的转速差进行控制，其机械结构相对简单，可由电机直接驱动，无需复杂的传动装置，便于微型化。相较于典型的传统直升机，仅仅装配有一个主转子和一个尾桨，通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置的飞行模式，四旋翼飞行器是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。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，按照旋翼布置方式可分为十字模式和X模式，
如图l所示，四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，是一种六自由度的垂直升降机，因此这种欠驱动系统非常适合静态和准静态条件下飞行。对于姿态测量和控制的编程算法来说，十字模式较X模式简单，前者的飞行模式是通过只改变单个机翼转速的方法而完成前后左右四个方向的飞行；而后者的飞行模式是通过同时控制两个机翼转速的方法而完成前后左右四个方向的飞行。十字模式算法简单，容易操作，飞行平稳。X模式算法复杂，可操作性不强。综上所述，采用了十字模式算法。
前
图1 十字模式算法
1.2四旋翼飞行器产生基本动作的原理
四旋翼飞行器结构形式如图2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。
图2 四旋翼飞行器的结构形式
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。在图3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。图3（a）垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。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。图3（b）俯仰运动：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。图3（c）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。图3（d）偏航运动：四旋翼飞行器偏
航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。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，且对角线上的来年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。图3（e）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。当然在图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。图3（f）倾向运动：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。
图3 四旋翼飞行器沿各自由度的运动
1.3 四旋翼直升机的动力学原理
不像普通的直升机有可变螺距角度，四旋翼直升机由固定俯仰角转子和转子速度控制，以产生预期的升力。四旋翼的基本运动可以用图4来描述。
图4 四旋翼三维受力图
直升机的垂直运动可以在同一时间通过改变所有的转子速度来实现。沿着X 轴的运动与在Y 轴方向上倾斜有关。这种倾斜可通过降低旋翼1、2的速度，增加旋翼3、4的速度来实现。这种倾斜也可以沿X 轴的加速度。类似的，沿着Y 轴的运动与在X 轴方向上倾斜有关。偏航运动是利用旋翼产生的力矩来实现的。常规直升机有尾桨，以平衡由主旋翼产生的力矩。但在四旋翼的情况下，旋翼的旋转方向是用来平衡和减少这些力矩的。这也可以被用来产生预期的偏航运动。为了在顺时针方向上转向，必须增加旋翼2、4的速度以克服旋翼1和3产生的力矩。因此一个好的控制器应能达到预期的偏航角，同时保持固定的倾斜角度和高度。假设一个固定在支架上的结构在该直升机重心处，此处Z 轴是指向上的，它的身体轴心是与惯性系的位置矢量（x,y,z)和三个分别代表了俯仰滚转与偏航的欧拉角
（θ，Ψ，Φ），有关的式1用来表示旋 转???
?
?
??--++-=ψ
?ψ
θθ
ψφψθφψ
φψθφθ
φψφψθφψφψθφθ
φc c s c s s c c s s c c s s s c s s s c s c c s s s c c c R
在上式中θc 和θs 分别表示了θcos 和θsin
每个旋翼产生的力矩相当于纵向的力。这些力矩已通过实验观察到在低速情况下与力是呈线性的。这里有4个输入的力与6个输出的参数（φψθ,,,,,z y x ）因此直升机是一个欠驱动系统。两个旋翼的旋转方向是顺时针方向，另外两个是逆时针的，为了平衡力矩并且实现所需要的偏航运动。根据力和力矩平衡所得方程如下：
m
x
K F x i i &&&14
1)sin sin cos sin )(cos (-+=
∑=ψφψθφ m
y
K F y i i &&&24
1)sin cos cos sin )(sin (--=
∑=ψφψθφm
z
K mg F z i i &&&341)cos )(cos (--=
∑=ψφ 3
64321254321144321/)(/)(/)(J K M M M M J K F F F F l J K F F F F l φφψψθθ&&&&&&&&&--+-=--++-=-++--= 上面的i K 是阻尼系数，接下来我们假设阻力为0，因为阻力在低速时可以忽略的。
为了简单起见，我们定义输入为：
3
4321424321314321243211/)(/)(/)(/)(J F F F F C u J F F F F u J F F F F u m F F F F u -+-=-++-=++--=+++=
i J 是对于轴的转动惯量，C 是力与力矩的比例因子。
1U 表示了在Z 轴方向上的加速度，2U 、3U 表示the roll and pitch inputs 4U 表示了一个偏航力矩。因此运动方程变成了：
)sin sin cos sin (cos 1ψφψθφ+=u x && l u 2=θ&& )sin sin cos sin (sin 1ψφψθφ+=u y && l u 3=ψ&& g u z -=)cos (cos 1ψθ&& 4u =φ
&& 假设重心在对角线的交点处，若重心向上（或向下）移动d 单位，则角速度对力更不敏感，从而稳定性增加了。使旋翼的力指向中心同样增加稳定性，同时减少 The roll and pitch moments 和垂直方向上的总推力。
