四旋翼飞机概要
四旋翼飞行器说明概要
1907年，Breguet兄弟制作第 一 个载人四旋翼飞行器
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四旋翼飞行器发展第二阶段
21世界初，George de Bothezat 采用电能为主要动力源，制造飞 行器
四旋翼飞行器实现自动导航、 精确定位、高稳定性等发展
方案结构设计
• 方案一
优点：1、能够以最小的中心架 安装最多的轴； 2、能够调整轴的角度更 轻易的转换轴数量及角度。 缺点：利用凹槽紧固强度与稳 定性不够。
资源采集
任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞 行并由人来控制的飞行物，称为飞行器。 四旋翼飞行器作为多旋翼飞行器的一种， 能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控 制等特点；多旋翼飞行器的发展阶段大致分为 两个阶段。
四旋翼飞行器发展第一阶段
20世纪初，法国院士Charles 制造了第一个小型无人飞行器
电机拉拉力计算
飞行器运动过程中要保证机翼产生的升力大于飞行器的飞行重 量，根据电机旋转产生升力带动机身向上运动，有以下公式进行 电机拉力计算： • • • 式中：T扭为电机扭矩，Nm；P为电机功率，W；n为电机转速， r/min；F拉为电机拉力,N；r为电机中心距，mm；I为电机电流，A ；R为电机电阻，Ω。 • 由此得出一个电机产生的拉力为4.099N，四个电机产生拉力为 16.396N；由于四个机翼共同作用相互产生影响则真实产生拉力为 和拉力的0.7倍，因此共产生拉力为11.4772N。
仿真
动力分许
根据计算得知，电机旋转带动机翼旋转产生的 升力为10.28N，而飞行器的飞行重量为6.997N，因 此飞行器能够实现自主飞行和着陆能力。
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飞行器特点
1、飞行器结构可靠性与稳定性强； 2、拍摄搭载装置变换性强，可以安装多种拍摄 装置； 3、飞行器操作简单，适用范围人群广； 4、飞行器结构材料的选取成本低、加工方便且 材料质量轻； 5、飞行器的整体设计美观。
四旋翼飞行器初步讲解
理 不如PID控制策略。
四旋翼飞行器初步讲解
串级PID控制器的原理及优点
串级控制系统的典型结构图如图1所
示，系统中有两个PID控制器称为副调
节器传递函数，包围的内环成为副回
控 制 原 理
路。称为主调节器传递函数，包围的 外环称为主回路。主调节器的输出量 作为副回路的给定量。相对单环PID其 优点是将干扰加到副回路中，由副回 路控制对其进行抑制。副回路中参数
平姿态等各种导航信息。
四旋翼飞行器初步讲解
1、欧拉角法
飞
行
姿
态
的
表
示
cos cos cos sin sin sin cos cos sin cos sin sin
方 R sin cos
sin sin sin cos cos
sin
sin
cos
sin
cos
法 sin
cos sin
cos cos
求婚
四旋翼飞行器初步讲解
动 力 原 理
四旋翼飞行器初步讲解
垂直运动
俯仰、翻滚运动
偏航运动
四旋翼飞行器初步讲解
捷联式惯性导航
姿
态
捷联式惯性导航系统是把惯性元件,即
检 陀螺仪和加速度计固定在运机体上, 分别测
测 量运机体相对惯性空间的三个转动角速度和
原 三个线加速度沿运机体坐标系的分量,经过
理 计算,得到运机体的位置、速度、航向和水
整合性6轴运动处理组件；
MPU-6050 整合了 3 轴角速度和 3
姿
轴加速度传感器， 免除了组合陀螺仪与 加速计时存在的轴差问题，减少了大量
态
的包装空间。
传
其具备较低功耗：陀螺仪工作电流 5mA，待机电流仅 5uA；加速计工作电
四旋翼
四旋翼飞行器的设计1.四旋翼飞行器结构1.1四旋翼飞行器的简介四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行；但是，从另一方面来说，四旋翼直升机有四个输入力，同时却有六个输出，所以它又是一种欠驱动系统(欠驱动系统是指少输入多输出系统)。
通常的旋翼式直升机具有倾角可以变化的螺旋桨，而四旋翼直升机与此不同，它的前后和左右两组螺旋桨的转动方向相反，并且通过改变螺旋桨速度来改变升力，进而改变四旋翼直升机的姿态和位置。
四旋翼飞行器实际是一种具有四个螺旋桨推进器的直升机，并且四个螺旋桨呈十字交叉结构。
如图下所示。
四旋翼飞行器结构图四旋翼飞行器的动作是通过改变四个螺旋桨产生的升力来控制的。
传统的旋翼式直升机通过改变螺旋桨的旋转速度，叶片攻击角(倾斜角)和叶片轮列角，从而既可以调整升力的大小又可以调整升力的方向。
与传统的旋翼式直升机不同，四旋翼飞行器只能够通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。
尽管四旋翼飞行器的螺旋桨倾角是固定的，但是由于螺旋桨是用弹性材料制成的，因此可以通过空气阻力扭曲螺旋桨来改变倾角。
总之，升力是四个螺旋桨速度的合成效应，而旋转力矩则是由四个螺旋桨速度的差异效应引起的。
1.2 四旋翼直升机的特点四旋翼直升机通过平衡四个螺旋桨产生的力来实现稳定的盘旋以及精确飞行。
