四旋翼飞行器设计第1章
四翼飞行器设计最新版 (1)
四旋翼飞行器设计飞行器设计小组组员：李阳，张响，马具彪，袁学松指导老师：李培目录一四旋翼飞行器的发展背景 (3)二四旋翼飞行器结构 (4)三工作原理 (6)1 四旋翼飞行器工作原理概述 (6)2四旋翼飞行器运动状态 (6)四零件数据详情 (12)五外观设计 (14)六内部设计 ............................................................错误！未定义书签。
七四翼飞行器组装基本步骤 . (19)八特点及其应用 (23)1.飞行器的功能特点 (23)2.飞行器的运用 (23)3.未来前景 (23)九参考文献 (24)一四旋翼飞行器的发展背景四旋翼飞行器属飞行器的一种，属于人工智能与自动化机器的一种。
在当今社会中，因体积小，功能多，而广泛使用。
但由于构造复杂不易操作等原因，四旋翼飞行器的发展一直比较缓慢。
近年来，由于新型材料、飞控技术的发展，微型四旋翼飞行器的发展非常迅速。
南京航空航天大学研究出飞行器理论和数学建模，模糊控制等技术，促进了我国飞行器的发展。
北京航空航天大学自主掌握共轴双翼机的自主控制与研发工作。
浙江大学，清华大学研究出，机载GPS和数学建模机器人视觉。
在国家的指导与鼓励下，很多所高校，积极响应，促进了我国四旋翼飞行器的发展。
国外已经对四旋翼飞行器做了大量研究，起步比国内早很多。
在导航，自主飞行技术等方面领先国内。
国外已经把飞行器广泛运用在军事勘察，工业监测，农业预防等多方面。
二四旋翼飞行器结构四旋翼飞行器共有四个翼，均匀分布在前后左右，且四旋翼均在同平面内，左右上下完全对称。
每个旋翼下都附有一个发动机，以提供动力。
在飞行器的中心是一个飞行控制器，来控制飞行器的速度和方向。
结构形式以及三视图如图1.1、图1.2所示。
图1.1四旋翼飞行器结构图主视图俯视图图1.2四旋翼飞行器三视图三工作原理飞行器是通过调节四个电机转速来改变机翼转速，实现升降的变化，进而控制飞行器的姿态。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
四旋翼无人机设计与制作毕业论文
四旋翼无人机设计与制作毕业论文摘要：无人机作为一种重要的航空器，具有广泛的应用前景。
本论文以四旋翼无人机为研究对象，通过对其设计与制作的实践，在硬件和软件方面进行详细阐述。
主要包括无人机的结构设计、电路设计以及飞行控制系统的编程。
通过实际测试，验证了该无人机的飞行性能。
关键词：无人机、四旋翼、设计、制作、飞行控制系统第一章引言无人机是一种可以在没有人操控的情况下自主飞行的航空器。
其广泛应用于航拍、农业、交通、救援等领域。
四旋翼无人机作为一种应用广泛的无人机，具有结构简单、稳定性好的特点。
因此本论文以四旋翼无人机为研究对象，旨在通过具体的设计与制作过程探究其相关技术和原理。
第二章无人机的结构设计2.1无人机的基本组成部分2.2机身设计机身的设计要考虑到材料的轻量化和强度的要求。
一般使用轻质的碳纤维材料制作机身，同时增加机身的刚性，提高结构的强度和稳定性。
2.3电机和螺旋桨设计电机是驱动四旋翼无人机飞行的关键器件，其选型要根据负载和飞行需求来确定。
同时，螺旋桨的选择也要考虑到机身的尺寸和重量，以及飞行的稳定性。
第三章无人机的电路设计3.1电路原理图设计根据四旋翼无人机的功能要求，设计相应的电路原理图。
主要包括电源供给电路、电机驱动电路和飞行控制系统。
3.2电路板制作将电路原理图转化为实际的电路板，并通过蚀刻和钻孔等工艺制作出来。
可使用CAD软件进行设计，选择合适的印刷电路板材料，然后通过化学方法蚀刻出电路线路图。
第四章无人机的飞行控制系统的编程4.1控制算法设计无人机的飞行控制系统是其能够自主飞行的关键。
通过对四旋翼无人机的姿态控制、高度控制和速度控制等方面进行算法设计。
4.2编程实现基于设计出的控制算法，利用C语言等编程语言进行实际代码的编写。
通过传感器采集到的数据以及飞行控制系统的指令进行相应的处理，并将处理结果发送给无人机的执行机构（电机）。
第五章实验与结果分析通过将设计好的无人机进行实际测试，对其飞行性能进行验证。
四旋翼自主飞行器设计方案曾庆涛
本设计主要通过STM32微处理器采集3轴加速度传感器和3轴陀螺仪对飞行器的姿态进行检测，控制4个高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器的悬停、升降、前后左右移动，控制四轴飞行器方法是采取的姿态控制，该控制系统主要由2.4GHz的NRF24l01无线发送模块，STM2微处理器，MPU6050陀螺仪，加速度计组成。通过无刷直流电机给四轴提供飞行动力。最后通过上位机，调节PID参数，实现四轴飞行器飞行要求。
2.2.2电机驱动模块
根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给控制器模块，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值。从而实现四轴飞行器不同的飞行状态。
