四轴飞行器设计概述

目录第一部分设计任务与调研 (1)1研究背景 (1)2毕业设计的主要任务 (1)第二部分设计说明 (2)1理论分析 (2)2设计方案 (6)2.1 微控制器的选择 (6)2.2 无线模块的选择 (7)2.3 其他模块图片 (9)第三部分设计成果 (10)第四部分结束语 (11)第五部分致谢 (12)第六部分参考文献 (13)第一部分设计任务与调研1研究背景四轴飞行器具备VTOL(Vertical Take-Off and Landing，垂直起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。

可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。

能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。

在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。

工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。

因此，四轴飞行器的研究意义重大。

2毕业设计的主要任务本设计基于Arduino平台的四轴飞行器，包括Arduino最小系统、传感器模块、供电模块、电机驱动模块、蓝牙通讯模块等部分组成。

通过Arduino最小系统采集各传感器模块的数据并进行分析，将处理结果送入电机驱动模块进行姿态调整，实现四轴平稳飞行，系统框图如下：图1 系统框图第二部分设计说明1理论分析设计一个基于Arduino开源硬件平台的最小系统板，采集传感器的数据，传递给主芯片，芯片通过具体算法得出数据调整翼动部分实现水平。

下面将分析一种常见的四轴飞行器姿态解算方法，Mahony的互补滤波法。

此法简单有效，先定义Kp，Ki，以及halfT 。

Kp，Ki，控制加速度计修正陀螺仪积分姿态的速度halfT ，姿态解算时间的一半。

此处解算姿态速度为500HZ，因此halfT 为0.001#define Kp 2.0f#define Ki 0.002f#define halfT 0.001f初始化四元数float q0 = 1, q1 = 0, q2 = 0, q3 = 0;定义姿态解算误差的积分float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0;以下为姿态解算函数。

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。

四轴飞行器的设计随着电子技术的快速发展，四轴飞行器被越来越多的人们喜欢和使用，特别是用于航拍和军事领域，在不久的将来必然也会应用于越来越多的其他领域。

文章设计一款基于STM32F103C8T6为主控系统的小型四轴飞行器，采用keil5为软件开发环境，用MPU6050芯片进行姿态采集，根据采集到的数据进行姿态分析，进而控制其稳定飞行。

标签：四轴飞行器；单片机；PID1 无人机的发展历史及意义无人飞行器是指具有动力装置，而不要求有专业操纵人员的飞行器。

它利用螺旋桨通过转动形成向地面的气流来抵消机身的质量，可实现独立飞行或者远程控制飞行。

相对于固定翼无人机，旋翼无人飞行器的发展就较为缓慢，这是因为旋翼无人飞行器的控制系统较为复杂，早期的技术不能满足飞行要求。

然而旋翼机具备所有飞机和固定翼无人机的优点，其成本低，结构简单，无大机翼的限制，具有自主起飞及下降功能，事故代价低等特点。

四轴飞行器是多旋翼飞行器中结构最简单的一种，由于其应用前景广泛，很快就吸引了众多研究者的注意，特别是以美国等西方国家为主的大学在无人机的控制算法研究以及导航等方面取得了不少成果。

在我国，北京理工大学在基于PID控制算法，姿態控制方面也取得一定的成果。

国防科技大学从2004年开始对四轴飞行器相关技术展开研究，并自主设计了四轴飞行器的原型样机。

但四轴飞行器真正的进入公众视野却是2012年2月，美国宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出四旋翼飞行器里程碑式的演讲[2]。

