多旋翼飞行器设计与控制 第六讲 多旋翼的运动模型和参数测量

基于STM32的四旋翼飞行器设计

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

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 accelerometer mpu6050 inertial measurement unit, via 2.4G wireless module and remote control panel for communication. Finally using pid control algorithm with pwm drives the electronic speed controller to change moto to realize the design of quadrocopter. Key word : quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4G wireless module ;pid; pwm

四旋翼设计报告

四旋翼自主飞行器(A题) 摘要 四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。 为了满足四旋翼飞行的设计要求，系统以STM32F103VET6作为四旋翼自主飞行器控制的核心，处理器内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作频率，工作电压3.3V-5.5V。该四旋翼由电源模块、电机电调调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行姿态检测模块是通过采用MPU-6050模块，整合3轴陀螺仪、3轴加速度计，检测飞行器实时飞行姿态，实现飞行器运动速度和转向的精准控制。传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块，在动力学模 型的基础上，将四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID 控制回路，即位置控制回 路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。 关键词：四旋翼飞行器；STM32；飞行姿态控制；串口PID

目录 1 系统方案论证与控制方案的选择...................................................................- 2 - 1.1 地面黑线检测传感器...................................................................... .............- 2 - 1.2 电机的选择与论证...................................................................... .................- 2 - 1.3 电机驱动方案的选择与论证...................................................................... .- 2 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计...................................................................- 3 -

2015年全国大学生电子设计大赛四旋翼飞行器论文

2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题） 2015年8月15日

摘要 本文对四旋翼碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先，对飞行器各旋翼的电机选择做了论证，分析了实际升力效率与PWM的关系并选择了此样机的最优工作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。 本飞行器采用瑞萨R5F100LEA单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6000采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。整个控制系统包括电源模块、传感器检测模块、电机调速模块、飞行控制模块及微处理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。关键字：R5F100LEA单片机、传感器、PWM、PID控制。

目录 1系统方案 (1) 1.1电机的论证与选择 (1) 1.2红外对管检测传感器的论证与选择 (1) 1.3电机驱动方案的论证与选择 (2) 2系统控制理论分析 (2) 2.1控制方式 (2) 2.2 PID模糊控制算法 (2) 3控制系统硬件与软件设计 (4) 3.1系统硬件电路设计 (4) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2 飞行控制电路原理图 (4) 3.1.3电机驱动模块子系统 (5) 3.1.4电源 (5) 3.1.5简易电子示高模块电路原理图 (6) 3.2系统软件设计 (6) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (6) 3.2.2程序流程图 (6) 4测试条件与测试结果 (7) 4.1 测试条件与仪器 (7) 4.2 测试结果及分析 (7) 4.2.1测试结果(数据) (7) 4.2.2测试分析与结论 (8) 附录1：电路图原理 (9) 附录2：源程序 (10)

《运动控制系统》综合复习题

一、单项选择题 1.只能实现有级调速调速方式为（ C ） 2.调速系统的静差率指标，应以（ D ） 3.某直流调速系统电动机额定转速nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许的 调速范围是（ C ） 4.对自动调速系统来说，主要的扰动量是（B） 5.如果要改变双闭环无静差V-M系统的转速，可调节（ C ） 6.转速电流双闭环调速系统在稳态工作点上时，控制电压不取决于（D） 7.不是跟随性能指标是（D ） 8.在转速电流双闭环调速系统中，选用了典型I型系统，是因为电流环（ A ） 9.两组晶闸管装置反并联的可逆V-M系统在一定控制角下稳定工作时出现的环流叫做（A ） 10.在配合无环流可逆系统中，可采用配合控制的触发移相方法对其进行控制，但需将两组晶闸管装置的触发脉 冲的初始相位都整定在（C ） 11.在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，当正组的控制角小于反组的逆变角时，将会产生（B ） 12.交-直-交PWM变压变频器中，逆变器起作用是（A ） 13.当交流电动机由常规的六拍阶梯波逆变器供电时，磁链轨迹是一个（A ） 14.不是异步电动机动态数学模型的特点为（B ） 15.不是直接转矩控制的特点为（A ） 16.采用旋转编码器的数字测速方法不包括（ D ） 17.交流电动机带恒转矩负载作调压调速时，其转差功率与转差率（ A ） 18.在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式为（ D ） 19.不是异步电动机动态数学模型的特点。（D ） 20.电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时（ A ） 21.只能实现有级调速调速方式为（ C ） 22.调速系统的静差率指标，应以（ D ） 23.某直流调速系统电动机额定转速n N=1430r/min，额定速降Δn N=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许的 调速范围是（C ） 24.对自动调速系统来说，主要的扰动量是（B） 25.如果要改变双闭环无静差V-M系统的转速，可调节（ C ） 26.转速电流双闭环调速系统在稳态工作点上时，控制电压不取决于（B ） 27.不是跟随性能指标是（ D ） 28.在转速电流双闭环调速系统中，选用了典型I型系统，是因为电流环（ A ） 29.两组晶闸管装置反并联的可逆V-M系统在一定控制角下稳定工作时出现的环流叫做（A ） 30.在配合无环流可逆系统中，可采用配合控制的触发移相方法对其进行控制，但需将两组晶闸管装置的触发脉 冲的初始相位都整定在（ C ） 31.不适合使用矢量控制方式是（ B ） 32.PMW变压变频器，通过它可同时调节电压和频率，其可控的是（B ）。