2.2.3主控制模块
中心控制模块即飞行控制系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、横滚角速率)、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，结合既定的控制方案，计算输出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四轴飞行器稳定飞行，通过无线通信模块与地面站进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。
2.1.2俯仰运动
在图（b）中，使电机1的转速上升，同时使电机3的转速下降，而电机2、电机4的转速保持不变。在这个过程中，电机1和电机3改变量应该大小相等。当电机1和电机3产生的不平衡扭矩达到一定的时候，飞行器将绕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。
图2-2四轴飞行器飞行动力原理
2.1.3滚转运动
滚转运动和俯仰运动原理相同，区别在于一个是沿Y轴，一个是沿X轴。效果如图c所示。
四旋翼飞行器设计第1章
• aeroquad和arducopter基于Arduino的四旋翼飞行器DIY建设开源硬件和软件项目； • Parrot AR.Drone是一款带有摄像机的无线控制的四旋翼飞行器，可以通过智能电
图1-1 Louis Breguet(1907) 4
图1-2 Georgeபைடு நூலகம்de Bothezat (1922.12)
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图1-3 Curtiss-Wright VZ-7（1958) 6
四旋翼飞行器的研究现状
• 贝尔波音四倾转旋翼机的概念，提出对C-130大型军用运输机采用固定直升机概念 和倾斜转子概念进一步结合；
话和平板设备进行操控
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四旋翼无人飞行器设计
冯新宇 范洪刚 辛亮 著 清华大学出版社
第1章 绪论
四旋翼飞行器发展历史
无人机是一种通过无线电遥控设备、或者通过自备程序算法自行控制的不载人飞行。 早在世纪年代初，无人机（就在多次局部战争中施展其无与伦比的优越性，并且为美 国、以色列等国在取得战争的胜利立了赫赫功勒。近三十年的时间里，随着微电子技 术、通信技术、材料及推进系统等技术的迅猛发展，无人飞行器（不仅从外形上出现 了更加独特新颖，而且从性能和功能上更加先进，从一开始的通过地面摇杆控制飞行 器，到用人眼控制飞行器，近些年又出现了用人脑来控制飞行器。由于无人机在作战 中的优异变现，并且具有先天的零伤亡的优势，各国在军事的研宄上都将其作为优先 发展的地位，国际上也掀起了研宄的热潮，其中以美国和以色列位居榜首。
四旋翼飞行器设计资料
四旋翼飞行器的设计查重98%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，是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、动力与能源、任务与通信等子系统) 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。
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。
图 1.2 四旋翼飞行器垂直和俯仰运动四旋翼飞行器结构形式如图所示，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。
四旋翼自主飞行器设计
１ ． 四旋翼飞行器结构 与控制原 理
１ ． １ 结 构形 式
基 于 资金 和性 价 比考 虑 ，设 计方 案 中选 择Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ Ｆ １ ０ ３ Ｒ Ｃ 单片 机 作为 飞控 系 统 的主控 芯 片 。Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ Ｆ 系 列属 于 中低端 的 ３ ２ 位Ａ Ｒ Ｍ 微 控 制 器 ，该 系 列 芯 片是 意 法 半 导体 （ Ｓ Ｔ ） 公司 出品 ， 其 内核 是 Ｃ ｏ ｔ ｒ ｅ ｘ ． Ｍ３ 。而 Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ Ｆ １ ０ ３ Ｒ Ｃ 拥 有５ １ ２ Ｋ Ｆ Ｌ ＡＳ Ｈ 以及 ７ ２ Ｍ主 频 ，芯 片 集成 定 时器 ，Ｃ Ａ Ｎ，Ａ ＤＣ ，Ｓ Ｐ Ｉ ，１ ２ Ｃ，Ｕ Ｓ Ｂ，ＵＡ Ｒ Ｔ ，等 多种 功 能 ，有 ６ ４ 个Ｉ Ｏ口，能够 满足 四旋 翼 自主 飞行器 的所 有需 求 。 ２ ． ３ ＭＰ Ｕ ６ ０ ５ ０ 及Ｈ ＭＣ ５ ８ ８ ３ Ｌ 姿态 采集 电路 ＭＰ Ｕ６ ０ ５ ０ 内 部 集 成 了 三 轴 陀 螺 仪 三 轴 加 速 度 计 ， 它 们 与 Ｈ Ｍｃ ５ ８ ８ ３ Ｌ 三 轴磁 力 计组 成姿 态 测量 系统 ，主 控 制器 将姿 态测 量 系 统 的数据 进 行解算 得 到 当前姿 态 。 ＭＰ Ｕ． ６ ０ ５ ０ 为全 球首 例整 合性 ６ 轴 运动 处理 组件 ，相 较 于多 组件 方案 ，免除 了组合陀 螺仪与加速 器时之 轴间差 的问题 ，减少 了大 量的 包装 空 间。ＭＰ Ｕ ． ６ ０ ５ ０ 整合 了３ 轴 陀螺仪 、３ 轴加 速器 ，并含 可藉 由第 二个Ｉ ２ Ｃ 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 ｆ Ｄ ＭＰ ： Ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ Ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ） 硬 件加速 引擎 ，由主要 Ｉ ２ Ｃ 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 Ｉ ｎ ｖ ｅ ｎ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｅ 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 ，并 为应用开发提供 架构化 的Ａ Ｐ Ｉ 。
四旋翼飞行器飞行控制系统设计
四旋翼飞行器飞行控制系统设计四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器，它采用四个对称分布的电机和旋翼进行垂直起降和悬停，同时通过变化电机转速和旋翼叶片的角度控制飞行方向和姿态。
四旋翼飞行器具有结构简单、起降和悬停稳定等优点，因此被广泛应用于航拍、救援、监测等领域。
在四旋翼飞行器的设计中，飞行控制系统是关键部件，其设计的优劣直接影响着飞行器的性能和安全。
四旋翼飞行器的飞行控制系统由传感器、控制计算单元和执行机构组成。
传感器用于获取飞行器的状态信息，控制计算单元接收传感器信息并进行数据处理和算法计算，最后通过执行机构控制飞行器的运动。
常见的传感器包括加速度计、陀螺仪、气压计和磁力计等，它们可以实时测量飞行器的加速度、角速度、高度和方向。
控制计算单元一般由微处理器或嵌入式系统组成，具备数据处理、算法计算和通信等功能。
执行机构则由四个电机和旋翼组成，通过改变电机转速和旋翼角度实现飞行器的姿态控制和运动。
飞行控制系统的设计需要考虑飞行器的稳定性和操控性。
在稳定性方面，需要设计合适的控制算法使得飞行器能够在各种外界干扰下维持稳定的飞行。
常见的控制算法包括PID控制和模糊控制等，其中PID控制通过调节比例、积分和微分三个参数实现对飞行器状态的控制。
在操控性方面，需要设计合适的操控方式和灵敏度，以便操纵员能够轻松控制飞行器完成特定任务。
常见的操控方式有手柄操控、遥控器操控和手机APP操控等。
飞行控制系统设计中还需要考虑传感器的准确性和响应速度。
传感器的准确性决定了飞行控制系统对飞行器状态的判断和控制的准确性，因此需要选择准确度高的传感器。
传感器的响应速度决定了飞行器对外界干扰的响应速度，因此需要选择响应速度较快的传感器。
此外，飞行控制系统还应具备故障检测和容错能力，以提高飞行器的安全性。
一旦发生故障，控制计算单元应能够及时检测故障并采取应急措施，例如自动返航或降落等。
综上所述，四旋翼飞行器的飞行控制系统是整个飞行器设计中的关键部件。
四旋翼飞行器设计资料解读
四旋翼飞行器的设计查重98%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，是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、动力与能源、任务与通信等子系统) 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。
四旋翼飞行器设计方案
四旋翼飞行器设计方案四旋翼飞行器设计方案一、项目背景为了满足近年来快递、悬停摄影、新闻采集等领域对于无人机需求的不断增加，我们设计了一款四旋翼飞行器。
该飞行器具有稳定、灵活、高效的特点，可广泛应用于各种领域。
二、设计要求1. 飞行器稳定性要求高，能够在不同天气和环境条件下稳定飞行2. 飞行器的机动性要好，能够完成各种复杂动作3. 飞行器具有自主导航、避障和悬停等功能4. 飞行器的载荷能力要较强，能够携带相机等设备进行悬停摄影和新闻采集5. 飞行器的续航能力要长，能够在一次充电之后持续飞行时间较长三、设计方案1. 结构设计：a. 飞行器采用四旋翼结构，旋翼通过电机、螺旋桨和转子连接器连接。