2 四轴飞行器的动力分析2.1 四轴飞行器的飞行模式四轴飞行器的飞行模式主要包括十字模式和X字模式两种，如图1所示。

十字模式下的飞行方向与其中一个电机的安装方向一致，而X模式下的四轴飞行器前进方向指向两个电机中间。

由于十字模式可以直接明了的分清四个电机在四轴飞行器飞行过程的作用，所以操纵简单，但动作灵活性差。

X模式飞行模式复杂，但动作灵活。

本次课题的四旋翼飞行器设计采用X模式。

四轴飞行器报告1. 前言四轴飞行器是一种无人机，由四个电动机驱动，具有稳定飞行的能力。

它在军事、民用及娱乐领域都有广泛的应用。

本报告将对四轴飞行器的结构、工作原理以及应用进行详细介绍。

2. 结构四轴飞行器主要由以下部件组成：•机架：提供了支撑和连接其他部件的框架结构，通常是以轻质材料如碳纤维制成。

•电动机：驱动飞行器飞行的关键部件，通常使用直流无刷电机。

•螺旋桨：由电动机驱动的旋转桨叶，用于产生升力和推力。

•电调：控制电动机的转速和方向，从而控制飞行器的姿态。

•飞控系统：负责接收和处理来自传感器的数据，计算飞行器的姿态和控制指令。

•电池：提供能量给电动机和其他电子设备。

3. 工作原理四轴飞行器的飞行原理基于牛顿第二定律。

通过调整四个电动机的转速和方向，可以控制飞行器的姿态和运动。

飞行器的姿态包括横滚、俯仰和偏航。

通过增加相对转速，可以产生横滚和俯仰的力矩，从而使飞行器向相应方向倾斜。

飞行器倾斜后，电动机产生的升力也会有所改变，使得飞行器能够前进、后退或悬停。

飞行器的稳定性是通过飞控系统来保证的。

飞控系统通过接收来自加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器的数据，计算飞行器的姿态和运动状态，并根据用户的控制输入调整电动机的转速和方向，以保持飞行器的稳定。

4. 应用四轴飞行器在军事、民用及娱乐领域都有广泛的应用。

在军事领域，四轴飞行器可以用于侦查、监视和目标跟踪。

由于其小型化、高机动性和隐蔽性，可以在不可接近的区域执行任务，提供重要的情报支持。

在民用领域，四轴飞行器可以用于航拍、物流和巡检等任务。

航拍业务能够提供高质量的航空影像，广泛用于地理信息和城市规划等领域。

同时，四轴飞行器还可以用于运送货物，解决最后一公里的配送问题。

此外，四轴飞行器还可以用于巡检任务，如电力线路、管道和建筑物的巡检，提高作业效率和安全性。

在娱乐领域，四轴飞行器常被用作遥控飞行器，供爱好者进行操控和竞赛。

爱好者可以通过多种方式定制飞行器的外观和性能，提升飞行器的性能和飞行体验。

无人四轴旋翼式飞行器模型的设计与制作摘要无人四轴旋翼式飞行器是一种结构新颖的无人飞行器，在航空拍摄、农业检测、灾害搜救和军事侦察等方面具有广阔的应用前景。

在分析四轴飞行器运动姿态基础上，以X型主体骨架为基本结构设计了飞行器，通过集中控制器飞行控制芯片及程序设计，调节四轴无刷电机运动，实现飞行器的升降、倾斜和旋转等各种运动，并介绍了制作方法和调试过程。

经过设计、制作和调试及试运行，飞行器运行稳定，基本达到了设计要求。

关键词四轴飞行器；姿态控制；飞行控制芯片；设计制作无人四轴旋翼式飞行器，简称四轴飞行器，是一种特殊的无人飞行器，具有体积小、成本低、飞行灵活、操作简单和应用领域广等优点[1]。