2. 系统硬件芯片的选择
2.1 飞行器控制板主控芯片R5F100LEA ，如图5所示。
图5 主控芯片R5F100LEA引脚图
主控芯片R5F100LEA是瑞萨公司生产的一款单片机芯片，采用64引脚LQFP 封装，64KB的ROM容量，拥有Flash存储器。本产品相较于C8051有以下特点：拥有15个端口，采用引脚复用方式，既节省了引脚资源，又拓展了功能。适合在复杂应用且微型飞行器上应用。
2.2 MPU 6050 如图6
图6 MPU6050引脚图
MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，采用最小最薄包装 (4x4x0.9mm QFN) 符合RoHS及环境标准，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6000（6050）整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，具有向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API等功能。MPU-6000（6050）的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz的SPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V ±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V± 5%（MPU6000仅用VDD）。MPU-6050中陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为数字量。
2.3 HC-SR04 如图7
图7 HC-SR04实物图
HC-SR04超声波测距模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。具有可提供2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。基本工作原理：(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;(2)模块自动发送8个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。
3、飞行姿态的测量
对无人机的控制来说测量无人机的飞行姿态是势必不可少。我们用一个惯性测量装置（陀螺仪mpu6050）来执行这一任务。这架旋翼机的姿态是确定利用互补滤波器为每个旋转轴。该过滤器的工程计算误差信号之间的估计角（θ），θ）在直接从加速度计算。在积分前，这个错误信号减去了初始角并参考角（ref
速度信号。应该指出的是，比率传感器可以测量在体内固定轴，而加速度测量倾斜，在地球上的固定轴。
4、超声波传感器高度控制
超声波传感器高度控制是通过PID闭环控制算法实现的，这种控制采
用闭合反馈，通过超声波传感器发射的时间和收到反射波的时间差，计算距离，反馈给主控芯片，同时控制四个电机的转速。PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至可以只有P算法控制。采用了以上三种算法比例(P)、积分(I)、微分(D)控制超声波传感器反馈的脉冲，以控制四个电机的转速，越过障碍。积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有差，积分调节就进行，直至无误差；微分，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。采用比例控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。
5、电源模块
为四旋翼飞行器飞行控制系统、无刷电机等提供电源。由于四旋翼飞行器载重量有限，所以电源系统应该尽可能轻，能量密度大。考虑到线性稳压方式转换效率不高，能量损耗大的缺点，本系统改用开关电源的方式来稳压。但开关电源会产生较强的电磁干扰，而且存在电源波纹，这样对PPM的遥控方式影响就很大。
6、硬件电路图
整体连接电路如图8
图8 硬件连接电路图三、程序设计
程序流程图如图9
图9 流程图
四、系统测试
1、基本部分测试
测试仪器：秒表、数字万用表、示波器、R5F100LEA仿真机等。
2、测试方法：
数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数；
示波器用于测试各PWM波形；
秒表用于产品测试，按照基本要求对制成的四旋翼飞行器进行飞行时间的测量；
R5F100LEA仿真器用来测试软件；
3、测试结果：
测试结果显示本系统以实现需求中基本功能，能满足在时间限度里飞行所要求的距离，不足之处在于系统功能相对不够完善，在传感器模块还需要进行完善。此次测试目的在于发现系统缺陷与漏洞，从测试结果中没有发现严重系统缺陷。
五、结论
本系统完成了硬件电路的设计并结合了软件开发程序，使四旋翼飞行器能够一键启动后，平衡稳定的飞行任务。通过各种方案的讨论和尝试，在经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，设计采用简单的动力学原理结合软件开发平台，就能够简单高效的完成任务，若采用其他类型的功能传感器，功能会更加强大，且若将算法设计精准，功能完成会更加流畅。
六、参考文献
[]1黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.电子工业出版社，2010
[]2李晓林.单片机原理与接口技术.电子工业出版社，2010
[]3黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.电子工业出版社，2010
[]4黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.电子工业出版社，2010
[]5J.C Zuf ferey, D. Floreano Evolving V ision-Based Fly ing Robots. Proceedings of the 2nd International Workshop on Biologically Motivated Computer Vision, LNCS 2525, pp. 592-600, Berlin, Springer-Verlag,2002.
