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
疯狂直升机电路板顶面细节
电路板顶面包含了传感器和控制/通讯电路。
?JTAG/串行接口用来向处理器编程，传送debug信息。
?CPU是STM32 Cortex - M3。时钟设定为内部振荡器64MHz。
?2轴X-Y陀螺仪InvenSense IDG500。它的模拟信号输出连接到CPU的模数转换器。
?Z轴陀螺仪InvenSense ISZ500。和X-Y陀螺一样，模拟信号输出连接到CPU的模数转换器。
? 2.4GHz的射频通信基于Nordic的nRF24L01 芯片。它实际上是一个通过SparkFun 出售的带接口电路板，通过SPI端口连接到CPU。
?3轴加速度计是Bosch SMB380。它通过I2C总线连接到CPU。
电路板底面的细节
疯狂直升机电路板底面细节
这里没有什么特别之处，除了一小块电池通过胶带粘在电路板底面。这些电池来自一架Silverlit x-twin模型飞机，允许我们的直升机飞行4.5分钟。
电池下方的电路细节
在电池下方是供电电路和功率控制电路。
?充电插座连接外界的5V电源，给电池充电
?电源开关切换直升机的电源供应（连接器/充电电池）
?5V升压电路将3?4V的电池电压升压到5V。
?两个3.3V线性稳压器，从5V电压降压输出3.3V电压。数字和模拟3.3V供电电压相互独立。这是为了减少对模拟器件的噪声干扰（两个陀螺仪，设计中很重要的一部分）。
?最后，在四个侧边正中有电动机的驱动晶体管。电能从PCB梁的顶部和底部布线传送，为电动机提供能量。
值得一提的是，我们在3.3V稳压器右边放置了电池充电芯片，这是一片常用的MAX1555，它工作的很好。
使用升压电路的目的在于在电池的基础上提供更加稳定的供电，在电池即将耗尽，电压开始下降时它特别有效，同时还能够减小电机驱动电路带来的噪声。但是说到底这些芯片使用2.8V线性稳压器供电就能工作，因此我们计划在下一个版本中取消升压电路，同时还打算把无线通讯模块也集成到电路板上。
电动机和螺旋桨都来自Silverlit x-twin模型飞机，它们直接由电池电压供电。
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。
译文 四旋翼飞行器的建模与控制 摘要 迄今为止，大多数四旋翼空中机器人有是基于飞行玩具。虽然这样的系统可以作为原型，它们是不够健全，作为实验机器人平台。我们已经开发出了X-4传单，采用四旋翼机器人定制底盘和航空电子设备与现成的，现成的电机和电池，是一个高度可靠的实验平台。车用调谐厂带有板载嵌入式姿态动力学控制器以稳定飞行。线性单输入单输出系统控制器旨在规范传单态度。 1介绍 直升机的主要限制是需要广泛的，和昂贵，维护可靠的飞行。无人驾驶航空飞行器（无人机）和微型飞行器（MAV）旋翼机也不例外。简化了机械飞行机的结构产生明显的福利操作这些设备的物流。四转子是强大和简单的直升机，因为他们没有复杂的旋转倾转盘和联系在传统的旋翼机发现。多数四转子的飞行器从遥控玩具构建组件。其结果是，缺少必要的这些工艺可靠性和性能是切实可行的实验平台。 1.1现有的四旋翼平台 几个四转子工艺最近已开发用作玩具或进行研究。许多研究旋翼飞行器开始了生活作为市售的玩具，如作为HMX -4和Rctoys的Draganflyer 。未经修改的，这些工艺通常由光机身塑料转子。它们是由镍镉电池或锂聚合物电池供电，使用速度反馈的微机电系统陀螺仪。这些四转子一般没有稳定的稳态。 研究四旋翼添加自动稳定及使用各种硬件和控制方案。澳大利亚联邦科学与工业研究组织的如图1 ：X-4传单型号2的。四旋翼飞行器，例如，是一个Draganflyer衍生使用视觉伺服和惯性测量单元（IMU ），以稳定的工艺在一个被做成动画的目标。其他四转子包括Eidgenossische TECHNISCHE Hochschule的苏黎世' OS4 '[ Bouabdallah等，2004 ] ，皮带驱动飞与低纵横比的叶片; CEA的“X4- flyer'1 ，小四转子电机每四个刀片[ Guenard等，2005 ]。和康奈尔大学的自治飞行器，采用的爱好飞机螺旋桨的大型工艺。
四轴（1）-飞行原理 总算能抽出时间写下四轴文章，算算接触四轴也两年多了，从当初的模仿到现在的自主创作经历了不少收获了也不少。朋友们也经常问我四轴怎么入门，今天就简单写下四轴入门的基本知识。尽量避开专业术语和数学公式。 1、首先先了解下四轴的飞行原理。 四轴的一般结构都是十字架型，当然也有其他奇葩结构，比如工字型。两种的力学模型稍微有些不一样，建议先从常规结构入手（其实是其他结构我不懂）。 常规十字型结构其他结构 常规结构的力学模型如图。 力学模型 对四轴进行受力分析，其受重力、螺旋桨的升力，螺旋桨旋转给机体的反扭矩力。反扭矩影响主要是使机体自旋，可以想象一下直升机没有尾桨的情况。螺旋桨旋转时产生的力很复杂，