四旋翼飞行器的结构形式和工作原理

四旋翼飞行器的结构形式和工作原理 1.结构形式 直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前，四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员认为操纵来说是一件非常困难的事，所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。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。

图1.1四旋翼飞行器的结构形式 2.工作原理 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，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，这样会导致其动力部稳定，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。

多旋翼无人机教案

哈尔滨四通技工学校第三教学站延寿农民工综合培训学校 多旋翼无人机操作教案 二0 —七春季生 1/1

多旋翼无人机操作基础 授课教师:张海东 第一章无人飞行器概述 1、 无人飞行器发展简史 2、 无人飞行器的优缺点 3、 无人飞行器应用领域 1、 什么事无人机 2、 无人机的应用 3、 无人机未来的发展趋势 无人机的概述重要性，帮助学员更好的了解无人 机。 讲授法 新课 二课时 一、 组织教学 二、 课前提问 三、 导入新课 四、 教学内容： 1、1910年，在莱特兄弟所取得的成功的鼓舞 下，来自俄亥俄州的年轻军事工程师查尔斯?科特林 建议使用没有人驾驶的飞行器：用钟表机械装置控 制飞机，使其在预定地点抛掉机翼并象炸弹一样落 向敌人。在美国陆军的支持和资助下，他制成并试 验了几个模型，取名为“科特林空中鱼雷”、“科 特林虫子”。 2【二战期间，美国海军首先将无人机作为空面 武器使 用。1944年，美国海军为了对德国潜艇基地 进行打击，使用了由B-17轰炸机改装的遥控舰载 机。 3、上世纪70-90年代及其以后，以色列军事专 家、科学家和设计师对无人驾驶技术装备的发展做 出了突岀贡献，并使以色列在世界无人驾驶系统的 研制和作战使用领域占有重要地位。 4、 最著名的是“捕食者”可复用无人机，世界 上 最大的无人机- - “全球鹰”，“影子?200”低空 无人 机，“扫描鹰”小型无人机，“火力侦察兵” 无人直升课程名称： 课题 教 学目标 教学重点 教材分析 教学方法 授课类型 课时 课程内容

机。 5、理论开创阶段，多旋翼无人飞行器理论开创于 上世纪10年代，直升机研发之前。几家主要飞机生产 商开发出的在多个螺旋桨屮搭乘飞行员的机型。这种设 计开创了多旋翼飞行器的理论。 6、加速发展阶段，2007年以后，装配高性能压电 陶瓷陀螺仪和角速度传感器（六轴陀螺仪）的多旋翼无 人飞行器开始出现加速发展。 7、未来发展阶段，伴随着飞行器技术的进步，多 旋翼无人飞行器使用者会急剧增加。这样一来，事故和 故障也会相应增加，甚至会发展成社会问题。今后不仅 是制造商和商店一级，协会和主管部门面向多旋翼无人 飞行器的飞行会和培训班也会增加。 8、优点的特性。 9、避免牺牲空勤人员，因为飞机上不需要飞行人 员，所以最大可能地保障了人的生命安全。 10、无人机尺寸相对较小，设计时不受驾驶员生理 条件限制，可以有很大的工作强度，不需要人员生存保障 系统和应急救生系统等，大大地减轻了飞机重量。 11、制造成本与寿命周期费用低，没有昂贵的训练 费用和维护费用，机体使用寿命长，检修和维护简单。 12、无人机的技术优势是能够定点起飞，降落，对起 降场地的条件要求不高，可以通过无线电遥控或通过机 载计算机实现远程遥控。 课程后记给学生留了上网查询无人机的信息的作业。