单个螺旋桨的旋翼式直升机(同时具有一个用于抵消感应力矩的尾部螺旋桨)在复杂环境下飞行是非常危险的，因为裸露的螺旋桨叶片很可能会碰到某些周围的物体，并因此导致旋翼式直升机的坠毁。
此外，即使是富有经验的飞行员也很难使这样的直升机靠近物体。
而四旋翼直升机可以完成这样的动作，是因为相对于一般的单螺旋旋翼式直升机它可以采用更小的螺旋桨，进而使飞行变得更加安全，不至于使裸露在外面的螺旋桨刮到周围物体而坠毁。
此外，四个螺旋桨产生的推力较单个螺旋桨产生的推力能更好的实现飞行器的静态盘旋。
四旋翼直升机是一种由四个输入力产生6个自由度方向运动的欠驱动旋翼式直升机。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述随着科技的不断发展，无人机已经成为了现代社会中不可或缺的一部分。
其中四旋翼飞行器是无人机中的一种常见类型，它具有简单的结构、灵活的机动性和广泛的应用领域。
在四旋翼飞行器的飞行过程中，飞行控制技术起着至关重要的作用，它直接影响着飞行器的稳定性、精准度和安全性。
本文将就四旋翼飞行器飞行控制技术进行综述，包括其基本原理、控制方法和发展趋势。
一、四旋翼飞行器的基本原理四旋翼飞行器由四个对称分布的螺旋桨组成，其工作原理类似于直升机。
螺旋桨通过变化其转速来产生升力和推力，从而使飞行器在空中进行飞行。
四旋翼飞行器的飞行控制主要通过调节螺旋桨的转速来实现。
当需要向上升时，四个螺旋桨的转速均增加；当需要下降时，四个螺旋桨的转速均减小；当需要向前飞行时，前两个螺旋桨的转速增加，后两个螺旋桨的转速减小；当需要向后飞行时，前两个螺旋桨的转速减小，后两个螺旋桨的转速增加。
通过这种方式，四旋翼飞行器可以在空中实现上升、下降、前进、后退、转向等各种飞行动作。
二、四旋翼飞行器的飞行控制方法1. 自稳定控制自稳定控制是四旋翼飞行器最基本的飞行控制方法。
它通过激活飞行器中的陀螺仪、加速度计、磁力计等传感器，实时监测飞行器的姿态和运动状态，然后通过控制飞行器的电机来调整其姿态，使其保持水平飞行、平稳悬停等动作。
这种控制方法简单直观，适用于日常飞行和初学者操作。
2. 遥控手柄控制遥控手柄控制是四旋翼飞行器常见的操控方式。
通过遥控器上的摇杆、按钮等控制装置，飞行员可以实时操控飞行器的姿态、速度和高度。
这种控制方法需要飞行员有一定的飞行经验和操作技巧，适用于比较复杂的飞行任务和专业的飞行员。
3. 自动驾驶控制随着人工智能和自动控制技术的不断发展，自动驾驶控制已经成为了四旋翼飞行器的新趋势。
通过预先设置飞行路径、目标点和航线，飞行器可以自主实现起飞、飞行、巡航、降落等任务，大大提高了飞行的精准度和安全性。
这种控制方法适用于无人机自主飞行、航拍、物流运输等领域。
四旋翼飞行器原理及实现
四旋翼飞行器原理及实现四旋翼飞行器（Quadcopter）是一种通过四个螺旋桨提供推力来实现垂直起降和水平飞行的飞行器。
它具有灵活性高、悬停稳定和机动能力强等特点，因此在航拍、农业喷洒、抢险救援等领域得到广泛应用。
原理四旋翼飞行器的原理基于螺旋桨提供的升力和扭矩。
四个螺旋桨分别固定在飞行器的四个支架上，两个螺旋桨按照同一方向旋转，另外两个按照相反方向旋转。
通过控制每个螺旋桨的转速，可以实现飞行器的上升、下降、向前、向后、向左、向右的运动。
四旋翼飞行器的飞行控制系统通常由飞控模块、传感器（加速度计、陀螺仪、磁力计）、遥控器和电调等部件组成。
飞控模块接收传感器信息和遥控器指令，经过算法计算得出螺旋桨的转速，从而实现对飞行器的控制。
实现材料准备搭建四旋翼飞行器需要准备以下材料： - 四个无刷直流电机 - 四个螺旋桨 - 电调- 飞控模块 - 电池 - 遥控器 - 机架 - 电子速度控制器搭建步骤1.将四个无刷直流电机安装在机架的四个支架上。
2.安装螺旋桨在每个电机上，确保两个螺旋桨按照同一方向旋转，另外两个按照相反方向旋转。
3.连接电调和电机，确保正确连接。
4.将飞控模块安装在机架上，并连接传感器和电调。
5.安装电池和遥控器，确保电路连接正确。
6.完成搭建后，对四旋翼飞行器进行调试和校准。
飞行控制控制四旋翼飞行器飞行的关键在于飞控系统的控制。
通过遥控器发送指令给飞控模块，调整螺旋桨的转速，可以实现飞行器的姿态控制、高度控制和位置控制。
同时，传感器也可以提供飞行器的姿态信息，帮助飞控系统实时调整螺旋桨的转速，保持飞行器的稳定飞行。
结语四旋翼飞行器的原理和实现涉及到力学、电子、控制等多方面的知识，在搭建和飞行过程中需要仔细操作和谨慎调试。
通过不断学习和实践，可以更好地理解四旋翼飞行器的运作原理，实现更加灵活、稳定的飞行。
愿四旋翼飞行器爱好者们在探索飞行器世界的过程中获得乐趣和成长！。
四旋翼飞行原理
四旋翼飞行原理四旋翼是一种多旋翼飞行器，由四个旋翼组成，每个旋翼都由一个电动机驱动，通过变速器和螺旋桨传动力量，从而产生升力和推力，使飞行器能够在空中悬停、上升、下降、前进、后退、左右移动等多种飞行动作。
四旋翼飞行器具有结构简单、稳定性好、操控灵活、适应性强等优点，被广泛应用于航拍、物流、农业、救援等领域。
四旋翼飞行原理主要涉及到空气动力学、力学、电子技术等多个学科，下面将从以下几个方面进行介绍。
一、旋翼的升力和推力旋翼是四旋翼飞行器的核心部件，它通过旋转产生升力和推力，使飞行器能够在空中飞行。