[]6A. Elfes, S.S. Bueno and al, Robotic Airship for Exploration of planetary Bodies with an
Atmosphere Autonomy Challenges. Autonomous Robots Journal: Kluwer Academic Publishers, 2003.
[]7S. Sastry, A mathematical introduction to robotic manipulation . Boca Raton, FL, 1994.
[]8P. Mllhaupt, Analysis and Control of Underactuated Mechanical Nonminimum-phase Systems. Phd thesis, Department of MechanicalEngineering, EPFL, 1999.
七、附录
1、仪器设备清单
2、程序清单
1主函数
v oid main(void)
{
R_MAIN_UserInit();
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/*????????*/
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 -
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 夏纯 吉林建筑大学 2015年6月
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 学生：夏纯 指导教师：许亮 专业：电子信息工程 所在单位：电气与电子信息工程学院答辩日期： 2015 年6月
目录 摘要.......................................................... I ABSTRACT ...................................................... II 第1章绪论. (1) 论文研究背景及意义 (1) 国内外的发展情况 (2) 本文主要研究内容 (4) 第2章总体方案设计 (5) 总体设计原理 (5) 总体设计方案 (5) 系统硬件电路设计方案 (5) 各部分功能作用 (6) 系统软件设计方案 (7) 第3章系统硬件电路设计 (8) Altium Designer Summer 09简介 (8) 总体电路设计 (8) 遥控器总体电路设计 (8) 飞行器总体电路设计 (10) 各部分电路设计 (10) 电源电路设计 (10) 主控单元电路设计 (12)
无线通信模块电路设计 (13) 惯性测量单元电路设计 (16) 电机驱动电路设计 (18) 串口调试电路设计 (19) PCB设计 (21) PCB设计技巧规则 (21) PCB设计步骤 (22)
PCB外形设计 (23) 实物介绍 (25) 第4章系统软件设计 (27) Keil 简介 (27) Keil MDK概述 (27) Keil MDK功能特点 (27) 软件设计框图 (28) 软件调试仿真 (29) 飞控软件设计 (30) MPU6050数据读取 (30) 姿态计算IMU (32) PID电机控制 (32) 结论 (36) 致谢 (38) 参考文献 (39) 附录1 遥控器主程序源代码 (40) 附录2 飞行器主程序源代码 (45) 附录3 遥控器原理图 (50) 附录4 飞行器原理图 (51)
四旋翼飞行器的结构形式和工作原理 1.结构形式 直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前，四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员认为操纵来说是一件非常困难的事，所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，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，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，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。四旋翼飞行器的结构形式如图1.1所示。
图1.1四旋翼飞行器的结构形式 2.工作原理 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，是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。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，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（A 题）参赛队号：20140057号