四轴飞行器主要是由四个对称布置的无刷电机为其提供竖直方面升力动力。

因其特殊的动力结构，所以它不需要专门的反扭矩来维持平衡。

随着现代控制理论与电子控制技术的发展，近年来小型无人驾驶回旋翼飞行器技术有了很大的进步，出现很多专业的四轴飞行器科研团队。

相关单位针对四轴飞行器开展了研究，取得了一定成果[2-4]。

本文在学习分析四轴飞行器基本原理和飞行姿态控制方法等基础上，设计和制作了一架无人四轴飞行器模型，介绍了基本设计、制作和调试方法。

1 四轴飞行器基本原理四轴飞行器结构骨架分为X形模式和十字形模式两种。

X模式结构方案示意图如图1所示。

飞行器主要结构包括轴翼、机身、飞行控制计算机（系统）和其他部分及附件等。

其中，轴翼主要功能是固定安放在机身的四个轴末端，包括螺旋桨、电机和附属固定部件等。

飞行控制计算机（系统）固定在四軸的中心，控制整个飞行器的运动姿态，其中包括主控制系统，遥控接收系统，电机调速系统等。

机身用于固定各种电子系统、电缆和附属件等。

其他部分及附件主要包括GPS和云台系统，用于实现对飞行器定位和高空拍摄等功能。

四轴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。

四轴飞行器有6个自由度，但只有四个输出力，所以它是一种欠驱系统。

四轴飞行器原理、设计与控制四轴飞行器设计与用途学院：广东白云技师学院专业：电子信息工程与电气技术（技师本科）制作学生：邹剑平指导老师：廖高灵四轴飞行器简介配置：单片机AVRATMEGA168PA三轴数字陀螺仪MPU—3050电机（无刷）XXD22121000KV电子调速器（无刷）好盈天行者40A螺旋桨1045电池格氏2200mAh11.1V25C机架DIY机架材料玻璃纤维铝合金四轴飞行器飞行原理重心的距离相等,当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡,四轴不会向任何一个四轴飞行器有四个电机呈十字形排列,驱动四片桨旋转产生推力;四个电机轴距几何中方向倾转;而四个电机一对正转,一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡,保证了四轴航向的稳定.此飞行控制板规定四轴电机的排布方式如图所示:前(1号),后(4号),右(3号),左(2号).1,4号电机顺时针方向旋转,2,3号电机逆时针方向旋转.四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动:当四轴需要向前方运动时,2,3号电机保持转速不变,1号电机转速下降,4号电机转速上升,此时4号电机产生的升力大于1号电机的升力,四轴就会沿几何中心向前倾转,桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动.当四轴要转向左转向时,1,4号电机转速上升,2,3号电机转速下降,使向左的反扭距大于向右的反扭矩,四轴在反扭距的作用下向左旋转.四个桨产生的推力,超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动,当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停.其他方式的运动原理与以上过程类似.四轴飞行原理虽然简单,但实现起来还需很多工作要做.四轴飞行器控制流程图四轴飞行器的优点四轴飞行器与其他飞机比较相对稳定性高；四轴飞行器与其他飞机比较相对抗风能力强；载重量大(本机最大安全载重1100g);姿态灵活，反应速度快；可超低空飞行；四轴飞行器主要用途可做无人侦察机，空中航拍（FPV），可作为新型微型机器人。