旋翼的升力和推力与旋翼的转速、叶片的形状、叶片的数量、叶片的角度等因素有关。
一般来说，旋翼的转速越快，产生的升力和推力就越大；叶片的形状和数量也会影响旋翼的性能，一般采用空气动力学优化设计的叶片能够提高旋翼的效率；叶片的角度也会影响旋翼的性能，一般来说，叶片的攻角越大，产生的升力和推力就越大，但是过大的攻角会导致旋翼失速或者失控。
二、四旋翼的稳定性四旋翼飞行器的稳定性是其能够在空中悬停、上升、下降、前进、后退、左右移动等多种飞行动作的基础。
四旋翼的稳定性主要涉及到飞行器的重心、旋翼的转速、旋翼的位置、旋翼的控制等因素。
一般来说，飞行器的重心应该位于四个旋翼的中心位置，这样才能够保证飞行器的稳定性；旋翼的转速应该保持一定的平衡，避免出现旋翼失速或者失控的情况；旋翼的位置也会影响飞行器的稳定性，一般来说，旋翼的位置越高，飞行器的稳定性就越好；旋翼的控制也是保证飞行器稳定性的关键，通过控制旋翼的转速和角度，可以实现飞行器的各种动作。
三、四旋翼的操控四旋翼飞行器的操控主要涉及到遥控器、飞控系统、传感器等多个方面。
遥控器是操控飞行器的主要工具，通过遥控器可以控制飞行器的上升、下降、前进、后退、左右移动等动作；飞控系统是飞行器的大脑，通过飞控系统可以实现飞行器的自动控制、姿态稳定、高度控制等功能；传感器是飞行器的感知器，通过传感器可以感知飞行器的姿态、高度、速度等信息，从而实现飞行器的自动控制和稳定。
四轴飞行器知识简介
四轴飞行器知识什么是四轴飞行器？四轴飞行器也叫四旋翼飞行器。
通俗点说就是拥有四个独立动力旋翼的飞行器，有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。
四轴飞行器是多轴飞行器其中的一种，常见的多轴飞行器有两轴，三轴，四轴，六轴，八轴或者更多轴。
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相对应。
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.四轴飞行器需要的零件无刷电机（4个）、电子调速器（简称电调，4个，）、螺旋桨（4个，需要2个正浆，2个反浆）、飞行控制板（常见有瑞伯达、KK等品牌）、电池（11.1v航模动力电池）、遥控器（最低四通道遥控器）、机架（非必选）、充电器(尽量选择平衡充电器)怎样知道是否能正常起飞？一切准备完毕，怎么知道可以试飞了呢，我个人建议为了避免匆忙上马，秒炸。
先拿手上试飞比较好，但要注意离身体距离。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器（Quadcopter）是一种多旋翼无人机，具有垂直起降和飞行能力。
它由四个对称分布的旋翼组成，通过旋转调节旋翼的推力和扭矩来控制飞行器的运动。
四旋翼飞行器的飞行控制技术包括姿态稳定、定位导航和路径规划等方面。
本文对这些技术进行了综述。
姿态稳定是四旋翼飞行器飞行控制的基础。
姿态稳定包括俯仰、横滚和偏航三个方向的控制。
通常，通过控制四个旋翼的推力和扭矩来实现姿态调节。
目前常用的控制方法有PID控制和自适应控制等。
定位导航是四旋翼飞行器飞行控制的重要组成部分。
准确的定位导航能够使飞行器实现精确的飞行路径和任务。
目前常用的定位导航技术包括GPS、惯性导航系统和视觉导航系统等。
GPS能够提供全球范围的位置信息，但其精度受到多种因素的影响；惯性导航系统借助惯性传感器（如加速度计和陀螺仪）测量飞行器的运动状态，但累积误差较大；视觉导航系统通过摄像头获取环境信息，可以实现较精确的定位和导航。
路径规划是四旋翼飞行器飞行控制的高级技术。
路径规划可以将飞行器的任务转化为轨迹，在保证安全和效率的前提下，实现自主飞行和避障等功能。
常用的路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法和基于遗传算法的优化方法等。
四旋翼飞行器飞行控制技术包括姿态稳定、定位导航和路径规划等方面。
这些技术能够使飞行器实现稳定的飞行和精确的定位导航，为其应用提供了基础。
随着无人机技术的发展，四旋翼飞行器的飞行控制技术也在不断创新和完善，为无人机的应用场景提供更多可能性。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种利用四个独立旋转的螺旋桨来实现飞行的航空器。
它可以垂直起降，并且具有灵活的飞行能力，因此在无人机、航拍等领域得到了广泛的应用。
要保证四旋翼飞行器的安全飞行，飞行控制技术起着至关重要的作用。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，包括飞行原理、飞行控制系统、姿态稳定控制、导航控制、避障技术等方面的内容。
一、飞行原理四旋翼飞行器的飞行原理是利用四个螺旋桨产生的升力来支撑整个飞行器，再通过改变螺旋桨的转速和倾斜角来实现飞行方向和姿态的控制。
螺旋桨的旋转产生的气流通过空气动力学原理产生升力，从而支持飞行器的重量。
通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角，可以控制飞行器的上升、下降、向前、向后、向左、向右的运动。