四旋翼飞行器 设计摘要： 四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。 因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。 四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它使用直接力矩，实现六自由度（位置与姿态）控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 因此，研究既能精确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言： 1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。在本次大赛中，需要利用四旋翼飞行器平台，实现四旋翼的起飞，悬停，姿态控制，以及四旋翼和地面之间的测距等功能。 1.2 设计思路：为了满足飞行器的设计要求，要使用以微控制器为核心的控制系统，使本系统以MC9S12XS128模拟出控制信号，用STM32 MMC10接收模拟信号，然后翻译出模拟信号，利用加速度与陀螺仪传感器采集飞行器的飞行数据，加以闭环调控和精准的控制算法。进行上升、下降以及悬停等动作。 1.3 特点：本飞行器脱离遥控器控制，用微处理器实现整个飞行过程全自动控制，控制精度高。 二、方案设计： 系统主要由STM32模块，微处理器MC9S12XS128模块，电源模块，电机模块，超声波模块，加速度陀螺仪模块等构成。 系统总体框图如下图（图2.0）： STM32 MMC10 四路 PWM 通道 电调 无刷电机 高度显示数码管 信号接收 MC9S12XS128 GPIO 模块 时钟 模块 超声波传 感器 电源 图2.0 其中微处理器MC9S12XS128模块的外围电路见附录一2.1 控制系统选择方案：
四轴飞行器的建模与仿真 摘要 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 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 真模型，模型建立后在 Matlab/simuli nk 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 reconnaissanee mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilia n app licati ons. In the dissertati on, the detailed an alysis and research on the rack structure and dyn amic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertatio n. 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 camp aig n to make the research and an alysis. The four-rotor aircraft has many op erati ng status, such as climb ing, dow ning, hoveri ng and roll ing moveme nt, p itch ing moveme nt and yaw ing moveme nt. The dyn amic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertati on. On the basis of the above an alysis, modeli ng of the aircraft can be made. Dyn amics modeli ng is to build models un der the principles of flight of the aircraft and a variety of state of moti on, and Newt on - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.The n the simulatio n is done in the software of Matlab/simuli nk. Keywords: Quad-rotor ，The dynamic mode, Matlab/simulink 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， ,进行飞行器的建模。动力学建模 -欧拉模型建立的仿
功能介绍:利用小型四旋翼飞机对灾害现场进行勘测，其中四旋翼上添加摄像头对现场进行勘测，从而了解现场状况。 设计思路:小型四旋翼飞机座位各类传感器搭载平台，根据现场实际情况通过控制四旋翼飞机飞行姿态，从而达到对复杂环境的监测。 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，四个旋翼的结构和半径相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。 四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反；正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应。 结构如下 2.工作原理 通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼是一种欠驱动系统，是一种六自由度的垂直升降机，四个输入力，六个状态输出。 垂直飞行控制：控制飞机的爬升，下降和悬停。图中蓝色弧线箭头方向表示螺旋桨旋转的方向，以下同。当四旋翼处于水平位置时，在垂直方向上，惯性坐标系同机体坐标系重合。同时增加或减小四个旋翼的螺旋桨转速，四个旋翼产生的升力使得机体上升或下降，
