四旋翼微型飞行器设计

四旋翼飞行器设计飞行器设计小组组员：李阳，张响，马具彪，袁学松指导老师：李培目录一四旋翼飞行器的发展背景 (3)二四旋翼飞行器结构 (4)三工作原理 (6)1 四旋翼飞行器工作原理概述 (6)2四旋翼飞行器运动状态 (6)四零件数据详情 (12)五外观设计 (14)六内部设计 ............................................................错误！未定义书签。

七四翼飞行器组装基本步骤 . (19)八特点及其应用 (23)1.飞行器的功能特点 (23)2.飞行器的运用 (23)3.未来前景 (23)九参考文献 (24)一四旋翼飞行器的发展背景四旋翼飞行器属飞行器的一种，属于人工智能与自动化机器的一种。

在当今社会中，因体积小，功能多，而广泛使用。

但由于构造复杂不易操作等原因，四旋翼飞行器的发展一直比较缓慢。

近年来，由于新型材料、飞控技术的发展，微型四旋翼飞行器的发展非常迅速。

南京航空航天大学研究出飞行器理论和数学建模，模糊控制等技术，促进了我国飞行器的发展。

北京航空航天大学自主掌握共轴双翼机的自主控制与研发工作。

浙江大学，清华大学研究出，机载GPS和数学建模机器人视觉。

在国家的指导与鼓励下，很多所高校，积极响应，促进了我国四旋翼飞行器的发展。

国外已经对四旋翼飞行器做了大量研究，起步比国内早很多。

在导航，自主飞行技术等方面领先国内。

国外已经把飞行器广泛运用在军事勘察，工业监测，农业预防等多方面。

二四旋翼飞行器结构四旋翼飞行器共有四个翼，均匀分布在前后左右，且四旋翼均在同平面内，左右上下完全对称。

每个旋翼下都附有一个发动机，以提供动力。

在飞行器的中心是一个飞行控制器，来控制飞行器的速度和方向。

结构形式以及三视图如图1.1、图1.2所示。

图1.1四旋翼飞行器结构图主视图俯视图图1.2四旋翼飞行器三视图三工作原理飞行器是通过调节四个电机转速来改变机翼转速，实现升降的变化，进而控制飞行器的姿态。

小型四旋翼低空无人飞行器综合设计小型四旋翼低空无人飞行器综合设计一、引言近年来，随着科技的不断发展，无人飞行器成为了航空领域的热门研究课题。

小型四旋翼低空无人飞行器因其灵活性和机动性而备受关注。

本文旨在综合设计一种小型四旋翼低空无人飞行器，并对其关键设计问题进行探讨。

二、设计目标本次设计的小型四旋翼低空无人飞行器的设计目标如下：1. 具备良好的悬停稳定性，能够在低空进行稳定的悬停飞行；2. 具备较高的操控能力，能够完成复杂的机动动作；3. 具备一定的荷载能力，能够搭载各种传感器或设备，以实现不同应用场景的需求；4. 具备良好的安全性，能够应对紧急情况并自动返航。

