四旋翼飞行器发展历程

第十一届中国研究生电子设计竞赛

技术论文

论文题目：

基于stm32的四旋翼飞行器设计

Design of Quadrotor Aircraft Based on STM32

参赛单位：南京信息工程大学

队伍名称：we are 伐木累

指导老师：行鸿雁

参赛队员：张兰 戴学飞 钱坤

完成时间：2016.6.18

第十一届中国研究生电子设计竞赛

基于STM32的四旋翼飞行器系统设计

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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

第十一届中国研究生电子设计竞赛

基于STM32的四旋翼飞行器系统设计

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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

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。

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四旋翼飞行器的设计

作者：曾志刚 黄望军 陈云峰 朱绪军

来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期

摘 要

军用领域与民用领域应用需求的提升，使得四旋翼飞行器出现并得以发展。在满足自主设计的同时，构建四旋翼飞行器的动力学模型，并在硬件搭建与软件设计的基础之上，对四旋翼飞行器进行设计，通过PID控制算法的作用下，进行仿真实验与实物设计图展示。

【关键词】四旋翼飞行器 硬件设计 飞行控制

四旋翼飞行器凭借着垂直升降、悬停、快速变相以及姿态转变等飞行器特性，能够应对极端的恶劣飞行状况。并且在当前的实践研究领域，已经被广泛的应用在情报侦察、灾情监测以及航拍等相关领域。飞行控制技术的快速发展，使得四旋翼飞行器逐渐得到重视，对该飞行器的设计实验也并不少见。此次基于模型构建的基础之上，提高四旋翼飞行器的稳定性。

1 模型建立

四旋翼飞行器的设计，在明确设计目标与设计需求之前，需要建立系统性的模型，通过模型的构建，进而确定整个飞行器的具体设计指标。在该飞行器的设计过程中，需要依据空气动力学的原理，基于Euler-Lagrange方程数值方法进行建模分析。通过坐标体系的构建，进而满足飞行原理以及飞行需求，为飞行器的平稳运行提供基础保障。在形成体坐标系的过程中，中心的坐标点为3个Euler角，分别包括滚转角、俯仰角θ以及偏航角ψ。关于具体飞行器坐标系如下图1所示：

图1：四旋翼飞行器坐标系

四旋翼飞行器的构成，需要依据动力性系统的设计要求与设计标准。在整个系统的构成要素中，主要包括电子调速器、螺旋桨以及无刷直流电机等。依据电压平衡方程，给出动力系统的模型，可表示为：

（公式1）

（公式2）

在公式当中：Jm是转动惯量，由电动机折合到电动机轴所产生转动惯量；ωm为电机转速；Mm属于电枢电流所产生的电磁转距；Mload属于电机负载转矩；fm为粘性摩擦系数，由于该负载较小，可以忽略不计； 龙源期刊网

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。