b. 飞行器机体由轻质材料制成，以减轻整体重量。
c. 飞行器具有折叠设计，方便携带和存放。
2. 稳定性设计：a. 飞行器配备三轴陀螺仪和加速度计，能够实时感知飞行姿态，保持平稳飞行。
b. 飞行器的旋翼具有可调节桨叶角度的功能，能够在飞行时根据需要调整旋翼的角度，提高飞行稳定性。
3. 机动性设计：a. 飞行器的旋翼速度可调节，能够实现前进、后退、上升、下降、转弯等各种动作。
b. 飞行器配备高精度数传遥控系统，能够精确控制飞行器的动作，保证飞行器的机动性。
4. 功能设计：a. 飞行器配备GPS导航系统，能够实现自主导航功能，能够根据预设的路径自动飞行。
b. 飞行器配备避障传感器，能够感知前方障碍物，自动避开，确保安全飞行。
c. 飞行器具有悬停功能，能够在空中静止悬停，保持稳定飞行。
5. 载荷能力设计：a. 飞行器结构坚固，能够承载相机等设备进行悬停摄影和新闻采集。
b. 飞行器具有电池可更换设计，能够根据需要调整电池数量，提高载荷能力。
6. 续航能力设计：a. 飞行器采用高效能源管理系统，能够在一次充电之后持续飞行时间较长。
b. 飞行器具有低能耗设计，能够减少能源消耗，延长飞行时间。
四、总结通过以上设计方案，我们设计出了一款稳定、灵活、高效的四旋翼飞行器。
四旋翼飞行器飞行控制系统设计PPT课件
k为输出电压到旋转角速度的比例系数 b为陀螺仪输出电压零点。
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七、多传感器融合—卡尔曼滤波
计算观测向量
选取状态矢量
+
+
vk
Kk
-
+
xk
CkБайду номын сангаас
Ak-1
Xk|k-1
delay
卡尔曼滤波算法就是预测和修正 的不断递归。预测新的状态和协 方差，然后利用观测向量对状态 和协方差进行修正。
二、四旋翼飞行器控制的特点
四旋翼飞行器有四个输入力、六个输出（即 六自由度，包括绕三个轴的转动：俯仰、偏 航和滚转，重心三个轴的线运动：进退、左 右、侧飞和升降），所以它是一种欠驱动系 统（少输入多输出系统）。这种系统容易导 致不稳定，需要确保长期稳定的控制方法。
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二、四旋翼飞行器控制的特点
(Kd Kl
U4
K afz ) / Iz
输出量
U1 输入量
U2
U3
U4 控制三个位置x，y，z； 控制横滚角 ； 控制俯
仰角 ； 控制偏航角 第16页/共21页
六、捷联惯性导航—姿态解算
硬件
• 加速度计、陀螺仪、数字罗盘 • 加速度计输出基于载体坐标系的加速度，数字罗盘输出基于载体坐标系的磁场强度，二者结合可解算
(dU2 K afx ) / Ix
(dU3 K afy ) / I y
(Kd Kl
U4
K afz ) / Iz
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五、传递函数矩阵
选择后四行进行控制
z (U1 Kdtz y mg) / m
毕业设计论文——基于模糊PID算法的小型四旋翼无人飞行器控制系统设计
摘要四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直起降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，可以应用到航拍、考古、边境巡逻、反恐侦查等多个领域，具有重要的军用和民用价值。
四旋翼飞行器同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性，对其建模和控制是当今控制领域的难点和热点话题。
本次设计对小型四旋翼无人直升机的研究现状进行了细致、广泛的调研，综述了其主要分类、研究领域、关键技术和应用前景，然后针对圆点博士的四旋翼飞行器实际对象，对其建模方法和控制方案进行了初步的研究。
首先，针对四旋翼飞行器的动力学特性，根据欧拉定理以及牛顿定律建立四旋翼无人直升机的动力学模型，并且考虑了空气阻力、转动力矩对于桨叶的影响，建立了四旋翼飞行器的物理模型；根据实验数据和反复推算，建立系统的仿真状态方程；在Matlab环境下搭建了四旋翼飞行器的非线性模型。
选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象，借助Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则；通过仿真和实时控制验证了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了输入输出数据；利用单片机编写模糊PID算法控制程序，实现对圆点博士四旋翼飞行器实物的姿态控制。
本设计同时进行了Matlab仿真和实物控制设计，利用模糊PID算法，稳定有效的对四旋翼飞行器的姿态进行了控制。