三、机构设计1. 旋翼设计：选择合适的旋翼叶片尺寸、扭矩和旋翼转速，以实现所需的升力和推力，并保证飞行器的稳定性和机动性。

2. 机身设计：考虑到飞行器的结构强度和重量的平衡，使用轻质且强度高的材料，以实现飞行器的结构刚度和稳定性。

3. 电机设计：根据所需的推力和转速要求，选择合适的电机，并配置相应的驱动和控制系统。

四、控制系统设计1. 姿态控制：采用惯性测量单元（IMU）获取飞行器的姿态信息，通过PID控制算法实现稳定的悬停飞行和精确的操控。

2. 导航系统：利用全球定位系统（GPS）和陀螺仪传感器获取飞行器的位置和速度信息，实现精确的导航和定位。

3. 通信系统：设计一套可靠的数据传输系统，将飞行器采集到的数据传输到地面控制器，并接收指令以实现远程操控。

4. 紧急情况处理：设计一套自主判断机制，当飞行器遇到故障或紧急情况时，能够自动触发返航程序，确保飞行器的安全。

五、能源系统设计1. 电源选择：根据需求选择合适的电池类型和容量，以提供飞行器所需的电力。

2. 能效优化：通过优化电机和电子元件的功耗，减少能源的消耗，延长飞行器的续航时间。

3. 充电系统：设计一套快速充电系统，以提高电池的充电效率和充电速度，减少充电时间。

六、飞行器性能测试设计完成后，对飞行器进行性能测试，验证其实际飞行性能和稳定性。

基于STM32的四旋翼飞行器设计四旋翼无人机是一种多轴飞行器，由四个电机驱动四个旋翼产生升力来进行飞行。

它具有简单结构、灵活机动、携带能力强等特点，被广泛应用于航空航天、电力、农业、测绘和娱乐等领域。

本文将基于STM32微控制器，设计一个基本的四旋翼飞行器。

首先，我们需要选用一款合适的STM32微控制器作为核心控制单元。

根据不同需求，可以选择不同型号的STM32芯片。

需要考虑的因素包括处理器性能、输入输出接口、通信接口等。

接下来，我们需要选用合适的电机和电调。

电机和电调是四旋翼飞行器的动力系统，直接影响飞行器的性能。

选择电机时需要考虑电机功率、转速、扭矩等参数。

而选择合适的电调则需要考虑电流容量、控制方式等因素。

四旋翼飞行器还需要传感器来获取飞行状态和环境信息。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计和气压计等。

这些传感器将实时提供飞行器的姿态、加速度、地理位置和气压等数据，用于飞行控制。

在飞行控制方面，我们需要实现飞行器稳定的控制算法。

PID控制器是常用的控制算法之一，通过调节电机转速来控制飞行器的姿态。

PID控制器的参数需要根据实际情况进行调整，以实现稳定的飞行。

此外，四旋翼飞行器还需要通信功能，以便与地面站进行数据传输。

常见的通信方式有蓝牙、Wi-Fi和无线电调制解调器等。

通信功能可以实现飞行器的遥控和数据传输，使飞行器具备更广阔的应用空间。

最后，为了实现全自动飞行，还可以加入GPS导航系统和图像处理系统。

GPS导航系统可以提供精准的飞行位置和速度信息，通过编程实现预设航点飞行。

图像处理系统可以通过摄像头获取实时图像，并进行目标识别和跟踪，实现智能飞行等功能。

综上所述，基于STM32的四旋翼飞行器设计需要考虑微控制器选型、电机电调选择、传感器使用、飞行控制算法、通信功能等方面。

通过合理的设计和编程，可以实现一个功能齐全、性能稳定的四旋翼飞行器。

10 | 电子制作 2019年02-03月用“正反桨”，1号和4号电机作为“正桨”，顺时针旋转提供向上的升力，2号和3号电机作为“反桨”，逆时针旋转提供向上升力。

本文设计了一款结构简单、性能卓越，基于遥控器控制和手机APP 两种控制模式的四旋翼飞行器。

图1 四旋翼飞行器飞行模式图1 硬件模块四旋翼飞行器包括姿态检测单元、处理器、电机驱动等模块。

以低功耗MSP430F5529微处理器为系统控制器，陀螺仪ITG3205、加速度计ADXL345等作姿态检测，以2.4GHz 频段的无线通信方式进行遥控，总体设计框图如图2所示。