从而实现爬升和下降。悬停时，保持四个旋翼的螺旋桨转速相等，并且保证产生的合推力与重力相平衡，使四旋翼在某一高度处于相对静止状态，各姿态角为零。垂直飞行控制的关键是要稳定四个旋翼的螺旋桨转速使其变化一致 横滚控制：如图所示，通过增加左边旋翼螺旋桨转速，使拉力增大，相应减小右边旋翼螺旋桨转速，使拉力减小，同时保持其它两个旋翼螺旋桨转速不变。这样由于存在拉力差，机身会产生侧向倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，使机体向右运动，当2,4转速相等时，可控制四旋翼飞行器作侧向平飞运动。 俯仰控制：在保持左右两个旋翼螺旋桨转速不变的情况下，减少前面旋翼螺旋桨的转速，并相应增加前面旋翼螺旋桨的转速，使得前后两个旋翼存在拉力差，从而引起机身的前后倾斜，使旋翼拉力产生与横滚控制中水平方向正交的水平分量，使机体向前运动。类似的，当1,3转速相同时可控制四旋翼飞行器作纵向平飞运动。 偏航控制：四旋翼飞行器为了克服反扭矩影响，四个旋翼螺旋桨中的两个逆时针旋转，两个顺时针旋转，对角线上两个螺旋桨上的转动方向相同。反扭矩大小与旋翼螺旋桨转速有关，四个旋翼螺旋桨转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起机体的转动。因此可以设计四旋翼飞行器的偏航控制，即同时提升一对同方向旋转的旋翼螺旋桨转速并且降低另一对相反方向旋转的旋翼螺旋桨转速，并保证转速增加的旋翼螺旋桨转动方向与四旋翼飞行器机身的转动方向相反。 建立系统动力学模型：
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(A题) 摘要 四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。 为了满足四旋翼飞行的设计要求，系统以STM32F103VET6作为四旋翼自主飞行器控制的核心，处理器内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作频率，工作电压3.3V-5.5V。该四旋翼由电源模块、电机电调调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行姿态检测模块是通过采用MPU-6050模块，整合3轴陀螺仪、3轴加速度计，检测飞行器实时飞行姿态，实现飞行器运动速度和转向的精准控制。传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块，在动力学模 型的基础上，将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。 关键词：四旋翼飞行器；STM32；飞行姿态控制；串口PID
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...................................................................... .- 2 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计...................................................................- 3 -
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)
四旋翼飞行器无刷直流电机调速系统的设计 孟磊，蒋宏，罗俊，钟疏桐 武汉理工大学自动化学院、武汉理工大学信息工程学院 摘要，关键字：略 近年来，无人机的研究和应用广泛受到各个方面的重视。四旋翼飞行器作为无人机的一种，能够垂直起落、空中悬停、可适用于各种飞行速度与飞行剖面，具有灵活度高、安全性好的特点，适用于警务监控、新闻摄影、火场指挥、交通管理、地质灾害调查、管线巡航等领域实现空中时时移动监控。 四旋翼飞行器的动力来源是无刷直流电机，因此针对该型无刷直流电机的调速系统对飞行器的性能起着决定性的作用。为了提高四旋翼飞行器的性能，本文设计制作了飞行试验平台，完成了直流无刷电机无感调速系统的硬件、软件设计。通过实验证明该系统的设计是可行的。 四旋翼飞行器平台结构 四旋翼平台呈十字形交叉，有四个独立电机驱动螺旋桨组成。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨转向相同，相邻的螺旋桨转向相反同时增加减少四个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改变中心对角的螺旋桨速度，可以产生滚动、俯仰等运动。结构图如下： 四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分：飞行控制系统和无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU惯性测量单位（由陀螺传感器和加速度传感器组成）检测飞行姿态，通过无线通讯模块与地面遥控器通信。4个无刷直流电机调速系统通过I2C总线与飞行控制器通信，通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，系统采用12V电池供电。控制系统结构图如下：