四轴飞行器运动控制系统设计和仿真随着科技的发展，四轴飞行器这种机器在日常生活中变得越来越常见。

从无人机的航拍、救援到消防，四轴飞行器的应用越来越广泛。

但是，控制飞行器的姿态和运动依然是一个挑战。

这里将对四轴飞行器的运动控制系统进行设计和仿真。

1. 系统分析先对四轴飞行器进行简单的系统分析。

四轴飞行器有四个电机，每个电机都有一个螺旋桨。

通过改变电机的转速和螺旋桨的旋转方向，可以控制飞行器的姿态和运动。

四轴飞行器有三个自由度的旋转运动，分别是偏航、俯仰和横滚，还有三个自由度的平移运动，分别是上下、左右和前后。

控制这些运动需要一个运动控制系统。

运动控制系统分为两部分：飞行器的传感器和飞行控制器。

传感器用于测量飞行器的状态，例如角速度、角度和线性加速度等。

飞行控制器根据传感器的数据进行控制，以达到控制飞行器运动的目的。

2. 控制算法运动控制系统的重点在于控制算法。

幸运的是，我们可以使用开源的四轴飞行控制器（例如 Pixhawk 和 APM）来控制飞行器。

这些控制器具有成熟的控制算法，可实现飞行器的稳定飞行和自动飞行。

在四轴飞行器的运动控制中，最重要的算法是控制飞行器的姿态。

姿态控制是通过测量三个轴上的角度和角速度实现的。

姿态控制经常使用 PID 控制器。

PID 控制器使用比例、积分和微分三个控制项来控制飞行器的姿态。

3. 系统设计接下来，我们将设计一个四轴飞行器的运动控制系统。

这里主要讨论的是控制器的硬件和软件设计。

3.1 硬件设计飞行控制器通常使用 Arduino 或者其他类似的微控制器。

这些微控制器轻便、可编程并且能够进行必要的计算。

除了微控制器，飞行控制器还应该包含其他必要的硬件，例如传感器、接收器和电池等。

传感器是测量飞行器状态的重要组成部分。

飞行器通常使用加速度计、陀螺仪和罗盘。

加速度计可以测量飞行器在三个轴上的线性加速度，陀螺仪可以测量飞行器在三个轴上的角速度，罗盘可以测量飞行器的方向。

接收器则负责接收运动控制器发出的指令，例如俯仰、横滚和油门等。

四轴毕业设计四轴毕业设计一、引言四轴毕业设计是一项极具挑战性的任务，它要求学生将理论知识与实践技能相结合，设计并制造出一架能够稳定飞行的四轴飞行器。

本文将探讨四轴毕业设计的重要性、设计过程中的关键问题以及可能的解决方案。

二、背景随着无人机技术的快速发展，四轴飞行器成为了热门的研究领域。

它具有灵活性高、操控性好等优点，被广泛应用于航拍、农业、救援等领域。

因此，通过参与四轴毕业设计，学生能够深入了解无人机的原理和设计过程，为未来从事相关工作打下坚实的基础。

三、设计过程1. 需求分析在开始设计之前，需要明确设计的目标和需求。

这包括飞行器的最大飞行高度、飞行时间、负载能力等。

通过分析需求，可以为后续的设计和测试提供指导。

2. 组件选择四轴飞行器的设计涉及到多个组件的选择，包括电机、电调、飞控、传感器等。

在选择组件时，需要考虑其性能、可靠性和兼容性。

同时，还需要注意组件的价格和供应渠道，以确保项目的可行性。

3. 结构设计四轴飞行器的结构设计是关键的一步。

它包括框架设计、螺旋桨安装、电池固定等。

设计师需要考虑飞行器的稳定性、重心位置以及对外界干扰的抵抗能力。

通过使用CAD软件进行三维建模和仿真，可以在设计阶段尽早发现问题并进行改进。

4. 控制系统设计四轴飞行器的控制系统是实现稳定飞行的关键。

它包括姿态控制、高度控制、位置控制等。

设计师需要选择合适的控制算法，并将其实现在飞控硬件上。

同时，还需要进行系统调试和参数优化，以提高飞行器的性能和稳定性。

5. 飞行测试设计完成后，需要进行飞行测试来验证设计的可行性和性能。

测试过程中，需要注意安全问题，并进行数据记录和分析。

根据测试结果，可以对设计进行改进和优化，以达到预期的飞行效果。

四、关键问题与解决方案1. 稳定性问题四轴飞行器的稳定性是设计中的一个重要问题。

通过使用加速度计、陀螺仪和气压计等传感器，可以实时检测飞行器的姿态和位置，从而进行控制调整。

此外，使用PID控制算法可以对姿态进行稳定控制。

四轴飞行器设计说明书设计者：温泉，张乐萌，吴桐作品内容简介四轴飞行器（四旋翼飞行器）也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。

四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，也是一种智能机器人。

是最初是由航空模型爱好者自制成功，后来很多自动化厂商发现它可以用于多种用途而积极参于研制。

它利用有四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行，它的尺寸较小、重量较轻、适合携带和使用的无人驾驶飞行器一样能够携带一定的任务载荷，具备自主导航飞行能力。

摘要：四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，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，重点讲软件算法，包括姿态解算和姿态控制两部分。

解算姿态采用四元数和扩展卡尔曼滤波算法。

控制姿态采用欧拉角控制，采用PID算法。

并使用LabWindows编写上位机软件。

关键词：四轴飞行器；姿态；控制1 设计背景及意义无人驾驶飞机（英文缩写:Unmanned Aerial Vehicle）是一种 以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机。