动，而内部线圈固定，在扭力，和转速等上具有优越的性能，每个电机都需要电调驱动。

调制信号为50Hz 的PWM 波，其占空比范围是0~100%。

微型飞行器体积小，重量轻。

采用有刷电机（空心杯电机），MOS 管驱动，具有以下优良特性：（1）能效高：能量转换效率很高，一般在70%以上。

（2）启动快：启动极快，一般小于28ms，好的产品甚至可以达到10ms 以内。

（3）其他：运行稳定，转速波动小，重量轻等。

MOS 管驱动的原理是：当输入端是高电平时，MOS 管导通、电机转动；当输入是低电平时MOS 管截止、电机停止旋转，所以PWM 信号的占空比可以调节电机的转速。

■1.2 控制器模块飞行控制以MSP430F5529为控制器，通过对姿态检测单元（陀螺仪、加速度计、磁力计）数据分析，确定飞行姿态。

调节PWM 波的占空比实现对电机的转速的控制，进而控制飞行器。

MSP430F5529单片机在性能和功耗方面取得了较大的突破，低功耗是其最大的特点，主频频率最高可达25MHz。

飞行器通常有两种模式如图1所示，“十”模式和“×”模式。

因较于“十”模式，“×”模式控制更加灵活，因此采用“×”模式。

姿态检测模块包括三轴陀螺仪ITG3205、加速度计ADXL345、磁力计MAG3110。

微型四旋翼控制系统设计0 前言无人飞行器（UAV）自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如：侦察与营救任务，科学数据收集，地质、林业勘探，农业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等。

通过无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。

无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。

而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。

由国际无人运输系统协会(International Association for Unmanned Vehicle Systems）组织的一年一度的国际空中机器人竞赛(International Aerial Robotics Competition),为自主旋翼式飞行器的应用潜力研究提供了一个很好的展示平台。

该竞赛吸引了来自全世界不同国家研究团队的参与，来完成预先设定的自主飞行任务。

在无人飞行器自主飞行的众多技术当中，飞行器自主飞行控制算法的设计一直是控制领域众多研究者最关心的问题之一。

经典的控制策略在飞行器系统的某个特定作用点上往往首先将系统模型线性化，然后在此基础上运用经典控制理论对系统进行分析和控制，控制精度和控制能力偏弱。

相比之下，运用现代非线性控制理论设计的控制算法，其性能明显优于经典控制算法。

小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制，且飞行机动能力更加灵活。

另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有在小区域范围内起飞，盘旋，飞行，着陆的能力。

飞行器可以飞至离目标更近的区域，而不像传统直升机由于其巨大的单旋翼而不能近距离靠近目标。

同时，小型四旋翼飞行器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。

摘要小型四旋翼无人飞行器由于具有精确悬停、垂直起降以及机械结构简单等特点，已经成为众多研究机构的研究热点，无论是在军事领域，还是在民用领域，四旋翼无人机都有着广泛的应用。

由于四旋翼无人飞行器是一个具有6自由度和4个控制输入的欠驱动系统，其数学模型具有强耦合、非线性、多变量等特点，以及建模不精确和外部干扰等不确定因素，均使得飞行控制复杂化。

因此本文以反步法为基础，结合不同策略，研究与设计了四旋翼飞行器的控制系统，并利用仿真实验验证与分析了所设计系统的飞行性能。

首先，将四旋翼无人飞行器看作刚体，选取合适的坐标系，分析了四旋翼无人飞行器空气动力学特性和飞行原理，在此基础上，推导并建立四旋翼飞行器的数学模型。

其次，在不考虑不确定因素的情况下，详细分析了基于反步法的四旋翼无人飞行器飞行控制系统的设计。

设计过程中，将四旋翼的控制系统结构分为位置环路和姿态环路分别进行设计。

接着，针对飞行器姿态环路存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和RBF神经网络的控制策略。

利用RBF神经网络对任意非线性连续函数具有逼近的特点，在控制系统设计过程中在线估计出复合干扰，同时对于逼近误差进行了补偿。

最后，针对在位置和姿态环路均存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和ESO的控制策略。

为避免反步设计过程中出现“微分爆炸”现象，提出了动态面策略，以及为提高系统鲁棒性，采用了滑模面；为减轻控制系统的复杂计算，对于系统中出现的复合干扰项，提出了ESO方法对其在线实时估计，并在控制律设计中实时补偿。