无刷直流电机调速系统 无刷直流电动机既具有运行效率高、调速性能好，同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，是电机主要发展方向之一，现已成功运用与军事、航空、计算机数控机床、机器人、电动自行车等多个领域。在该四旋翼飞行器上使用了新西达2217外转子式无刷直流电机，其结构为12绕组7对磁极，典型KV值为1400. 通常无刷直流电机的控制方式分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。有位置传感器控制方式通过再定子上安装电磁式、光电式或者磁敏式位置传感器来检测转子的位置，为驱动电路提供转向信息。无位置传感器的控制方式有很多，包括磁链计算法‘反电动势法、状态观测器法、电感法等。在各种无位置传感器控制方法中，反电动势法是目前技术最为成熟的、应用最为广泛的一种位置检测方法。本系统采用的饭店董事过零检测法是反电动势法中的一种，通过检测各相绕组反电动势的过零点来判断转子的位置。根据无刷直流电机的特性，电机的最佳转向时刻是想反电动势过零点延迟30电角度的时刻，而该延迟的电角度对应的时间可以有两次过零点时间间隔计算得到。 无刷直流电机调速系统硬件设计 该无刷直流电机调速系统有三相全桥驱动电路、反电势过零电路、电流电压检测电路组成电机驱动器。使用一片ATmega8单片机作为控制器，该单片机内部集成了8kB的flash，最多具有23个可编程的I/O口，输出时为推挽结构输出，驱动能力较强。片上集成了AD 转换器、模拟比较器、通用定时器、可编程计数器等资源。 三相全桥驱动电路利用功率型MOS管作为开关器件，选用P型MOS管FD6637与N型MOS管FD6635搭配使用，设计容量为允许通过的最大电流为30A。FD6637的开关利用三极管9013进行驱动、FD6635的开关直接用单片机的I/O口进行驱动。电路如图3所示。通过R17、R19、R25来减少下管FDD6635的栅极充电电流峰值，防止震荡并保护MOS管；R16、R23、R24作为下拉电阻，保证下关的正常导通与关断；R2、R5、R8作为上管栅极上拉电阻，阻值选择470Ω，既保证了MOS管的开关速率不降低，同时也防止三极管Ic电流过大。A+、B+、C+提供驱动桥的上桥臂的栅极导通信号，分别通过ATmega8的三个硬件PWM通道驱动，通过改变PWM信号的占空比来实现电机调速；A-、B-、C-提供下桥臂栅极驱动信号，由单片机的I/O口控制，只有导通和关闭两种状态。
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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
动态系统建模仿真实验报告（2） 四旋翼飞行器仿真 姓名： 学号： 指导教师： 院系： 2014.12.28
1实验容 基于Simulink建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制； 建立GUI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹； 基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹。 2实验目的 通过在 Matlab 环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，使掌握以下容： 四旋翼飞行器的建模和控制方法 在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。 3实验器材 硬件：PC机。 工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。 4实验原理 4.1四旋翼飞行器 四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图 1 所示。旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。 图1四旋翼飞行器旋转方向示意图
在图 1 中， 前端旋翼 1 和后端旋翼 3 逆时针旋转， 而左端旋翼 2 和右端的旋翼 4 顺时针旋转， 以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。 由此可知， 悬停时， 四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。 4.2建模分析 四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示 图2四旋翼飞行器受力分析示意图 旋翼机体所受外力和力矩为： 重力mg , 机体受到重力沿w z -方向； 四个旋翼旋转所产生的升力i F (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿b z 方向； 旋翼旋转会产生扭转力矩i M (i= 1 , 2 , 3 , 4)。i M 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。 力模型为：2i F i F k ω= ，旋翼通过螺旋桨产生升力。F k 是电机转动力系数， 可取826.1110/N rpm -?，i ω为电机转速。旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4)，