利用螺旋桨的差速旋转可以实现飞行器的姿态控制，从而使得飞行器可以实现各种飞行动作。
二、飞行控制系统飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部件，它由传感器、处理器、执行器等多个部分组成，用于感知环境、执行控制指令，实现飞行器的姿态稳定控制、导航控制和避障等功能。
传感器用于获取飞行器的姿态、位置、速度等信息，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等。
处理器用于处理传感器获取的数据，并根据飞行器的姿态、位置和控制指令来生成执行器的控制信号，执行器包括电动调节器和螺旋桨。
飞行控制系统的核心是飞控芯片，它是飞行控制系统的“大脑”，负责控制飞行器的姿态稳定、导航和飞行动作的执行。
常用的飞控芯片包括Pixhawk、Naze32、Ardupilot等，它们具有强大的计算能力和丰富的控制算法，可以实现飞行器的高度稳定性和精确控制。
三、姿态稳定控制姿态稳定控制是指通过控制飞行器的姿态角度来实现飞行器的稳定飞行。
四旋翼飞行器的姿态包括俯仰角、横滚角和偏航角，分别对应飞行器绕前后轴、左右轴和上下轴的转动姿态。
姿态稳定控制主要通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角来实现，可以采用PID控制算法、自适应控制算法等方法来实现。
四旋翼起飞条件-概述说明以及解释
四旋翼起飞条件-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:四旋翼飞行器作为一种无人机系统，具有垂直起降、灵活机动、飞行稳定等优点，在军事、民用、科研等领域具有广泛的应用前景。
起飞是四旋翼飞行器飞行过程中的重要环节，其条件直接影响着飞行器的安全性和性能表现。
本文将深入探讨四旋翼飞行器的起飞条件，分析其重要性以及实践意义，为提高飞行器的飞行效率和安全性提供参考。
1.2文章结构"1.2 文章结构":本文将首先介绍四旋翼飞行器的基本概念和工作原理，然后探讨起飞条件在飞行器性能和安全性方面的重要性。
接着将详细分析四旋翼飞行器的起飞条件，包括对气象条件、地形条件、飞行器状态等方面的要求。
最后，总结起飞条件对飞行器运行的影响及其实践意义，并展望未来在起飞条件方面的研究方向和发展趋势。
通过本文的阐述，读者将深入了解四旋翼飞行器起飞条件的重要性及相关知识。
1.3 目的本文旨在探讨四旋翼飞行器的起飞条件，分析其重要性以及影响因素。
通过对起飞条件的深入研究，希望能够为四旋翼飞行器的安全起飞提供理论支持和实践指导。
同时，也旨在引起人们对四旋翼飞行器安全性的关注，促进行业的发展和规范化。
通过本文的撰写，希望可以为四旋翼飞行器的设计、制造和运营提供参考，以确保其在飞行过程中能够达到最佳的性能和安全水平。
2.正文2.1 四旋翼飞行器简介四旋翼飞行器是一种具有四个旋翼的飞行器，每个旋翼都可以单独控制飞行器的姿态和飞行方向。
四旋翼飞行器通常采用无人驾驶技术，能够在无人操作的情况下进行飞行任务。
四旋翼飞行器具有垂直起降能力，可以在狭小的空间内起飞和降落，不需要像传统飞行器那样需要跑道。
这使得四旋翼飞行器在城市中进行任务或救援行动时非常有效。
四旋翼飞行器在军事、商业和民用领域都有广泛的应用，如监视和侦察任务、货物运输、救援行动等。
它们的灵活性和便捷性使得它们成为当前飞行器领域中备受关注的一种飞行器类型。
2.2 起飞条件的重要性四旋翼飞行器的起飞条件是整个飞行过程中最关键的环节之一。
四旋翼飞行原理
四旋翼飞行原理
四旋翼飞行器是一种利用四个独立旋转的螺旋桨产生升力和推力的飞行器。
其独特的设计结构使其在空中悬停、飞行、转弯等动作更加灵活和稳定。
四旋翼飞行器的飞行原理可以简单分为升力和操纵两个方面：
一、升力原理
四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的气流产生升力。
每个螺旋桨的旋转产生了高速气流，使得飞行器所在的空气受到扰动，从而产生了向下的压力，这个压力就是所谓的升力。
从力学角度来说，根据伯努利定律，当气流速度增大时，气流的压强就减小，于是形成了一个向上的升力。
四个螺旋桨产生的升力共同支撑飞行器的重量，使其能够悬停在空中。
二、操纵原理
四旋翼飞行器可以通过控制四个螺旋桨的转速和方向来实现前进、后退、转弯等动作。
通过增加某个螺旋桨的转速来使得飞行器向对应的方向运动，通过降低某个螺旋桨的转速来实现停止或改变方向。
此外，四旋翼飞行器还有倾斜机身的能力，可以通过调整飞行器的机身倾斜角度来实现飞行器的横向平移和提升、下降等动作。
倾斜机身会产生较大的水平推进力，使得飞行器可以迅速移动或改变方向。
总结来说，四旋翼飞行器的飞行原理包括升力和操纵两个方面，通过螺旋桨产生的气流升力和控制螺旋桨转速和机身倾斜角度来实现飞行动作。
这种设计结构使得四旋翼飞行器在垂直起降、悬停、飞行和转弯等操作上都具有独特的优势和灵活性。
四旋翼飞行器资料
2020/6/26
小牛顿科学馆
有哪位同学能够说一下生活当 中我们欣飞赏行都一器看段 的到四 视过轴 频哪些飞行器？
2020/6/26
小牛顿科学馆
2020/6/26
早期的四旋翼飞行器
小牛顿科学馆