与载人飞机相比，无人驾驶飞机具有体积小、造价低、使用方便等特点。

无人机可装配武器系统、传感器系统、 电子干扰系统以及摄像机等设备，分别执行打击敌方纵身重要目标、空中侦察、电子干扰以及情报搜集等工作。

无人机自诞生起就受到了全世界各国的广泛关注，各 国争相设计不同规模、不同用途的无人驾驶飞机。

图 1 四轴飞行器在这种背景下，四旋翼无人飞行器（以下简称四轴飞行器）作为无人驾驶飞机的一个分支也获得了飞速的发展。

四轴飞行器是一种微型飞行器，同时也是一种智能机器 人。

最初，四轴飞行器是由航模爱好者自制成功，随后很多自动化厂商发现其可以用于多种用途所以积极投入研发。

相比传统的无人驾驶飞机，四轴飞行器机动更为 灵活、体积更为小巧小、重量更轻且便于携带和使用。

四轴飞行器配合自动驾驶系统可以实现，如地貌勘测、灾后搜救、遥感测绘以及边境巡逻等，复杂、危险的环 境下的特定飞行任务,。

目录第二章总体方案设计 (1)2.1 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 (1)2.2 四轴飞行器控制系统结构 (2)2.3 本章小结 (4)第三章硬件设计 (5)3.1 概述 (5)3.2 主控制器的选择 (5)3.3 信息采集 (11)3.3.1 加速度传感器与陀螺仪 (11)3.3.2 数字罗盘 (14)3.4 无线通讯 (17)3.5 电机驱动 (22)3.5.1 无刷电机 (22)3.5.2 PWM调速 (23)3.5.3 可控开关的选择 (23)3.6 供电电路 (26)3.6.1 电池选择 (26)3.6.2 电压变换器的选择 (26)3.7 本章小结 (28)第四章控制算法 (29)4.1 标定加速度 (29)4.2 姿态结算 (31)4.3 融合算法 (32)4.4 控制算法 (35)4.5 本章小结 (37)5.1 STM32F103T8U6的端口分配 (38)5.2 流程设计 (40)5.3 无线通讯 (42)5.4 控制计算 (45)5.5 本章小结 (47)第六章设计总结 (48)第二章总体方案设计四旋翼飞行器是一种布局形式比较新颖的飞行器，其结构较为紧凑。

四旋翼飞行器主要是通过改变4个电机的转速来调节螺旋桨转速，由旋翼升力的变化实现对飞行器的控制。

四旋翼飞行器由于能够垂直起降，自由悬停，可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。

2.1 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理电机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。

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2-1 运动控制原理图飞行器在三维空间中具有6个运动自由度．包括3个坐标轴方向的线运动和3个坐标轴方向的角运动。

摘要四轴飞行器具备飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。

可应用于军事上的地面战场侦查和监视，获取不易获取的情报。

能执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。

在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。

工业上可以用在安全巡捡，大型化工现场等人工不容易达到的空间作业。

因此，四轴飞行器的研究意义重大。

本文主要讨论四轴飞行器的设计实现、建模分析与控制器设计。

首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的发展现状，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理论进行的研究方法和取得的结果。

其次是给出本次毕业设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。

文中着重从机械结构与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的设计。

文中详细分析了机械结构设计中的元器件选型，实现了一个切实可用，能满足应用研究的四轴飞行器模型。

之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，在此基础上进行动力学分析，建立四轴飞行器的动力学模型。

通过软件设计实现飞行控制器方案，并通过protues软件践行模拟仿真以讨论其可行性。

关键词：四轴飞行器；单片机；飞行控制器；无人机ABSTRACT TheKeywords: Four aircraft; SCM; Flight controller; UA V目录1.绪论 (1)1.1国内外研究现状 (1)1.2本文研究目的及意义 (2)1.3本文的主要内容 (3)2.机械结构设计 (4)2.1元器件的选择 (4)2.1.1四轴飞行器基本工作原理 (4)2.1.2旋翼和机架的确定 (5)2.1.3其他小部件的选择 (5)2.2电机 (6)2.3总体结构 (7)3.硬件设计 (10)3.1概述 (11)3.2硬件电路的设计与选型 (11)3.2.1飞行控制系统结构 (11)3.2.2单片机选型及介绍 (12)3.2.3电机驱动电路 (14)3.2.4无线通讯与遥控 (17)3.2.5电源电路设计 (18)3.3 硬件部分整体电路图 (19)4.软件设计及调试分析 (20)4.1PWM调速原理分析 (20)4.2调速部分设计及分析 (22)4.3红外遥控系统的程序设计 (26)4.3.1红外发射部分 (26)4.3.2红外接收部分 (28)4.3.3键盘设计 (31)5. 调试分析 (33)5.1 Protues简介 (33)5.2调试结果分析 (37)结束语 (38)致谢 (39)参考文献 (40)附录A：外文原文 (41)附录B：中文翻译 (51)附录C：程序源代码 (55)1 绪论1.1国内外研究现状四轴飞行器是无人飞行器的一种，也就是智能机器人，四轴指飞行器的动力是由四个旋翼式的飞行引擎提供。