这里将其简化成只受一个升力和反扭矩力。其它力暂时先不管，对于目前建模精度还不需要分析其他力，顶多在需要时将其他力设为干扰就可以了。如需对螺旋桨受力进行详细研究可以看些空气动力学的书，推荐两本， 空气螺旋桨理论及其应用（刘沛清，北航出版社） 空气动力学基础上下册（徐华舫，国防科技大学） 网易公开课：这个比麻省理工的那个飞行器构造更对口一些。 荷兰代尔夫特理工大学公开课：空气动力学概论 以上这些我是没看下去，太难太多了，如想刨根问底可以看看。 解释下反扭矩的产生： 电机带动螺旋桨旋转，比如使螺旋桨顺时针旋转，那么电机就要给螺旋桨一个顺时针方向的扭矩（数学上扭矩的方向不是这样定义的，可以根据右手定则来确定方向）。根据作用力与反作用力关系，螺旋桨必然会给电机一个反扭矩。 在转速恒定，真空，无能量损耗时，螺旋桨不需要外力也能保持恒定转速，这样也就不存在扭矩了，当然没有空气也飞不起来了。反扭矩的大小主要与介质密度有关，同样转速在水中的反扭矩肯定比空气中大。 因为存在反扭矩，所以四轴设计成正反桨模式，两个正桨顺时针旋转，两个反桨逆时针旋转，对角桨类型一样，产生的反扭矩刚好相互抵消。并且还能保持升力向上。六轴、八轴…类似。 我们控制四轴就是通过控制4个升力和4个反扭矩来控制四轴姿态。 如力学模型图，如需向X轴正方向前进，只需增加桨3的转速，减少桨1的转速，1、3桨的反扭矩方向是一样的，一个加一个减总体上来说反扭矩没变。此时飞机已经有向X轴方向的分力，即可前行。 如需向X轴偏Y轴45°飞行，那么增加桨2、3的转速，减少桨1、4的转速，即可实现。 如果将X正作为正前方，那么就是”十”模式，如果将X轴偏Y45°作为正前方向，那就是”×”模式。理论上这两种都可以飞行，”十”模式稍微比”×”模式好计算，但是”十”模式不如”×”模式灵敏。 四轴如需向任意方向飞行只需改变电机的转速，至于电机转速改变的量是多少，增量之比是多少就需要算法了。对于遥控航模，不需要知道具体到度级别的方向精度，飞行时手动实时调节方向即可。 四轴除了能前后左右上下飞行，还能自旋，自旋靠的就是反扭矩，如需顺时针旋转，只需增加桨1、3转速，减少2、4转速，注意不能只增加桨1、3而不减少2、4，这样会造成总体升力增加，飞机会向上飞的。 理想情况下，四轴结构完全对称，电机转速一样，飞机就可以直上直下飞行。但事实和理想还是有差距的，不存在完全对称的结构，也没有完全一样的电机螺旋桨。所以需要飞控模块进行实时转速调节，这样才能飞起来，不像直升机，螺旋桨加速就能飞。 2、分析完飞行原理，接下来分析四轴飞行器系统的主要部件。
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
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
四轴飞行器 作品说明书 摘要 四轴飞行器在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器，四轴飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，软件算法，包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。校正加速度计采用最小二乘法。计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一种来应用。控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。 关键词：四轴飞行器；姿态；控制
目录 1.引言 (1) 2.飞行器的构成? (1) .硬件构成..............................................1? 机械构成 (1) 电气构成 (3) .软件构成 (3) 上位机 (3) 下位机........... . (4) 3.飞行原理........... ................................ (4) . 坐标系统 (4) .姿态的表示 (5) .动力学原理 (5) 4.姿态测量........... ................................ (6) .传感器校正 (6) 加速度计和电子罗盘 (6) 5.姿态控制 (6) .欧拉角控制 (6) .四元数控制 (7) 6.姿态计算 (7) 7.总结 (8) 参考文献 (9)