关键词：四旋翼飞行器；模糊PID；姿态控制ⅠAbstractQuadrotor UA V is a four propeller driven, vertical take-off and landing aircraft, this structure is widely used in micro mini unmanned aerial vehicle design and can be applied to multiple areas of aerial, archaeology, border patrol, anti-terrorism investigation, has important military and civil value.Quadrotor UA V is a complicated characteristic of the complicated characteristics such as the less drive, the multi variable, the strong coupling, the nonlinear and the uncertainty, and the difficulty and the hot topic in the control field.Research status of the design of small quadrotor UA V were detailed and extensive research, summarized the main classification, research areas, key technology and application prospect of and according to Dr. dot quadrotor actual object, the modeling method and control scheme were preliminary study.First, for the dynamic characteristics of quadrotor UA V, dynamic model of quadrotor UA V is established according to the theorem of Euler and Newton's laws, and consider the air resistance and rotation torque for the effects of blade, the establishment of the physical model of the quadrotor UA V; root according to experimental data and repeated calculation, the establishment of system simulation equation of state; under the MATLAB environment built the nonlinear model of the quadrotor UA V Select the attitude of the quadrotor angle as the control object, with the help of matlab fuzzy toolbox to design the fuzzy PID controller and according to experience of experts to edit the corresponding fuzzy rules; through the simulation and real-time control verify the effectiveness of the control scheme, and this control scheme under the collection to the data input and output; written by SCM fuzzy PID control algorithm, dots, Quad rotor UA V real attitude control. The design of the Matlab simulation and the physical control design, the use of fuzzy PID algorithm, the stability of the four rotor aircraft attitude control.Keywords:Quadrotor UA V;F uzzy PID;Attitude controlⅡ目录摘要（中文） (Ⅰ)摘要（英文） (Ⅱ)第一章概述 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的研究现状 (2)1.3 四旋翼飞行器的关键技术 (5)1.3.1 数学模型 (6)1.3.2 控制算法 (6)1.3.3 