关键词：四旋翼无人飞行器，反步法，RBF神经网络，扩张状态观测器，复合干扰，轨迹跟踪ABSTRACTDue to its advantages such as precise hovering, vertical taking off and landing (VTOL), and simple mechanical structure, the quadrotor unmanned aerial vehicle(UA V) has become hotspot in the unmanned aerial vehicle area, and whether in the military field or in the field of civil, the vehicle has been widely used. The vehicle is a typical uneractuated system, and it has six degrees of freedom and four control input. The mathematical model has the characteristics of strong coupling, nonlinear, multivariable, and modeling imprecision and uncertainty factors such as external disturbance, are complicated flight control. So this paper adopts control method based on the backstepping to study and design the flight control system of the vehicle and through the simulation to the control system analysis and verification.Firstly, this paper takes the vehicle as a rigid body, selects the appropriate coordinate system, and analyzes the aerodynamic characteristic and the flying principle. On this basis, the mathematical model of the vehicle is derivated and established.Secondly, without considering various uncertain factors, this paper introduces in detail the flight control system design based on the backstepping. In the design process, the whole control structure can be divided into position loop control and attitude loop to design respectively.Thirdly, for the aircraft attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. Using the characteristic of the RBFNN to approximate arbitrary nonlinear continuous function to estimate the compound disturbance online and compensate the approximation error. The controller can guarantee the vehicle to track the desired trajectory.Finally, for the position loop and attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. For avoiding the complex calculation, the interference is observed by ESO online and the algorithm composites the interference in the control law. For avoiding the problem of “explosion of terms” in backstepping control and improving the robust, the dynamic surface control method and the sliding mode surface are applied to design the controller.KEY WORDS：Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle, Backstepping, Netural Network, Extended State Observer, Compound Interference, Trajectory Tracking目录摘要 (I)ABSTRACT .................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1 论文的研究背景与意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状 (2)1.2.1 四旋翼飞行器的应用研究现状 (2)1.2.2 四旋翼飞行器的控制算法研究现状 (8)1.3 论文主要内容与论文结构 (9)第2章小型四旋翼无人飞行器的建模 (11)2.1 四旋翼飞行器的机体结构和飞行原理 (11)2.1.1 四旋翼飞行器的机体结构 (11)2.1.2 四旋翼飞行器的飞行原理 (12)2.2 四旋翼飞行器的数学模型 (12)2.2.1 坐标系分析 (13)2.2.2 四旋翼飞行器的空气动力和力矩分析 (14)2.2.3 四旋翼飞行器的位置子系统模型 (15)2.2.4 四旋翼飞行器的姿态子系统模型 (15)2.3 本章小结 (16)第3章基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (17)3.1 反步法基本概念 (17)3.1.1 李雅普诺夫稳定性 (17)3.1.2 反步法及其稳定性 (18)3.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (20)3.2.1 姿态回路控制律设计 (22)3.2.2 位置回路控制律设计 (23)3.3 仿真分析 (24)3.4 本章小结 (27)第4章基于反步法和RBFNN的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (29)4.1 RBF神经网络基本概念 (29)4.1.1 RBF神经网络结构 (30)4.1.2 RBF神经网络的逼近 (31)4.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (32)4.2.1 位置环路控制律设计 (34)4.2.2 姿态环路控制律设计 (35)4.3 仿真分析 (38)4.4 本章小结 (40)第5章基于反步法和ESO的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (43)5.1 扩张状态观测器(ESO)以及相关基础知识 (44)5.1.1 ESO的设计及其误差有界性分析 (44)5.1.2 动态面策略 (46)5.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (47)5.2.1 位置环路控制律设计 (48)5.2.2 姿态环路控制律设计 (49)5.3 仿真分析 (52)5.4 本章小结 (55)第6章总结与展望 (57)6.1 论文总结 (57)6.2 论文展望 (58)参考文献 (59)发表论文和科研情况说明 (63)致谢 (65)第1章绪论第1章绪论在本章中首先简单描述了四旋翼无人飞行器的研究背景和意义，其次简单介绍了四旋翼无人机的发展历程以及目前的发展现状，最后概述了本论文的内容安排和论文的结构安排。