四旋翼飞行器最早诞生于上世纪初的欧洲，在公元1907年的 法国，第一个载人的四旋翼飞行器由Breguet兄弟设计并制作 了出来，被命名为Gyroplane No.1。其起飞时候需要大量人 员的协助，且飞行控制的稳定性并不是很理想，且体积庞大， 功能极其有限。四旋翼飞行器的发展经历了载人到无人，遥控 到自主飞行的过程，结构也在向小型化的方向发展，功能也在 不断的增强。上世纪初到上世纪中叶，四旋翼飞行器的主要以 载人为主，公元1958年美国飞行器设计师Frank Nicholas Piasecki为美国海军设计了一架可以在核潜艇上起降的四旋翼 飞行器。它是第一架无人控制四旋翼飞行器。随着科技的不断 进步，微电子机械系统、嵌入式系统的蓬勃发展，以及传感器 技术的广泛应用，他们和四旋翼飞行器技术相结合，使得四旋 翼飞行器在各领域的应用越来越广泛。
国内某大学微型四旋翼飞行器
2020/6/26
小牛顿科学馆
多智能体集群协作，空中壁障
小牛顿科学馆
2020/6/26
微小型飞行器由于体积小、载荷低等特点，
与普通工业产品相比，对控制系统的硬件设计要
求较高，有以下几个方面要求：
(1)安装在狭小
因有两对电机转向相反，可以平衡其对 机身的反扭矩，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，
四旋翼飞行器的飞行原理及应用领域
四旋翼飞行器的飞行原理及应用领域
四旋翼直升机，国外又称Quadrotor， Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等等，是一种具有四个螺旋桨的飞行器。
那么，它是如何起飞并完成各种动作的呢？
1起飞：它是如何起飞的呢? 这要从螺旋桨说起。
螺旋桨产生升力的原理○
可通过牛顿第三定律和伯努利定律来解释。
当平行于翼弦方向的气流流经机翼时，由于机翼的阻碍导致流管截面变小，而导致机翼上下表面的空气流速均增加。
但由于机翼上表面的弯度大于下表面弯度，根据伯努利定律可知上表面气流的流速整体上要高于下表面气流速度，也就是说气流作用在机翼上表面的静压整体上小于作用在下表面上的静压。
由于上下表面压差的存在，使得机翼最终受到向上的合力，亦即升力。
2动作：四旋翼的四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的旋翼具有相同的○
旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。
通过改变螺旋桨的速度，使各螺旋桨产生的升力不同，来实现各种动作。
说完了原理，那么四旋翼飞行器究竟是做什么的，它能应用在那些方面呢？四旋翼飞行器具有一定的军事和民用价值，他主要有四大应用领域;
一、政府应急指挥领域
当有火灾、地震、洪涝灾害发生时的应急处置：当灾害发生时，启动飞行器可快速、准确将现场图像及时传送至指挥中心，帮助相关人员有效指挥救援工作。
（相关应用部门：地震局，气象局，防汛指挥部，地方政府应急办，武警消防局，林业局等）。
四旋翼飞机
功能介绍:利用小型四旋翼飞机对灾害现场进行勘测，其中四旋翼上添加摄像头对现场进行勘测，从而了解现场状况。
设计思路:小型四旋翼飞机座位各类传感器搭载平台，根据现场实际情况通过控制四旋翼飞机飞行姿态，从而达到对复杂环境的监测。
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，四个旋翼的结构和半径相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。
四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。
对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反；正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应。
结构如下2.工作原理通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。
四旋翼是一种欠驱动系统，是一种六自由度的垂直升降机，四个输入力，六个状态输出。
垂直飞行控制：控制飞机的爬升，下降和悬停。
图中蓝色弧线箭头方向表示螺旋桨旋转的方向，以下同。
当四旋翼处于水平位置时，在垂直方向上，惯性坐标系同机体坐标系重合。
同时增加或减小四个旋翼的螺旋桨转速，四个旋翼产生的升力使得机体上升或下降，从而实现爬升和下降。
悬停时，保持四个旋翼的螺旋桨转速相等，并且保证产生的合推力与重力相平衡，使四旋翼在某一高度处于相对静止状态，各姿态角为零。
垂直飞行控制的关键是要稳定四个旋翼的螺旋桨转速使其变化一致横滚控制：如图所示，通过增加左边旋翼螺旋桨转速，使拉力增大，相应减小右边旋翼螺旋桨转速，使拉力减小，同时保持其它两个旋翼螺旋桨转速不变。
这样由于存在拉力差，机身会产生侧向倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，使机体向右运动，当2,4转速相等时，可控制四旋翼飞行器作侧向平飞运动。
四旋翼的基本构成
四旋翼的基本构成四旋翼是一种常见的无人机类型，由四个旋翼、机身和控制系统组成。
本文将从四旋翼的基本构成、旋翼的工作原理、机身的设计以及控制系统的功能等方面进行介绍。