四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着MEMS?传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。 目前应用广泛的飞行器有：固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低?。 本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，讲解四轴飞行器的原理和用到的算法，并对几种姿态算法进行比较。 2.飞行器的构成 四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。比起其他类型的飞行器，四轴飞行器的硬件比较简单，而把系统的复杂性转移到软件上，所以本文的主要内容是软件的实现。? .硬件构成? 飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 机械构成? 机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是碳纤维材料的机架。电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的正方形，正桨反桨交错安装。 CA D设计机架如图： 整体如图2-1： 电气构成 电气部分包括：控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心，上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。 电气连接如图2-2所示。 .软件构成
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：
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)，
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
动态系统建模实验——四旋翼仿真
动态系统建模（四旋翼飞行器仿真） 实验报告 院（系）名称大飞机班 学号ZY11DF120 学生姓名叶心宇 任课教师马耀飞 2011年 12月
四旋翼飞行器的建模与仿真 一、实验原理 I．四旋翼飞行器简介 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1-1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。 在图1-1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。 图1-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图 从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4 个旋翼的转速），这就意味
着被控量之间存在耦合关系。因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated ）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。 II ．飞行器受力分析及运动模型 （1）整体分析 如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为： ? 重力mg ，机体受到重力沿-Z w 方向 ? 四个旋翼旋转所产生的升力F i (i=1,2,3,4)，旋翼升力沿Z B 方向 ? 旋翼旋转会产生扭转力矩M i (i=1,2,3,4)， M i 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转 矢量相反。 图1-2 四旋翼飞行器受力分析 （2）电机模型 ? 力模型 2i F i F k ω= （1.1） 旋翼通过螺旋桨产生升力。 F k 是电机转动力系数，可取82 6.1110/N rpm -?， i ω为电机转速。 ? 力矩模型
烈火狂龙Mini四轴飞行器操作手册-安卓版 先感谢您选择烈火微型四轴，在准备试飞之前请仔细看完下面的相关重要信息，桨和护罩按图示来安装，注意：桨不能装错或装反，否则无法正常起飞。 本飞行器为Ｘ模式，此模式飞行更为灵活。更便于携带微型FPV或微型摄像机等设备，满足不同的需求。 如何正确安装桨叶，首先认识一下正反桨，如下图，顺时针转风向向下的为正桨；逆时针转，风向向下的为反桨。 逆时针转顺时针转 图一正反桨识别 选配护罩的网友，可以先安装护罩到电机上，过后不要急着把桨装上去，桨要对号入座，板子上面标有转向图，还有桨的安装要便于识别航向，我常把白色的如下图安装，飞行时只要记得白色的为机尾就好飞了。飞行器控制板上的电池插件对着自已就行，“烈火狂龙”字符那边为机头。飞行器安装好后如下图，
飞行器运动方向 图二飞行器正面 图三飞行器侧面
开机次序： 1、先固定Mini四轴飞行器背面的电池，插上电池接口，此时指示灯 全亮，飞控上面两个红色和绿色指示灯闪烁，在闪烁完成之前，将飞行器置于水平地面上，初始化结束后，飞控上面红色指示灯常亮，绿色指示灯为通讯状态指示，有无线连接时亮。蓝色指示灯为蓝牙状态指示，闪烁时表明没有与手机连接，常亮时表明已与手机连接，直接在安卓界面就可以控制飞行器进入起飞状态。 2、安装并打开APP 手机要求：android2.2以上操作系统、需要取得root权限、手机带重力感应、带蓝牙。 打开APP后，主界面如下图： 3、点击连接按钮，开启蓝牙并扫描设备