多旋翼无人机的结构和原理

多旋翼无人机的结构和原理 翼型的升力： 升力的来龙去脉这是空气动力学中的知识，研究的内容十分广泛，本文只关注通识理论，阐述对翼型升力和旋翼升力的原理。 根据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小。由于机翼一般是不对称的，上表面比较凸，而下表面比较平（翼型），流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水，流速较快，而流过机翼下表面的气流正好相反，类似于较宽地方的流水，流速较上表面的气流慢。大气施加与机翼下表面的压力（方向向上）比施加于机翼上表面的压力（方向向下）大，二者的压力差便形成了升力。［摘自升力是怎样产生的］。所以对于通常所说的飞机，都是需要助跑，当飞机的速度达到一定大小时，飞机两翼所产生的升力才能抵消重力，从而实现飞行。 旋翼的升力飞机，直升机和旋翼机三种起飞原理是不同的。飞机依靠助跑来提供速度以达到足够的升力，而直升机依靠旋翼的控制旋转在不进行助跑的条件下实现垂直升降，直升机的旋转是动力系统提供的，而旋翼旋转会产生向上的升力和空气给旋翼的反作用力矩，在设计中需要提供平衡旋翼反作用扭矩的方法，通常有单旋翼加尾桨式（尾桨通常是垂直安装）、双旋翼纵列式（旋转方向相反以抵消反作用扭矩）等;而旋翼机则介于飞机和直升机之间，旋翼机的旋翼不与动力系统相连，由飞行过程中的前方气流吹动旋翼旋转产生升力（像大风车一样），即旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，无需专门抵消。 而待设计的四旋翼飞行器实质上是属于直升机的范畴，需要由动力系统提供四个旋翼的旋转动力，同时旋翼旋转产生的扭矩需要进行抵消，因此本着结构简单控制方便，选择类似双旋翼纵列式加横列式的直升机模型，两个旋翼旋转方向与另外两个旋翼旋转方向必须相反以抵消陀螺效应和空机动力扭矩。

电子设计大赛国赛_四旋翼自主飞行器A题

2013年全国大学生电子设计竞赛课题:四旋翼自主飞行器（B 题） 【本科组】 2013年9月7日

摘要 为了满足四旋翼飞行器的设计要求，设计了以微控制器为核心的控制系统和算法。首先进行了各单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。四旋翼飞行器采用了固连在刚性十字架交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器，以78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU內核演化而来的RL78/G13作为控制核心，工作频率高达32MHz，工作电压1.6V-5.5V，适合各种类型的消费类电子和工业应用, 满足8/16位微控制器的需求，有助于降低系统功耗，削减总系统的构建成本。采用9926B MOS管芯片的驱动直流电机，该驱动芯片具有内阻小、负载电流大、且控制简单的特性。通过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，实现了四旋翼飞行器运动速度和转向的精准控制。通过HC-SR04超声波测距模块实现了对四旋翼飞行器飞行高度的准确控制。通过激光传感器，实现了四旋翼飞行器沿黑线前进，在规定区域起降，投放铁片等功能，所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。 关键词：四旋翼自主飞行器，E18-D50NK光电传感器，寻线，超声波，单片机。

四旋翼自主飞行器（B 题） 【本科组】 1系统方案 本系统主要由电源模块、电机驱动模块、光电循迹模块模块、超声波测高模块、姿态传感器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 电源模块的论证与选择 方案一：采用线性元器件LM7805三端稳压器构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率低，容易发热。 方案二：采用元器件2596为开关稳压芯片，效率高，输出的纹波大，不容易发热。 方案三：采用线性元器件2940构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率高，不容易发热，综合性能高。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.2 电机驱动模块的论证与选择 方案一：采用三极管驱动，由于输出电流很大，容易发热， 方案二：采用L298N电机驱动模块，通过电流大，容易发热，使得电机转速变慢，载重量变小。 方案三：采用场效应管9926B芯片组成的电机驱动模块，驱动能力好。能承受的最大电流为7.5A，符合要求。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.3 光电循迹模块的论证与选择 方案一：采用CCD摄像头采集图片经过算法处理循迹，前瞻性比较好、循迹效果好，但是处理程序复杂、成本高。 方案二：采用红外对管，有效距离太短，不能满足实际循迹要求。 方案三：采用E18-D50NK光电传感器，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器, 检测距离可以根据要求进行调节。探测距离远、受可见光干扰小、前瞻性较好、抗干扰性较好。