四旋翼飞行器的设计查重98%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。

基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现共3篇基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现1基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现四旋翼飞行器可以说是近年来无人机发展的代表，其在农业、环保、救援等领域的应用越来越广泛。

本文将介绍基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现，着重讲解硬件设计和程序开发两个方面的内容。

一、硬件设计1、传感器模块四旋翼飞行器需要各种传感器模块来获取飞行状态参数，包括加速度计、陀螺仪、罗盘、气压计等。

其中，加速度计和陀螺仪通常被集成在同一个模块中，可以采用MPU6050或MPU9250这种集成传感器的模块。

气压计则可以选择标准的BMP180或BMP280。

罗盘的选型需要考虑到干扰抗性和精度，常用HMC5883L或QMC5883L。

2、电机驱动四旋翼飞行器需要四个电机来驱动，常用的电机是直流无刷电机。

由于电机电压较高，需要使用电机驱动模块进行驱动。

常用的电机驱动模块有L298N和TB6612FNG等。

3、遥控器模块飞行器的遥控器模块通常由一个发射器和一个接收器组成。

发射器采用2.4G无线传输技术，可以通过遥控器上的摇杆控制飞行器，遥控器还可以设置飞行器的航向、高度等参数。

接收器接收发射器传来的信号，必须与飞行器的控制系统进行通信。

4、飞行控制器飞行控制器是飞行器的核心部分，它通过传感器模块获取飞行状态参数，再结合遥控器模块传来的控制信号，计算出飞行控制指令，驱动电机模块控制飞行器的不同动作。

常用的飞行控制器有Naze32、CC3D、Apm等，本文将采用开源的Betaflight飞行控制器。

二、程序开发1、Betaflight固件烧录Betaflight是一款基于Cleanflight的开源固件，它具有良好的稳定性和强大的功能。

将Betaflight固件烧录到飞行控制器中需要使用ST-Link V2工具，同时需要在Betaflight Configurator中进行配置，包括传感器矫正、PID参数调整、遥控器校准等。

微型四旋翼无人机控制系统设计与实现微型四旋翼无人机控制系统设计与实现一、引言随着无人机技术的快速发展，微型四旋翼无人机因其体积小、机动性强、操作简单等特点而备受关注。