一、四旋翼的基本构成四旋翼主要由以下三个部分组成：旋翼、机身和控制系统。
1. 旋翼：四旋翼的关键部分，由四个独立的旋翼组成。
每个旋翼由电机、螺旋桨和控制系统组成。
旋翼通过电机提供动力，螺旋桨产生升力。
四个旋翼通过控制系统协同工作，实现飞行姿态的调整和飞行控制。
2. 机身：四旋翼的主要结构部分，连接旋翼和控制系统。
机身一般由轻质材料制成，如碳纤维复合材料。
它的设计应考虑到飞行稳定性、结构强度和重量等因素。
3. 控制系统：控制四旋翼飞行的核心部分，包括传感器、处理器和执行机构。
传感器用于感知飞行状态和环境信息，如加速度计、陀螺仪和气压计等。
处理器用于处理传感器数据和执行飞行控制算法，以实现飞行稳定和导航功能。
执行机构用于控制旋翼的转速和姿态，使飞行器保持平衡和稳定飞行。
二、旋翼的工作原理四旋翼通过旋翼产生的升力和扭矩进行飞行。
旋翼的工作原理与直升机类似，通过改变旋翼的转速和姿态来控制飞行器的运动。
1. 升力产生：旋翼通过螺旋桨产生气流，产生上升的气流速度，从而产生升力。
旋翼的升力与螺旋桨的转速、叶片的形状和角度等因素有关。
2. 扭矩平衡：四旋翼的四个旋翼旋转方向相对，使得相邻旋翼的扭矩相互抵消，从而实现飞行器的平衡。
三、机身的设计四旋翼的机身设计应考虑到飞行稳定性、结构强度和重量等因素。
1. 飞行稳定性：机身的设计应使飞行器具有良好的飞行稳定性，能够抵抗外部干扰和风力的影响。
2. 结构强度：机身的结构应具有足够的强度和刚度，能够承受飞行过程中的载荷和振动。
3. 重量控制：机身的重量应尽量轻量化，以提高飞行器的续航能力和机动性。
四、控制系统的功能四旋翼的控制系统起到关键的作用，它能够感知飞行状态和环境信息，并通过控制旋翼的转速和姿态，实现飞行器的稳定飞行和导航功能。
四轴飞行器介绍
四轴飞行器介绍四轴飞行器（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。
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。
四轴飞行器作为一种飞行稳定、能任意角度灵活移动的飞行器，在没有外力并且重量分布平均时，四个螺旋桨以同样的转速转动，当螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时，四轴飞行器就会向上升；在拉力与重量相等时，四轴飞行器就可以在空中悬停；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，同样其他几个方向受到外力时四轴也可以通过这种动作保持水平.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，也相应地向前飞行.同理，其他的飞行姿态也可实现。
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。
在复杂、危险的环境下完成特定的飞行任务。
瑞伯达四轴飞行器。
RBD坚持创新, 以技术和产品为核心，通过完美的产品带来前所未有的飞行体验。
四旋翼自主飞行器概要
四旋翼自主飞行器设计报告林，张，翁（泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州362000）摘要：设计四旋翼自主飞行器，使得飞行器自主的从一个指定的区域飞到另外的一个指定区域降落并停机。
四旋翼飞行器具有四个定螺距螺旋桨，可以通过协调各个旋翼的速度来控制飞行器的飞行姿态和飞行速度，而不需要繁杂的桨矩控制部件，而且也可以共享电池、控制电路板等，因此简化了结构，减轻了飞行器重量，可以减少能源消耗。
关键字：四旋翼飞行器；电机；电调一、系统方案1.1方案描述四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易受到外界的干扰。
无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器(简称电调),调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。
姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型[4],姿态控制系统需要检测的状态有:无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。
飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心,其主要功能有: (1)主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理; (2)传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、位置、速度等信息; (3)主控制器能与PC机进行数据交换;(4)系统能进行无线数据传输。
根据四轴飞行器实际的飞行需求,飞行控制系统一般包含主控制器、各传感器模块,通信模块和电源模块等。