第6章-船舶运动控制系统建模应用

第6章 船舶运动控制系统建模应用 6.1 引 言 数学模型化(mathematical modelling)是用数学语言(微分方程式)描述实际过程动态特性的方法。在船舶运动控制领域，建立船舶运动数学模型大体上有两个目的：一个目的是建立船舶操纵模拟器(ship manoeuvring simulator)，为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台；另一个目的是直接为设计船舶运动控制器服务。船舶运动数学模型主要可分为非线性数学模型和线性数学模型，前者用于船舶操纵模拟器设计和神经网络控制器、模糊控制器等非线性控制器的训练和优化，后者则用于简化的闭环性能仿真研究和线性控制器(PID, LQ, LQG, H ∞鲁棒控制器)的设计。 船舶的实际运动异常复杂，在一般情况下具有6个自由度。在附体坐标系内考察，这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐标轴的转动，前者以前进速度(surge velocity)u 、横漂速度(sway velocity)v 、起伏速度(heave velocity)w 表述，后者以艏摇角速度(yaw rate)r 、横摇角速度(rolling rate)p 及纵摇角速度(pitching rate)q 表述；在惯性坐标系内考察，船舶运动可以用它的3个空间位置000,,z y x (或3个空间运动速度 000,,z y x &&&)和3个姿态角即方位角(heading angle)ψ、横倾角(rolling angle)?、纵倾角 (pitching angle)θ (或3个角速度θ?ψ&&&,,)来描述，),,(θ?ψ称为欧拉角[4](见图6.1.1)。 显然T ],,[w v u 和T 000],,[z y x &&&以及T ],,[r q p 和T ],,[θ? ψ&&&之间有确定关系[4]。但这并不等于说，我们要把这6个自由度上的运动全部加以考虑。数学模型是实际系统的简化，如何简化就有很大学问。太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数，也不便于分析。过于简单的模型不能描述系统的重要性能。这就需要我们建模时在复杂和简单之间做合理的折中。对于船舶运动控制来说，建立一个复杂程度适宜、精度满足研究要求的数学模型是至关重要的。 图6.1.1的坐标定义如下：000Z Y X O -是惯性坐标系(大地参考坐标系)， 为起始 位置，0OX 指向正北，0OY 指向正东，0OZ 指向地心；o -xyz 是附体坐标系，为船首尾之间连线的中点，ox 沿船中线指向船首，oy 指向右舷，oz 指向地心；航向角ψ以正 北为零度，沿顺时针方向取0?～360?；舵角δ以右舵为正。对于大多数船舶运动及其控制问题而言，可以忽略起伏运动、纵摇运动及横摇运动，而只需讨论前进运动、横漂运动和艏摇运动，这样就简化成一种只有3个自由度的平面运动问题。图6.1.2给出图6.1.1经简化后的船舶平面运动变量描述。 船舶平面运动模型对于像航向保持、航迹跟踪、动力定位、自动避碰等问题，具有足够的精度；但在研究像舵阻摇、大舵角操纵等问题时，则必须考虑横摇运动。本章根据刚体动力学基本理论建立船舶平面运动基本方程，据此进一步导出状态空间型(线性和非线性)及传递函数型船舶运动数学模型，并考虑了操舵伺服系统的动态特性和风、浪、流干扰的处理方法。这些结果将作为设计各种船舶运动控制器的基础。计及横摇的四自由度船舶运动数学模型参见文献[5]。