本文将介绍微型四旋翼无人机的控制系统设计与实现，包括硬件结构设计、飞行控制算法、遥控器与无人机的通信以及飞行状态监测等方面的内容。

二、硬件设计微型四旋翼无人机的硬件结构由四个电机和相应的螺旋桨组成，同时还包括飞控、电池、传感器和通信模块等。

电机通过螺旋桨产生推力，控制无人机的飞行方向和姿态。

飞控是无人机的大脑，通过接受传感器数据并进行计算，控制电机输出相应的信号以实现飞行任务。

虽然整个系统设计较为复杂，但由于无人机体积小，所以硬件结构相对较简单。

三、飞行控制算法微型四旋翼无人机的飞行控制算法通常包括姿态控制和高度控制两部分。

姿态控制通过测量无人机的姿态角度，并计算出所需的姿态角度偏差，然后通过PID控制器调整电机的转速，从而实现姿态的稳定控制。

在姿态控制的基础上，高度控制通过测量无人机的高度，并计算出所需的高度偏差，然后通过PID控制器控制推力大小来调整飞行高度。

四、遥控器与无人机的通信遥控器是无人机和操作员之间的重要媒介，通过遥控器操作，操作员可以实现对无人机的遥控飞行。

遥控器通过无线通信方式与无人机进行数据的传输，包括指令的发送和无人机状态的接收。

在通信方面，常用的方式有无线电通信和蓝牙通信，通过指令的传输和接收，操作员可以实时了解无人机的状态，从而对无人机进行精确的操作和控制。

五、飞行状态监测飞行状态监测是无人机飞行过程中的重要环节，通过监测无人机的各项指标来实时反馈无人机的飞行状态。

常见的监测指标包括无人机的姿态角度、高度、速度、电池电量等，这些指标可以通过传感器的测量得到。

操作员通过监测无人机的飞行状态，可以及时调整飞行控制算法参数，以确保无人机的顺利飞行。

六、结论通过本文的介绍，我们对微型四旋翼无人机的控制系统设计与实现有了初步的了解。

四旋翼飞行器的设计查重98%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。

四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计首先，在硬件电路设计中，关键是选择合适的传感器。

常用的传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计等。

加速度计用于测量飞行器的线性加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量飞行器的方向。

这些传感器需要与处理器进行接口连接，并能够提供准确的数据。

因此，在硬件电路设计中，需要选取高性能的传感器，同时设计稳定可靠的电路板。

其次，处理器是控制系统的核心。

处理器的选择应综合考虑性能、功耗和成本等因素。

常用的处理器有单片机和微处理器。

单片机适用于简单的控制任务，如姿态控制和飞行模式切换等。

而微处理器适用于复杂的控制任务，如路线规划和数据处理等。

在硬件电路设计中，处理器需要与传感器和电调进行接口连接，并能够高效地处理控制指令。

此外，处理器还需要具备足够的计算能力和存储空间，以便实现飞行控制算法和数据记录功能。

电调是控制电机转速的关键组件。

通常，四旋翼飞行器需要四个电调以控制四个电机的转速。

电调需要接收处理器发送的PWM信号，并将其转换为适当的电机转速。

在硬件电路设计中，电调需要具备快速响应的能力，并能够输出稳定的PWM信号。

此外，电调还需要有适当的保护机制，以避免过载和短路等故障。

最后，电机是驱动飞行器旋转的关键组件。

电机的选择应综合考虑功率和效率等因素。

常用的电机有无刷电机和有刷电机。

无刷电机具有高效率和长寿命等优点，因此在硬件电路设计中通常选择无刷电机。

电机需要与电调进行接口连接，并能够输出适当的推力。

此外，电机还需要具备足够的扭矩和转速范围，以应对不同的飞行任务。

总之，四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计涉及多个组件的选择和接口设计等方面。

在设计过程中，需要综合考虑传感器、处理器、电调和电机等因素，以实现飞行器的控制能力和飞行稳定性。

[摘要]本文对微型四旋翼飞行器自平衡算法进行研究，详细分析了应用互补滤波器，进行信号处理的思路和参数整定过程，应用滤波后的数据，进行飞行器姿态角度融合，解算出飞行器实时的俯仰角、翻滚角、偏航角。

在解算出飞行姿态角度的基础上应用PID算法控制四旋翼飞行器进行自平衡悬停及相关的运动姿态控制。

硬件上，采用STM32F103作为微控制器，以MPU6050作为四旋翼飞行器姿态传感器件，通过AO3402MOS管驱动四个空心杯电机改变飞行器姿态，设计结果是能准确测量飞行器姿态并将测量角度输出给相应坐标的电机，进行姿态调整。