四轴飞行器制作应用实例大全 玩四轴这个东西，不是发明创造，人家懂只是知道得比你早一点，新手们入手四轴飞行器总是抱怨苦于无人可以指导，可是莫怪我等无言呀，往往一种问题有好几种原因，有时我是这么解决就好了，到你那边就不行了，所以玩四轴还是需要有扎实的基础，下面这些四轴设计实例是玩四轴总结出来的，有些是老前辈传授的，这些都是飞行模友的智慧。玩四轴不要怕当新鸟，老鸟也是新鸟飞出来的。 1. 微型四旋翼航拍器 本四旋翼航拍器采用OV7725C彩色摄像头，飞控板主控芯片为STM32，遥控器主控芯片为STM32，本系统在正常飞行过程中，通过按下遥控器，右键即可拍下此刻的照片，并实时存储到SD卡中，四轴和遥控器均已集成锂电池智能充电功能，通过USB数据线直接插入电脑即可充电。飞行器稳定，算法成熟，适合有一定基础的人开发。 2. mini小型四轴飞行器 网络上的小型四轴飞行器的PCB板都是要打烊的，打样的价格非常昂贵，我们学生党要怎么吧这么复杂的电路自己做出来呢，本人在集成飞小飞机上进行有效的更改，自己用普通做板的方式自己做出来了亲测成功哦。 3. STM32F103T8U6 +MPU6050微型四轴飞行器开源程序和PCB图有上位机 这个微型四轴飞行器使用的是STM32F103T8U6（STM 32F103T8U6数据手册）+MPU6050（MPU6050数据手册）等，开源程序和PCB图、有上位机，分享给大家学习。附件提供了飞行器原理图和PCB、飞行源码、测试程序、上位机软件、相关芯片资料。 4. 基于WiFi通信的四旋翼无人飞行控制器 目标是使用STM32开发板并配合由Altium Designer电路板设计软件绘制的扩展板设计实现一套四旋翼无人飞行器控制器系统，同时完成一套PC端和手机端APP地面站控制软件的编写，并加入GPS进行惯性导航，使飞行器能够在地面站或遥控器的控制下完成平稳高速飞行，并能够实现空中自稳。飞行器能够按地面站规划的路径实现自主巡航，并可携带摄像设备完成空中拍摄任务。四旋翼无人飞行控制器已经经过验证，可以飞起来了，放心使用。 5. STM32 WIFI 四轴飞行器全部资料 采用WIFI技术控制飞行器，简单又方便，只要你有安卓手机就可以了，有做好的安卓AP，直接安装即可，附件有1.有原理图，pcb文件99和AD都可以打开；2.源代码,有STM32源码，有测试程序和主程序，焊接好后方便大家测试用的。采用了RT_THREAD操作系统3.芯片资料；4.wifi开发手册和使用指南；5.有安卓上位机软件，有2.3版本和4.0版本。 6. 匿名迷你四轴飞行器，飞行器里的行家 资源包含主板PCB源码，遥控器源码， CPU: STM32F103CB（STM32F103CB数据手册） 2.4G: NRF24L01（NRF24L01数据手册） 电子罗盘：HMC5883（HMC5883数据手册） 陀螺仪+加速度计：MPU-6050 （MPU-6050数据手册） 电机:7*16
关于无人机模拟操控技能实训的报告 目录 一、前言 1.实训背景与意义 (2) 2.无人机的发展现状 (2) 3、本次实训的任务安排与技术要求 (4) 二、实训的基本情况 (5) 三、实训总结 (8)
一．前言 本次实训主要是通过实体操控四旋翼无人机的不同姿态运动来提升自己对无人机的运动机制、动力原理以及飞行实操的了解。主要要求是使用提供的四旋翼无人机实现无人机在导航模式下实现原地360°旋转、矩形飞行以及固定翼的模拟航线飞行等，需要控制飞机高度方向，指导老师现场考核评分并记录好实训操控时的图像或音频，以完成实训总结报告。 1．实训背景与意义 无人机，是一种不需要有人驾驶，可以通过远程操控来实现某些特定功能的飞行器，具有可持续续航、飞行高度高、可携带外接设备等一系列优点，目前无人机在多个领域取得应用，并且经过行业的不断完善，已经形成初步的产业链。无人机以其自身的突出的优点、高性价比等巨大优势吸引人们的关注，并且在不断地研究中取得了一定的突破，从无人机整个行业的前景来看，无疑是值得肯定的，并且现有技术不断革新的情况下无人机在未来的发展将会越来越好，无人机作为现代的新星宠儿，对它的研究应用无论是对自身发展还是国家技术改革创新都具有很大作用，在无人机势如春笋的发展背景下，通过实训去了解无人机，熟练的操控无人机将对未来就业以及自身发展具有重大意义。 2.无人机的发展现状 20世纪90年代以来，随着信息化技术、轻量化/小型化任务载荷技术、卫星通信技术、复合材料结构技术、高效空气动力技术、新型能源与高效动力技术、起降技术的迅猛发展，无人机性能不断提升、功能不断扩展，各种类型和功能的无人机不断涌现，应用领域也越来越广泛。无人机按规模可分为微型无人机、小型无人机、中型无人机、大型无人机；按飞行高度可分为低空无人机、中空无人机、高空无人机、临近空间无人机；按飞行速度可分为低速无人机、高速无人机；按机动性可分为低机动无人机、高机动无人机；按能源与动力类型可分为螺旋桨式无人机、喷气式无人机、电动无人机、太阳能无人机、燃料电池无人机；按活动半径可分为近程无人机、短程无人机、中程无人机、远程无人机；按起降方式可分为滑跑起降无人机、火箭助推/伞降回收无人机、空投无人机、炮射无人机、潜射无人机等；按功能用途可分为靶标无人机、诱饵无人机、侦察无人机、炮兵校射无人机、电子对抗无人机、电子侦听无人机、心理战无人机、通信中继无人机、测绘无人机、攻击无人机、察打一体无人机、预警无人机…… 人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行，并在执行完任务后从天空安全回落到地面。 无人机主要分为多旋翼无人机、固定翼无人机以及组合式无人机三大类。 多旋翼无人机又有四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至十旋翼等，最常见的是四旋翼无人机，以下是常见的多旋翼无人机。