详解多旋翼飞行器上的传感器技术

详解多旋翼飞行器上的传感器技术 导语：现在多旋翼飞行器市场火爆，诸多产品琳琅满目，价格千差万别。为了理解这些飞行器的区别，首先要理解这些飞行器上使用的传感器技术。 本文作者YY硕，来自大疆工程师。 2014年的六月，我在知乎“民用小型无人机的销售现状和前景怎么样？ - YY硕的回答”这个问题下面发布了一篇科普多旋翼飞行器技术的回答，在知乎上至今获得了889个赞同、近10万次浏览，并且被几十家媒体和公众号转发。2014年中正是多旋翼飞行器市场爆发前的风口，后来很多朋友告诉我说正是这篇文章吸引他们走入了多旋翼飞行器行业。 两年来，大疆精灵系列更新了两代，飞控技术更新了两代，智能导航技术从无到有，诸多新的软件和硬件产品陆续发布。同时我们也多了很多友商，现在多旋翼飞行器市场火爆，诸多产品琳琅满目，价格千差万别。为了理解这些飞行器的区别，首先要理解这些飞行器上使用的传感器技术。我觉得现在很有必要再发一篇科普文章，定义“智能导航”这个概念，顺便字里行间介绍一下两年来大疆在传感器技术方面的努力。 1. 飞行器的状态 客机、多旋翼飞行器等很多载人不载人的飞行器要想稳定飞行，首先最基础的问题是确定自己在空间中的位置和相关的状态。测量这些状态，就需要各种不同的传感器。 世界是三维的，飞行器的三维位置非常重要。比如民航客机飞行的时候，都是用GPS获得自己经度、纬度和高度三维位置。另外GPS还能用多普勒效应测量自己的三维速度。后来GPS民用之后，成本十几块钱的GPS接收机就可以让小型的设备，比如汽车、手机也接收到自己的三维位置和三维位置。 对多旋翼飞行器来说，只知道三维位置和三维速度还不够，因为多旋翼飞行器在空中飞行的时候，是通过调整自己的“姿态”来产生往某个方向的推力的。比如说往侧面飞实际上就是往侧面倾，根据一些物理学的原理，飞行器的一部分升力会推着飞行器往侧面移动。为了能够调整自己的姿态，就必须有办法测量自

多旋翼飞行器解决方案

多旋翼飞行器解决方案 一、多旋翼飞行器介绍 多旋翼飞行器是由多组动力系统组成的飞行平台，一般常见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼……十八旋翼，甚至更多旋翼组成。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。电动多旋翼飞行器由无刷电机驱动螺旋桨组成单组旋翼动力系统，由惯导系统、飞控系统、导航系统、电子调速器组成控制驱动部分。瑞伯达提供专业无人机飞行器解决方案。飞行器作为飞行载体可携带影像器材、通讯器材、采集器材、特殊器材等升空，可达到传统方式达不到的高度（0-500米）。 二、多旋翼飞行器优点 多旋翼飞行器以其独特的结构和简洁的系统构架与传统飞行器相比 有明显的优势。 1、多旋翼飞行器的最大优点是安全 2、需要的起降条件要求很低。 3、以高能电池作为能量与油动飞行器相比噪音更低 4、简单的机械部件组成（仅电机轴承为机械部件）与传统直升机 （有较复杂的机械部件与传动结构）相比维护相当简单。

5、操纵简单，整机全电子增稳，一个人只需要半天左右学习就基 本可以独立驾驶了。 三、多旋翼飞行器缺点： 1、速度差，旋翼飞机比直升飞机稍慢，与固定翼飞机相比差得太远，因此在需要快速运输而又没有特别要求的场合，都使用普通固定翼飞机； 2、灵活性欠佳。虽然旋翼飞机比直升飞机略快一点，安全性也更 高，但其使用灵活性却比直升飞机差太多。它的机动性远逊于直升飞机，而且比固定翼飞机起降场地要求低很多，跟直升飞机比起来却又有些逊色，但是安全性和操纵简单的优势就突出 四、多旋翼飞行器的用途 多旋翼飞行系统可广泛应用于农业中低空撒种、喷洒农药，治安监控、森林灭火、灾情监视、应急通讯、电力应用、海运应用、气象监测、航拍航测，另外对空中勘探、无声侦查、边境巡逻、核辐射探测、航空探矿、交通巡逻等三十多个行业方面的应用也将进一步得到开发。 多旋翼飞行器在多行业的应用 1、公安系统的应用 多旋翼飞行器具有便携、质轻、飞行稳定、噪音低等特点，携带影像设备与侦测设备可以为秘密侦察提供强有力的手段，尤其是人不易接近的区域，可以提供空中第一手影像资料。同样在群体性事件中也可以发挥巨大的作用，除侦察外甚至可以携带小型催泪瓦斯进行空中投

四旋翼飞行器 设计报告

大学生电子设计竞赛 设计报告 摘要：本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时，解算出相应电机需要的的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，超声波传感器进行测距，起飞后悬停在一定高度，打靶后降落。 关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制