本文将从硬件、软件初始化、控制算法及调试等几个篇幅详细展示整个微型四旋翼飞行器的制作过程。

[关键词] 微型四旋翼飞行器；互补滤波算法；PD控制算法；STM32F103;自平衡Abstract: This paper is a research about algorithm of Quadrotor Micro-aircraft Self-balancing. It will detailed analysis the idea about using Complementary filter deal with the digital signals and how to set the paramerers. Using the data after filtering for fusing of Quadrotor attitude Angle and calculating the Quadrotor Micro-aircraft Pitch angle, Roll angle and Yaw angle. On the basis of flying-Angle using PID algorithm controlling Quadrotor Micro-aircraft achieves the self-balancing hovering and relating motion control. Hardware uses STM32F103 as micro controller, with MPU6050 as attitude sensor of Quadrotor Micro-aircraft, through AO3402MOS tube driving four hollow cup motor to change the spacecraft attitude. The design result can accurately measure spacecraft attitude and output the measuring Angle to the corresponding coordinates of the motor and realize the attitude adjustment. This article will show the whole production process of the Quadrotor Micro-aircraft in detail from the hardware, software, the initialization, control algorithm, debug and so on.Key words: Micro four rotor aircraft;Complementary filter;PD control algorithm; STM32F103;Self-balancing目录1 绪论 (1)1.1 本课题的研究意义及必要性 (1)1.2 相关领域国内外研究现状及发展趋势 (1)1.3论文篇幅简介 (3)2 四旋翼飞行器系统分析 (4)2.1系统基本原理 (4)2.2系统功能要求 (5)2.3 系统可行性分析 (5)3 四旋翼飞行器总体设计 (7)3.1 功能模块划分 (7)3.2 系统模块设计图 (7)3.3 系统流程图 (8)3.4 开发工具和开发框架介绍 (8)3.4.1 Altium Designer 6.9介绍 (8)3.4.2 Keil for ARM介绍 (9)3.4.3 Serial_Digital_Scope V2介绍 (9)4 四旋翼飞行器详细方案设计 (10)4.1 硬件模块的功能及设计 (10)4.1.1 最小系统板STM32F103模块 (10)4.1.2 低压差电源模块 (11)4.1.3 倾角传感器模块 (11)4.1.4 空心杯电机驱动模块 (12)4.1.5 NRF24L01无线模块 (12)4.2 驱动程序功能及设计 (13)4.2.1 最小系统板初始化 (13)4.2.2 MPU6050初始化 (13)4.2.3 NRF24L01初始化 (13)4.2.4 空心杯电机驱动初始化 (14)5 四旋翼飞行器控制算法实现 (16)5.1角度及角速度数据处理算法 (16)5.1.1 互补滤波器可行性分析 (16)5.1.2 互补滤波器算法软件实现 (17)5.2姿态控制算法 (17)5.2.1 PID控制算法可行性分析 (17)5.2.2 PID控制算法软件实现 (18)5.2.3 多维度控制量输出融合算法 (19)6 四旋翼飞行器综合调试 (20)6.1基本功能实现 (20)6.1.1 姿态角度数据采集功能 (20)6.1.2 四旋翼飞行器遥控功能 (21)6.1.3 电机多维度矢量输出功能 (21)6.2高级功能实现 (22)6.2.1 姿态角度数据融合功能 (22)6.2.2 四旋翼飞行器自平衡飞行功能 (23)结束语 (24)致谢 (25)参考文献 (26)附录A 部分代码 (27)1 绪论1.1 本课题的研究意义及必要性信息时代，微电子技术及惯性传感器件的不断进步，使自平衡算法实现成为可能。

四旋翼飞行器设计方案四旋翼飞行器设计方案一、项目背景为了满足近年来快递、悬停摄影、新闻采集等领域对于无人机需求的不断增加，我们设计了一款四旋翼飞行器。

该飞行器具有稳定、灵活、高效的特点，可广泛应用于各种领域。

二、设计要求1. 飞行器稳定性要求高，能够在不同天气和环境条件下稳定飞行2. 飞行器的机动性要好，能够完成各种复杂动作3. 飞行器具有自主导航、避障和悬停等功能4. 飞行器的载荷能力要较强，能够携带相机等设备进行悬停摄影和新闻采集5. 飞行器的续航能力要长，能够在一次充电之后持续飞行时间较长三、设计方案1. 结构设计：a. 飞行器采用四旋翼结构，旋翼通过电机、螺旋桨和转子连接器连接。