4、找到设备，FIRE DRAGON ,点击设备进行蓝牙配对，配对密码为： 1234
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。
基于stm32设计的四轴飞行器 引言 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，与普通的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，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。因此四旋翼飞行器具有广阔的应用前景，吸引了众多科研人员，成为国内外新的研究热点。 本设计主要通过利用惯性测量单元（IMU）姿态获取技术、PID电机控制算法、2.4G无线遥控通信技术和高速空心杯直流电机驱动技术来实现简易的四轴方案。整个系统的设计包括飞控部分和遥控部分，飞控部分采用机架和控制核心部分一体设计增加系统稳定性，遥控部分采用模拟摇杆操作输入使操作体验极佳，两部分之间的通信采用2.4G无线模块保证数据稳定传输。飞行控制板采用高速单片机STM32作为处理器，采用含有三轴陀螺仪、三轴加速度计的运动传感器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，最终根据PID控制算法通过PWM方式驱动空心杯电机来达到遥控目标。 1、系统总体设计 系统硬件的设计主要分要遥控板和飞控板两个部分，遥控板采用常见羊角把游戏手柄的外形设计，控制输入采用四向摇杆，无线数据传输采用2.4G无线模块。飞控板采用控制处理核心和机架一体的设计即处理器和电机都集成在同一个电路板上，采用常规尺寸能够采用普通玩具的配件。系统软件的设计同样包括遥控板和飞控板两部分的工作，遥控板软件的设计主要包括ADC的采集和数据的无线发送。飞控板的软件的设计主要包括无线数据的接收，自身姿态的实时结算，电机PID增量的计算和电机的驱动。整个四轴飞行器系统包括人员操作遥控端和飞行器控制端，遥控端主控制器STM32通过ADC外设对摇杆数据进行采集，把采集到的数据通过2.4G无线通信模块发送至飞控端。飞控板的主要工作就是通过无线模块进行控制信号的接收，并且利用惯性测量单元获得实时系统加速度和角速度原始数据，并且最终解算出当前的系统姿态，然后根据遥控板发送的目标姿态和当姿态差计算出PID电机增量，然后通过PWM驱动电机进行系统调整来实现飞行器的稳定飞行。系统的总体设计框图如图1所示。
基于动力学模型的小型直升机控制研究 学生姓名：戴德松 班级：F0802004 学号：5080209100 指导老师：李劲松
摘要 微小型四旋翼无人直升机是一种外型新颖、性能卓越的垂直起降无人机，具有重要的军事和民用价值。本文主要讨论四旋翼小型无人直升机的建模与仿真。首先介绍小型无人机的历史、发展、特点和作用。其次对四旋翼小型无人直升机建立模型，进行物理分析，列出微分方程并线性化，得到四旋翼小型无人直升机系统的传递函数和状态空间方程。并用Matlab的Simulink仿真软件包测试各种算法对本系统的稳态和动态响应参数。考察各种算法下的系统的鲁棒性，快速性等性能并确定最优算法。最后讨论了自适应逆控制算法的可行性。 关键词：小型四旋翼直升机、建模、PID、自适应 ABSTRACT KEY WORDS：Mini quad rotor, Modeling, PID，adaptive filter Mini quad rotor is an excellent, novel vertical take-off and landing Unmanned Aerial Vehicle(UA V) for both military and civilian usages. This paper mainly investigates the Small Scale Helicopter system. First, it introduced the system to the reader about its history, development, character and why we should investigate this system. Second, it establishes the physics model for the system and use Laplace transform and state space formula to describe it. Then, use Matlab as a tool, we stimulate the response of the angle to the force when apply different methods and signals. At last, we apply adaptive filter into this system as an experiment.