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目录 1系统方案 (1) 1.1控制系统选择方案 (1) 1.2飞行姿态控制方案论证 (1) 1.3角度测量模块的方案论证 (2) 1.4高度测量模块方案论证.............................................. 错误！未定义书签。2理论分析与计算 (2) 2.1控制模块 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.2机翼电机 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.3飞行姿态控制单元 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1系统总体设计思路 (4) 3.2主要元器件清单......................................................... 错误！未定义书签。 3.3系统框图 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1系统硬件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。 3.3.2系统软件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.. (5) 5结论 (6) 3

AUV水下机器人运动控制系统设计(李思乐)

中国海洋大学工程学院 机械电子工程研究生课程考核论文 题目：AUV水下机器人运动控制系统研究报告 课程名称：运动控制技术 姓名：李思乐 学号：21100933077 院系：工程学院机电工程系 专业：机械电子工程 时间：2010-12-26 课程成绩： 任课老师：谭俊哲

AUV水下机器人运动控制系统设计 摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。 关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言 近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。 随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1 所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。 图1-1 系统基本模块组成设计 2 机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型 为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV

多旋翼飞行器原理

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。 2.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。（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）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。 首先声明本人也是菜鸟，此教程就是从一个菜鸟的角度来讲解，现在论坛上的帖子都突然冒很多出来，又不成体系，我自己开始学的时候往往一头雾水，相信很多新手也一样。所以在这个帖子里面，我都会把自己遇到的疑惑逐一讲解。 【概述】 1、diy四轴需要准备什么零件 无刷（4个） 电子调速器（简称，4个，常见有好盈、中特威、新西达等品牌）

多旋翼飞行器设计与控制课程简介

《多旋翼飞行器设计与控制》课程简介 课程编号：031574 课程名称：多旋翼飞行器设计与控制 学时：32学时 开课学期：春季 上课时间：2016年3月10日- 2016年6月30日，周四晚7：00-9：00 上课地点：北航新主楼B208 一．内容简介 1、专业与学生定位： （1）专业：面向控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业。 （2）学生：控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业的研究生，或有一定航空和自动化专业背景的研究生。 2、课程目的： 本门课程讲授多旋翼设计、动态模型建立、状态估计、控制和决策等方面的基础知识。涉及到空气流体力学、电机、电路、材料结构、理论力学、以及导航、制导与控制各个学科的基础知识，具有基础性和系统性两个特色。因此，有利于学生将已学知识融会贯通，着重培养学生解决问题的综合能力。 二．先修课程与专业基础 自动控制原理，航空航天概论、理论力学、线性系统（建议） 三．讲授方式 课堂授课、学生大作业展示 四．教学安排与内容 1.多旋翼绪论

首先介绍飞行器的基本概念、评价、以及多旋翼的历史，以及本课的安排。 2.多旋翼设计 通过这一阶段，学生可以对多旋翼机身主体设计和动力系统选择有一个较为深入的认识。 2.1多旋翼的基本组成。这一部分包括机身主体、动力系统、控制系统和通讯链路等四个部分。主要按作用和指标参数两个方面分别介绍机架、起落架、云台、涵道、电机、电调、螺旋桨、电池、遥控器和接收器、自动驾驶仪、地面站、数传电台、图传电台、通讯协议等方面。 2.2多旋翼的机身主体设计。这一部分包括机体基本构型，以及减震和降噪的考虑等。 2.3多旋翼动力系统性能建模和估算。多旋翼的动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨四个部分组成。这一部分包括对这四个部分建立力和能量方面的数学模型，提出动力系统的飞行性能估算，比如：悬停状态下的续航时间和最大负重等等。 3.多旋翼动态模型 通过这一阶段，学生可以对多旋翼运动模型有一个较为深入的认识。基于这个基础，可以做多旋翼状态估计和控制。 3.1坐标系和姿态表示。主要介绍世界惯性坐标系和机体系，以及姿态的三种表示方法：欧拉角、旋转矩阵和四元数。 3.2多旋翼的动态模型。这一部分包括姿态模型、动力学模型、控制分配模型、电机模型，还包括气动阻力模型。这将为后续的多旋翼位姿估计和控制等课程服务。 4.多旋翼状态估计 通过这一阶段，学生可以对多旋翼信息估计有一个较为深入的认识。 4.1 传感器模型以及校正。这一部分首先建立这些传感器的测量模型，进而进一步提出较正方法，估计需要较正的参数。 4.2 可观性和卡尔曼滤波。 4.3 多旋翼的运动信息估计。这一部分包括姿态估计、位置-速度估计、速度估计和障碍估计的介绍。 5.多旋翼控制 通过这一阶段，学生可以对多旋翼控制有一个较为深入的认识，所介绍的方法大部分是较为常用的方法。