一种航拍四轴飞行器控制系统设计
四轴飞行器是一种典型的非线性、强耦合的欠驱动系统,早在上世纪初就有学者相继研制四轴飞行器,但由于种种原因都未取得较大的突破,使得四轴飞行器的研究一直以来未受关注。

直到20世纪90年代,随着计算机技术、微电子技术和自动控制技术的迅猛发展,四轴飞行器再一次引起了科研人员的兴趣,继而出现了许多相关科研项目和研究成果。

由于飞行器在实际飞行过程中会受到空气阻力、阵风等不确定因素的影响,难以建立其准确的数学模型,这也给控制系统的设计带来一定的挑战。

四轴飞行器因其结构简单、飞行灵活等特点,在军事和民用领域得到了广泛的应用。

本文针对航拍四轴飞行器的特点,利用牛顿-欧拉方程,建立了其动力学模型;利用四元数法建立了其运动学模型,并求出运动学方程的解析解和数值解。

在姿态解算中,结合陀螺仪、加速度和磁力计等传感器的优缺点,设计了基于四元数的互补滤波算法。

硬件方面,制作了集成有陀螺仪、加速度、磁力计和气压计的PCB飞控电路板,并可以外接GPS模块。

在控制系统方面,在传统PID的基础上,设计了姿态平衡串级PID控制算法、高度串级PID控制算法和GPS定点PID控制算法,实现了四轴飞行器的姿态控制和定高定点悬停控制。

最后,搭建了四轴飞行器试验平台,进行了室外飞行试验。

试验结果表明,四轴飞行器可以实现稳定的飞行和精度较高的悬停,基本满足航拍四轴飞行器的设计要求。

智能四轴飞行器的控制与导航系统设计智能四轴飞行器作为无人机的一种，具有重要的应用前景和广泛的发展空间。

与传统的飞行器相比，智能四轴飞行器具有更灵活的机动性、更高的稳定性和更广泛的应用领域。

而要实现这些特点，一个优秀的控制与导航系统是不可或缺的。

控制系统是四轴飞行器的核心，主要包括姿态控制、高度控制和水平位置控制。

姿态控制保证了飞行器在空中稳定且能够按照既定的姿态进行机动操作。

高度控制实现了飞行器在垂直方向上的定位和稳定飞行。

水平位置控制则保证了飞行器在水平方向上的定位和稳定飞行。

通常，控制系统由传感器、计算机处理单元、执行器和反馈机制组成。

传感器用于采集飞行器的状态信息，包括姿态、高度和位置。

计算机处理单元用于确定合适的控制指令。

执行器将计算机处理单元的指令转化为飞行器状态的实际变化。

反馈机制用于实时校正和调整控制指令，以保证飞行器达到预定目标。

导航系统是智能四轴飞行器的大脑，负责确定飞行器的位置、航向和目标位置等信息，并规划合适的飞行路径和运动策略。

导航系统通过多种传感器和技术实现，包括全球定位系统（GPS）、惯性测量单元（IMU）、姿态传感器、视觉传感器等。

GPS用于确定飞行器的经纬度坐标及海拔高度信息，可以提供全球范围内的定位服务。

IMU通过测量飞行器的加速度和角速度，实现对飞行器姿态和运动状态的实时监测。

姿态传感器用于测量飞行器的姿态变化，包括俯仰、横滚和偏航等角度信息。

视觉传感器可以通过图像识别和处理技术获取飞行器所在环境的特征和目标信息。

在控制与导航系统设计中，还需要考虑一些重要的技术和算法。

首先是自动驾驶技术，能够使飞行器实现自主飞行和任务执行。

自动驾驶技术的基础是传感器融合和目标跟踪算法。

传感器融合可以将多种传感器获得的信息进行整合和优化，以提高位置和状态的精确性和稳定性。

目标跟踪算法能够在复杂的环境中实现目标的识别与跟踪，以支持智能飞行器的任务执行。

其次是路径规划和避障算法，能够使飞行器在复杂的环境中选择合适的飞行路径，并能够避开障碍物。