其中主控制器采集各传感器的信息,通过控制算法求解出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电调;惯性测量单元检测无人机3个轴向的角速度和加速度;高度传感器检测无人机的高度;无线数传模块用于传送控制指令,也可以在调试时用于传输传感器数据;电源模块为各传感器和主控制器提供电源。
四轴飞行器简介
四轴飞行器简介四轴飞行器，也称四旋翼飞行器，曾经被作为初期飞机的模型开发，但由于体积、重量和控制的诸多原因所废弃。
而最终，凭借现在电子技术的发展重新在小型飞行器中大显身手。
四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。
由于其采用电子控制，不是油动力控制，所以其质量稳定。
又因为器小巧的外形和简单的操作，赢得个各个相关行业的关注。
相较与以前的航模，如固定翼和直升机模型，四轴飞行器更为便宜、入手快、安装方便、操作简单。
四轴飞行器全电力控制，所以只要电池不坏就可以重复充电使用，比油动力的更省开销。
由于以上特点，四轴飞行器的应用也更为广阔。
瑞伯达生产并提供各行业无人机应用的解决方案。
对于普通大众，顺手玩弄四轴飞行器可以飞出各种花样，炫耀出你神一般的操作；对于专业航拍，只需搭载不错的云台，即可实现完美航拍效果；对于军方，美国军方已经开始介入四轴飞行器的研究；而各种科幻电视剧和电影。
也用到了飞行器的拍摄。
所以说，四轴飞行潜力巨大。
因为四轴飞行器体积小、重量轻、携带方便。
能以易进入人不易进入的各种恶劣环境。
常用来制作模型，也用作执行航拍电影取景、实时监控、地形勘探等多行业。
随着科技的发展，四轴飞行器也将应用于越来越多的行业中去。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个电动马达驱动的多旋翼飞行器，它通过改变四个电动马达的转速来实现飞行器的飞行、俯仰、滚转和偏航的控制。
随着科技的不断发展，四旋翼飞行器的应用范围越来越广，从娱乐飞行、航拍摄影到军事侦察等领域都有广泛的应用。
这些应用对飞行控制技术提出了更高的要求，使得飞行控制技术在不断发展和完善。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，并介绍其发展现状和未来趋势。
一、四旋翼飞行器的基本结构四旋翼飞行器是一种以四个电动马达为动力的多旋翼飞行器。
它的基本结构包括机身、四个电动马达、螺旋桨和飞行控制系统。
四个电动马达分别安装在飞行器的四个角上，每个电动马达带动一个螺旋桨，通过改变四个电动马达的转速来控制飞行器的飞行、俯仰、滚转和偏航。
飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部件，它包括传感器、处理器和执行器。
传感器用于感知飞行器的姿态、位置和速度等信息，包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等。
处理器用于处理传感器采集的信息，并根据飞行器的控制策略生成相应的控制指令。
执行器用于执行处理器生成的控制指令，包括电动马达和螺旋桨。
二、飞行控制技术的发展历程四旋翼飞行器的飞行控制技术发展经历了多个阶段。
最初的四旋翼飞行器采用手动遥控的方式进行飞行控制，需要操纵员具有较高的飞行技能。
随着计算机技术和传感技术的发展，飞行控制系统逐渐引入了自动稳定、自动悬停和自动导航等功能，大大降低了对操纵员的飞行技能要求，并使飞行器的飞行更加稳定和安全。
近年来，随着人工智能技术和无人机技术的飞速发展，四旋翼飞行器的飞行控制技术也得到了进一步的完善。
飞行控制系统不仅能够实现自动稳定和悬停，还可以实现自主飞行、避障、跟随和编队飞行等高级功能。
这些功能使得四旋翼飞行器在无人飞行、军事侦察和应急救援等领域具有更广泛的应用前景。
飞行控制技术的关键技术包括飞行器姿态控制、位置控制、导航控制和避障控制等。
1. 姿态控制技术姿态控制技术是指飞行器在空中保持特定的姿态，包括飞行、俯仰、滚转和偏航。
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功能介绍:利用小型四旋翼飞机对灾害现场进行勘测，其中四旋翼上添加摄像头对现场进行勘测，从而了解现场状况。
设计思路:小型四旋翼飞机座位各类传感器搭载平台，根据现场实际情况通过控制四旋翼飞机飞行姿态，从而达到对复杂环境的监测。
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，四个旋翼的结构和半径相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。
四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。
对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反；正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应。
结构如下
2.工作原理
通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。
四旋翼是一种欠驱动系统，是一种六自由度的垂直升降机，四个输入力，六个状态输出。
垂直飞行控制：控制飞机的爬升，下降和悬停。