四旋翼飞行器设计资料

四旋翼飞行器的设计 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

任务与通信等子与能源、动力导航与控制、 ( 个集成多个子系统系统) 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。 二．四旋翼飞行器的国内外研究现状 目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。 (1)遥控航模四旋翼飞行器 遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的Dragan．flyer III和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制的X．UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)76．2cm，高18cm，重481．19：旋翼直径28cm，重69；有效载荷113．29；可持续飞行16--20min。Draganflyer III采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以控1书1]4个电机的转速。另外，还使用

多旋翼飞行器控制系统设计【文献综述】

毕业设计文献综述 电气工程与自动化 多旋翼飞行器控制系统设计 一、材料来源 参考文献主要来自于图书馆中文数据库中的CNKI期刊学位会议报纸中的中国期刊全文数据库。 二、飞行器的发展历史以及现状分析 在我国，几个世纪的发展，让我们看着各种飞行器像雨后春笋般出现，有飞机、导弹、火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机、空间站、星球探测器等等，近年来，对各种飞行器的研究都十分重视，国内外许多开源项目都能提供相当多的资料。 自从欧洲的莱特兄弟发明飞机到现在，人们都一直在为能够在蓝天中飞翔而激动不已，但是同时又受着起飞、着落所需的场地的困扰。在莱特兄弟的时代，飞机只要有一片草地或缓坡就可以轻松地起飞和着陆。在不列颠之战和巴巴罗萨作战中，当时性能最高的“喷火”战斗机也只需要一片平整的草地就可以轻松地起飞，除了那些重型轰炸机，很少有必须要用“正规”的混凝土跑道才能起飞、着陆的。然而，这些飞机早已经不能和今天的飞机的性能相比，但飞机的对跑道的冲击、飞机的重量和滑跑速度，使对起飞、着陆的具体跑道的要求有增无减，甚至连简易跑道也是高速公路级别的。现代各种战斗机和其他高性能的军用飞行器对坚固、平整的长跑道的依赖，早已经成为现代各国空军致命的软肋。为了解决这一困境，从航空先驱者们的时代开始，人们就在孜孜不倦地研究着具有垂直短距起落能力的能够象鸟儿一样腾飞的飞机。当人们跳出模仿鸟儿拍翅飞行的思维怪圈之后，以贝努力原理为依据的空气动力升力就成为了除气球和火箭外其他所有动力飞行器的重要的基本原理。所谓“机翼前行”，实际上指的就是机翼和周围空气形成了相对速度，当机翼前行时，上下翼面之间的气流速度差导致上下翼面之间的压力差，这就是所谓的升力。和机身一起保持前行时，机翼可以造成一定的升力，机身不动但机翼像风车叶一样打转，和周围空气形成相对速度，这样也可以形成升力，这样旋转的“机翼”就形成了旋翼，旋翼产生了的升力就是直升机垂直起落的基本原理。 随着微机电系统（MEMS）技术以及微惯导（MIMU）等相关技术的迅猛发展，微型无人飞行器业已成为目前无人机领域的研究热点之一，它在军用和民用领域中均具有

四旋翼飞行器设计

摘要 本设计采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器。超声波传感器实时发送飞行高度数据给主控系统，主控制器通过判断、分析、处理产生控制信号进而控制各个电机，使其在不同的飞行高度具有不同的速度，保证了飞行器在某一高度范围内飞行；主控制器读取MPU6050陀螺仪的数据，通过对采集数据的分析，使飞行器做出相应的姿态调整，来保持飞行器能够平稳飞行；激光传感器能够对白色场地上的黑线进行识别，达到循迹的目的。本设计通过对飞行控制系统的总体框架设计，实现了飞行控制系统的硬件设计和软件设计，并对设计中的关键技术问题进行了研究，最终实现了四旋翼飞行器的一键启动自主飞行控制。 关键词：R5F100LEA 传感器姿态控制四旋翼飞行器

1. 四旋翼自主飞行器简介 1.1 结构形式 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。 图1.1 四旋翼飞行器结构形式 1.2 工作原理 传统直升机是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，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，这样会导致其动力部稳定，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。