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1、四轴飞行器原型样机结构与实现，飞行控制器硬件设计与实现；(一)
四翼飞行器设计与实现
四旋翼飞行器设计与实现
一、四旋翼飞行器的结构设计
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。
二、工作原理
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，这样会导致其动力不稳定。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。
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。
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。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 （a） 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：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。
(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，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 转速改变量的大小应相等。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。
(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，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：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。
(5)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。
(6)侧向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。【1、四轴飞行器原型样机结构与实现，飞行控制器硬件设计与实现；】
四翼的控制规律，如表1所示。
表1 四翼飞行器旋翼转速控制规律
+：加速，-：减速，0：hold
三、四翼飞行器组成
图3 控制结构图
要实现四轴飞行器的稳定飞行以及各个姿态的控制，需要实现对其姿态的感知，位置和高度的测量以及旋翼动力装置的控制。要实现操控人员对飞行器的控制，还要实现无线遥控功能。在四轴飞行器设计中飞行控制器是最基本的组成部分，因此，设计飞行控制器实现对飞行器的控制是本项目的重点之一。
飞行控制器配备各种传感器，以实现对飞行器姿态、高度以及位置的测量；配备微控制器经程序设计实现控制系统核心，对传感器测量数据进行融合计算，根据姿态与位置，结合遥控量实现符合要求的控制输出；实现电机控制接口，根据控制器运算输出对电机转速进行控制，实现合适的转速。通过测量、运算、输出完成整个闭环控制系统。
1、飞行控制器
微控制器实现对传感器的信号进行采样、处理、计算，得到飞行器的姿态、位置等参数，结合遥控器或者地面控制站的控制信号进行控制算法运算，实现控制量输出。微控制器应满足控制器运算的速度与存储容量的要求。
2、传感器
1、四轴飞行器原型样机结构与实现，飞行控制器硬件设计与实现；(二)
四 轴 飞 行 器
四 轴 飞 行 器
姓名：冯毅 专业：自动化 学号：13061315
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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。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。本文主要介绍四轴飞行器的一些原理，以及在领域的应用。
目 录
1.引言..................................................2
2.四轴飞行器的国内外情况................................2
2.1.四轴飞行器的主要生产公司..........................3
3.飞行器的结构特性......................................4
3.1.飞行器的构成......................................4
3.1.1.硬件构成....................................5
3.1.2.机械构成....................................5
3.1.3.电气构成....................................5
4.四轴飞行器的运动原理..................................5
5.四轴飞行器的应用......................................9
5.1.Dronenet应用.....................................10
5.2.Follow Me Box 的应用..............................10
6.附录..................................................11
1.引言
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，已经成为重要的遥感平台。
以农业调查为例，传统的调查方式为到现场抽样调查或用航空航天遥感。抽样的方式工作量大，而且准确性受主观因素影响；而遥感的方式可以大范围同时调查，时效性和准确性都有保证，但只能得到大型作物的宏观的指标，而且成本很高。不连续的地块、小种作物等很难用上遥感调查。因此，低空低成本遥感技术显得相当重要，而四轴飞行器正符合低空低成本遥感平台的要求。
2.四轴飞行器国内外的情况
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。
当今世界上对微小型四轴飞行器的研究主要集中在自主飞行以及多机协调编队等方面的研究。自主飞行方面的方案主要体现三个方面：自主飞行器的系统方案、基于视觉导航的自主飞行控制和基于惯性导航的自主飞行控制。在这些方面做出比较突出成绩的典型代表包括美国的乔治亚理工大学GTMARS系统、瑞士
的洛桑联邦科技学院OS4 系统及美国的宾西法尼亚大学HMX-4系统。而美国的斯坦福大学的Mesicopter项目则是对多机协调、编队飞行做出探索性研究的典范。