图中蓝色弧线箭头方向表示螺旋桨旋转的方向，以下同。
当四旋翼处于水平位置时，在垂直方向上，惯性坐标系同机体坐标系重合。
同时增加或减小四个旋翼的螺旋桨转速，四个旋翼产生的升力使得机体上升或下降，
从而实现爬升和下降。
悬停时，保持四个旋翼的螺旋桨转速相等，并且保证产生的合推力与重力相平衡，使四旋翼在某一高度处于相对静止状态，各姿态角为零。
垂直飞行控制的关键是要稳定四个旋翼的螺旋桨转速使其变化一致
横滚控制：如图所示，通过增加左边旋翼螺旋桨转速，使拉力增大，相应减小右边旋翼螺旋桨转速，使拉力减小，同时保持其它两个旋翼螺旋桨转速不变。
这样由于存在拉力差，机身会产生侧向倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，使机体向右运动，当2,4转速相等时，可控制四旋翼飞行器作侧向平飞运动。
俯仰控制：在保持左右两个旋翼螺旋桨转速不变的情况下，减少前面旋翼螺旋桨的转速，并相应增加前面旋翼螺旋桨的转速，使得前后两个旋翼存在拉力差，从而引起机身的前后倾斜，使旋翼拉力产生与横滚控制中水平方向正交的水平分量，使机体向前运动。
类似的，当1,3转速相同时可控制四旋翼飞行器作纵向平飞运动。
偏航控制：四旋翼飞行器为了克服反扭矩影响，四个旋翼螺旋桨中的两个逆时针旋转，两个顺时针旋转，对角线上两个螺旋桨上的转动方向相同。
反扭矩大小与旋翼螺旋桨转速有关，四个旋翼螺旋桨转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起机体的转动。
因此可以设计四旋翼飞行器的偏航控制，即同时提升一对同方向旋转的旋翼螺旋桨转速并且降低另一对相反方向旋转的旋翼螺旋桨转速，并保证转速增加的旋翼螺旋桨转动方向与四旋翼飞行器机身的转动方向相反。
建立系统动力学模型：
1.选取坐标系：忽略地球曲率，将地球表面假设成一个平面。
（1）机身坐标系M：（Oxyz）
四旋翼飞行器重心为O点，x轴在飞机对称平面内并且平行于飞行器的纵轴线，即前后旋翼连线指向机头，y轴垂直于飞机对称平面平行于左右旋翼的连线，指向机身左方，z轴在飞机对称平面内，分别与x轴y轴垂直，并且指向机身上方。
（2）地面坐标系N：（OXYZ）
研究飞行器相对于地面的飞行状态，确定机体空间位置坐标。
在地面上选一点O，作四旋翼飞行器起飞位置。
先确定X 轴是在水平面内指向某一方向，Z 轴垂直于地面指向空中，Y 轴在水平面内垂直于X 轴，其指向按右手定则确定，即保证右手4 指由选定的X 轴向带选定的Y 轴旋转，拇指方向为已确定的Z 轴方向。
机体坐标系与地面坐标系关系图
2.坐标系变换：
在飞行器飞行动力学中，我们可以通过转换绕x，y，z轴旋转到X,Y,Z轴的欧拉角φ、
θ
ψ
、；
其中φ：横滚角，机体坐标系相对于地面坐标系沿x轴变化的角度，规定机体向右翻转时为正；
θ：俯仰角，机体坐标系相对于地面坐标系沿y轴变化的角度，规定机体头部上扬时所
形成的角度为正；
ψ：偏航角，机体坐标系相对于地面坐标系沿z轴变化的角度，规定机体向右偏航时形成的角度为正。
坐标转换采用右手规则，先绕z 轴旋转得ψ，再绕x 轴旋转得φ，最后绕y 轴旋转得θ，图片中自右向左，每旋转一次，都有相应的转移矩阵，分别为：
旋转螺旋桨动力学特性
将螺旋桨的桨叶当作旋转的机翼建立的理论为螺旋桨叶素理论，模拟桨叶的绕流，叶素理论将桨叶划分为有限个微小段（或叶素段），计算每一个叶素上的气动力，最后沿径向求和得到桨叶上的总动力。
绕过每个叶素上的气流认为是二维的，因此叶素之间互不影响。
作用于旋翼上的空气动力包括升力T 和阻力D ，升力是垂直于流动方向的气动力，阻力是平行于流动方向的气动力。
定义相应的气动力系数T C 、D C ，可得升力T 和阻力D 显含T C 和D C 的形式
A 为叶片面积；ρ为空气密度；r 为叶片半径；Ω为螺旋桨角速度；在悬浮状态下，假设升力T 和阻力D 与螺旋桨的转速平方成正比，可得
四旋翼飞行器模型建立：
3.1系统组成
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。
（1）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。
（2）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。
电气连接如图3.1所示。
飞行器由四个螺旋桨，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，显示的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。
机械结构图如下所示：
根据以上介绍，作如下计划：
第一阶段：夏朝阳，郭峰强熟悉了解四旋翼飞行器原理并且根据飞行器大小对其进行合理结构布局，计算合适动力大小
李栋，石思恩学习ARM编程并根据夏朝阳，郭峰强所做布局进行程序编写实现飞行器的起飞与降落。
（夏朝阳与郭峰强熟悉了解原理时间为一个半月，搭建飞行器时间半个月；编程时间从开始到结束）
第二阶段：在飞行器可以熟练起飞降落之后，对飞行器进行外围电路搭建，使其具有一定的实际效果（例如小型摄像头的搭建），并且根据飞行器实际重量对电机，电刷等大小进行适当调整。
搭建飞行器所需器件：。