b. 飞行器机体由轻质材料制成，以减轻整体重量。

c. 飞行器具有折叠设计，方便携带和存放。

2. 稳定性设计：a. 飞行器配备三轴陀螺仪和加速度计，能够实时感知飞行姿态，保持平稳飞行。

b. 飞行器的旋翼具有可调节桨叶角度的功能，能够在飞行时根据需要调整旋翼的角度，提高飞行稳定性。

3. 机动性设计：a. 飞行器的旋翼速度可调节，能够实现前进、后退、上升、下降、转弯等各种动作。

b. 飞行器配备高精度数传遥控系统，能够精确控制飞行器的动作，保证飞行器的机动性。

4. 功能设计：a. 飞行器配备GPS导航系统，能够实现自主导航功能，能够根据预设的路径自动飞行。

b. 飞行器配备避障传感器，能够感知前方障碍物，自动避开，确保安全飞行。

c. 飞行器具有悬停功能，能够在空中静止悬停，保持稳定飞行。

5. 载荷能力设计：a. 飞行器结构坚固，能够承载相机等设备进行悬停摄影和新闻采集。

b. 飞行器具有电池可更换设计，能够根据需要调整电池数量，提高载荷能力。

6. 续航能力设计：a. 飞行器采用高效能源管理系统，能够在一次充电之后持续飞行时间较长。

b. 飞行器具有低能耗设计，能够减少能源消耗，延长飞行时间。

四、总结通过以上设计方案，我们设计出了一款稳定、灵活、高效的四旋翼飞行器。

直径，将整体硬质合金刀具的切削能力发挥极致。

再结合MachineDNA 反馈回来的机床参数，对程序进行优化处理。

因此，使用Vortex 旋风铣与MachineDNA系统编制出的NC 程序，可将CAM 软件、刀具和机床三者的潜能最大限度地释放，使加工效率与质量得到较大的提升，解决传统不锈钢深腔加工所没法实现的技术瓶颈。

参考文献[1]余靖华.“Vortex 旋风铣系统及其应用分析”[J].机电信息，2015（18）.[2]翟万略.数控加工新技术MachineDNA 应用探讨[J].CAD/CAM 与制造业信息化，2014(1).图1Vortex 旋风铣削刀路与最终切削零件图1四旋翼发展现状1.1四旋翼的简介不同于平时乘坐的波音客机与常见的战斗机等固定翼飞机，四旋翼飞行器是一种不稳定，欠驱动的飞行系统，四旋翼飞行器在启动后无法像固定翼飞机一样自动对抗气流干扰，同时由于四旋翼飞行器的四个螺旋桨只能提供向上的升力，所以四旋翼飞行器如果在升空后不加以控制，只需一阵风就可以吹翻飞行器。

1.2四旋翼的发展历史及发展现状由于四旋翼飞行器的不稳定性与欠驱动性[1]，四旋翼通常需要搭载姿态控制模块用于实时控制当前的飞行姿态，防止失控的发生，同时也必须搭载惯性导航系统用于提供飞行器当前的姿态信息。

然而在20世纪，陀螺仪的体积普遍过大，直到20世纪90年代后，出现了几克重的MEMS （微机电系统，Micro -Electro -Mechanical System ）惯性导航系统[2]，四旋翼的姿态控制问题才有了初步的发展。

在MEMS 惯性导航芯片出现后，由于其传出数据的杂波与干扰较大，人们又花了大量时间研究惯性导航的算法，然而复杂的算法就对机载微处理器的运算速度提出了要求，于是直到2005年前后，四旋翼飞行器才正式问世。

如今，四旋翼技术已经十分成熟，也逐渐开始了商业化，在航空拍摄、地质探测等领域发挥了极其重要的作用。

2经济化与小体积化设计原则2.1常见四旋翼飞行器的重量比较2.1.1商业公司成品四旋翼飞行器目前商业公司的成品四旋翼飞行器根据其功能不同，体积也大小不一，通常最常见的航拍型飞行器重量在1kg 以上，而目前的大型多旋翼飞行器更可以重达5kg ，较大的体积会对电机的转速提出更多的要求，加快电池的消耗，同时也会增大电池的体积。