GTMARS系统是乔治亚理工大学为火星探测任务而设计的飞行器系统，其动力系统设计与飞行控制系统设计的设计方案，在美国第17届国家直升机协会设计竞赛学生组比赛中均获得第一名的成绩。其重量为20kg，旋翼半径长达0.92m，续航时间可以达到30min。GTMARS呈现折叠封装，搭载四面体着陆器登陆火星。登陆火星后能够自动将机构自身机构展开，能够自主起飞和降落，可达72km/h的巡航速度；还能返回到着陆器(其中配置有太阳能电池)补充能量。
OS4系统由瑞士著名理工大学——洛桑联邦科技学院(EPFL)自动化系统实验室开发的一种小型电动四轴飞行器。该项目的目标是要实现复杂环境下的完全自主飞行，以四轴飞行器结构设计方法与自主飞行的控制算法实现为重点展开了卓有成效的研究。2004年，基于多种控制算法，OS4-I实现了姿态增稳控制。2006年开发的OS4-II基于惯性导航系统实现，能够在室内环境中实现自主悬停控制。
Mesicopter是一种微型四轴飞行器，也是目前世界上最著名、最重要的微小型飞行器之一，其采用四旋翼的结构。 Mesicopter是在美国国家航空航天局(NASA)的支持下，斯坦福大学的研究小组为研究微小型多旋翼飞行器技术而设计开发的，是利用多旋翼式总体设计实现微小型飞行器的一次极具意义的开创性探索。其设计目标是采用四旋翼的结构，实现一种厘米尺寸大小的微小型直升机。它有四个直径1.5cm，厚度0.08mm的螺旋桨，分别由直径3mm，重325mg的微型电机驱动。Mesicopter系统的目标为实现自主飞行和多飞行器协同的研究。
美国Draganflyer公司研制的DraganFlyer系列飞行器是遥控航模四轴飞行器的典型代表。其中DraganFlyer X4是这个系列中的一款价格实惠、性能稳定的优秀产品。DraganFlyer X4主要用于航拍，可以搭载多款摄像机用于无线视频与静态图片传输。其机体长宽均为64.5cm，高度为21cm，使用4个无刷直流电机带动4只碳纤维材料的的旋翼提供动力。机体带电池总重680g，有效载荷250g，最大起飞总重量可达980g。
国际上针对四轴飞行器已经有很多的研究案例与研究成果，然而我国对四轴飞行器的研究成果还很少。近年来，很多国内高校开展关于四轴飞行器方面的研究工作。研究成果主要有北京理工大学的智能机器人研究所、国防科技大学机器人实验室和上海交通大学微纳米科学技术研究院等在做这方面的相关研究工作。
北京理工大学的智能机器人研究所则从另一方面入手，通过对微型旋翼式四轴飞行器进行结构与动力特性的分析，自行研制了一种微型旋翼式四轴飞行器。并在此原型机的基础上，基于PID控制算法，进行了不少姿态控制算法方面研究工作，也取得了一定的研究成果。
国防科技大学机器人实验室于2004年开始了对微小型旋翼式四轴飞行器的相关技术研究工作，并自行设计制作了四轴飞行器的原型样机。目前己经基本完成了飞行器控制系统硬件部分的开发和测试，并且着进行了MIMU (Miniature Inertial Measurement Unit，微惯性测量单元的开发。开发人员基于Backstepping方法进行了四轴飞行器飞行控制方法的研究，并使用标准的SR-UKF算法实现了系统的状态估计模块，在四轴飞行器的研究方面取得了不少可喜的研究成果。
上海交通大学在微小型无人机方面的研究主要体现在非线性控制、机器视觉以及紧耦合智能辨识建模等方面的研究工作。其微纳米科学技术研究院曾研制出以直径仅有2mm的电磁型微马达作为驱动器的双旋翼微型直升机。该研究院的研究人员在现有的成功经验的基础上，正在研究能负载、可离地飞行的旋翼式四轴微型直升机。[1]
2.1.四轴飞行器的主要生产公司 国际上比较知名的四轴飞行器公司有中国大疆创新公司、法国Parrot公司、德国AscTec公司和美国3D Robotics公司。
中国大疆创新公司
深圳市大疆创新科技有限公司(DJI-Innovations，简称DJI)，成立于2006年，是全球领先的无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商，客户遍布全球40多个国家。通过持续的创新，大疆致力于为无人机工业、行业用户以及专业航拍应用提供性能最强、体验最佳的革命性智能飞控产品和解决方案。 中国深圳大疆创新科技有限公司在2013年初推出了一款售价高达1000美元的Phantom四翼直升机。该公司去年的销售额达到了1.30亿美元，并预计今年还能再增长3倍之多。[3]
2014年11月26日，由大疆创新研发的航拍机新产品inspire 1在深圳亮相，这也是被媒体称为“迄今为止最酷的无人机”产品首度在亚洲地区进行公开展示。大疆方面透露，目前大疆已占据全球小型无人机约50%的市场份额。[2] 3.结构特性
如图所示，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。 四轴飞行器是一个在空间具有6
个活动自由度（分别沿3个坐标轴作
平移和旋转动作），但是只有4个控
制自由度（四个电机的转速）的系统，
因此被称为欠驱动系统（只有当控制
自由度等于活动自由度的时候才是
完整驱动系统）。不过对于姿态控制
本身（分别沿3个坐标轴作旋转动
作），它确实是完整驱动的。
与直升机相比，四轴飞行器可以
实现的飞行姿态较少，不过基本的前
进、后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单，维修和更换的开销也非常小，这让四轴飞行器有了比直升机更大的应用优势。【1、四轴飞行器原型样机结构与实现，飞行控制器硬件设计与实现；】
[2]
3.1.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，特别是算法、公式的推导。
3.1.1.硬件构成
飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。
3.1.2.机械构成
机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是尼龙材料的机架。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。
3.1.3.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。下图为四轴飞行器连接图。
[3]
4.飞行器的运动原理
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。
其基本运动状态分别是：
1、四轴飞行器原型样机结构与实现，飞行控制器硬件设计与实现；(三)
基于STM32的四旋翼飞行控制器的设计.doc
本科生毕业论文正文
（ 2016届）
论文题目 基于STM32的四旋翼飞行控制器设计
学生姓名
专 业
指导教师 刘恩岗 电子信息工程切入式软件方向 懂利达 学 号 班 级 职 称
2012810431 电
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