电子技术 (6)1.3.4 动力与能源问题 (6)1.4 本文主要内容 (6)1.5本章小结 (7)第二章四旋翼飞行器的运动原理及数学模型 (7)2.1四旋翼飞行器简介 (7)2.2 四旋翼飞行器的运动原理 (8)2.2.1 四旋翼飞行器高度控制 (8)2.2.2 四旋翼飞行器俯仰角控制 (9)2.2.3 四旋翼飞行器横滚角控制 (9)2.2.4 四旋翼飞行器偏航角控制 (10)2.3四旋翼飞行器的数学模型 (11)2.3.1坐标系建立 (11)2.3.2基于牛顿-欧拉公式的四旋翼飞行器动力学模型 (12)2.4 本章小结 (15)第三章四旋翼飞行器姿态控制算法研究 (15)3.1模糊PID控制原理 (15)3.2 姿态稳定回路的模糊PID控制器设计 (16)3.2.1 构建模糊PID控制器步骤 (17)3.2.2 基于Matlab的姿态角控制算法的仿真 (22)3.3 本章小结 (25)第四章四旋翼飞行器飞行控制系统软件设计 (25)4.1 模糊PID控制算法流程图 (25)4.2 系统实验及结果分析 (26)4.3 本章小结 (27)第五章总结与展望 (28)5.1 总结 (28)5.2 展望 (28)参考文献 (28)第一章概述有史以来，人类一直有一个梦想，那就是可以像蓝天上自由翱翔的鸟儿一样。
四旋翼无人机设计参考书
四旋翼无人机设计参考书好嘞，今天我们聊聊四旋翼无人机。
你有没有想过，为什么这些小飞行器最近这么火？它们可不仅仅是飞在天上的玩意儿，更像是科技界的小精灵，既能拍照，又能送快递，还能帮你看看家里的小猫有没有在窗台上偷懒。
想象一下，带着你的小无人机飞翔在蓝天上，那感觉就像拥有了一双翅膀，随心所欲，潇洒自如。
首先啊，咱们得知道四旋翼无人机的结构。
就像一个人要穿衣服，得有衣服、裤子，还得配件齐全。
四旋翼无人机的“衣服”就是它的机身，四个旋翼就像是它的手，得有力量才能飞起来。
不得不提那电池，嘿，电池就像是无人机的心脏，没了它，飞不起来，那可就尴尬了。
电池的容量和续航时间就像是你的体力，越充实飞得越远，要是没电了，那就只能看着它在空中慢慢降落，真是心疼啊。
咱们再说说无人机的控制。
老实说，这可不是随便玩的。
就像打游戏一样，得有点技术，才能把它操控得风生水起。
你得先学习如何操作那个遥控器，哎呀，刚开始的时候，难免会有些小失误。
要么是飞得太高，要么是飞得太低，甚至有时候一不小心就把它送到了邻居家。
不过这也没关系，练习总能让你从“菜鸟”变成“飞行高手”。
掌握了技巧，真的是一飞冲天，感觉无比自信！无人机的应用可多了去了。
想想，现在有很多人用它来拍摄婚礼、旅行、广告，甚至是纪录片。
用无人机拍的照片和视频，跟普通相机简直不在一个档次。
那些从空中俯瞰的壮观景色，简直让人心醉。
现在很多快递公司也开始用无人机送货，快得像火箭一样，真是让人羡慕。
想象一下，坐在沙发上点个外卖，过不了多久，无人机就飞来了，顺便把你的薯片也给送上，嘿，这生活水平，那简直是飞上天了！玩无人机可不是说说而已，要遵循一些规则，像是飞行高度、飞行区域什么的。
飞得太高可能会跟飞机“打招呼”，这可不是好事。
飞行时你得留个心眼，别让它飞出你的视线，万一它找不到回家的路，那可就麻烦了。
要避免在人多的地方飞，毕竟安全第一，别让别人把你的飞行器当成飞碟。
说了这么多，大家可能觉得无人机是个很复杂的玩意儿。
四旋翼飞行器控制系统设计共3篇
四旋翼飞行器控制系统设计共3篇四旋翼飞行器控制系统设计1四旋翼飞行器控制系统设计目前，四旋翼飞行器正逐渐成为人们探索天空的利器，已被广泛应用于农林、测绘、消防、救援等领域。
四旋翼飞行器是一种类似于昆虫翅膀的结构，由四个电动机和相应的位置悬挂的旋翼组成的，可以在空中实现自主飞行和悬停。
为了使四旋翼飞行器具备更高的稳定性和控制能力，科研人员设计并实现了控制系统，使其能够在空中实现更高效的飞行。
四旋翼飞行器控制系统可分为硬件和软件两部分。
硬件包括传感器、执行机构和控制器等，用于捕获关键飞行信息并实时调节四个电动机的速度。
软件包括程序控制、控制策略和运算等，用于调节控制器各参数以确保四旋翼飞行器飞行安全并正常运转。
传感器是四旋翼飞行器控制系统中的重要组成部分。
传感器能够实时捕获机身姿态、制动和速度等信息，使四旋翼得以实现更高效的控制。
通常使用的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计和GPS等。
陀螺仪和加速度计用于实时检测飞行器的姿态和制动变化，磁力计用于检测地球磁场方向，以确定飞行器的方向，GPS用于定位飞行器在三维空间中的位置信息。
控制系统执行机构是电动机和旋翼组。
电动机作为控制系统的主要执行机构，它的输出转速与飞行器的自身稳定性和空气动力学相关联。
旋翼组的作用是提供飞行器升力，同时也是控制方向的主要执行机构。
为了确保飞行器飞行的稳定性和响应速度，需要在操作时控制电动机的转速和旋翼的转角。
控制器是四旋翼飞行器控制系统的核心。
控制器是指一组能将传感器信息转化为速度控制信号的电路，以控制电动机输出速度，从而控制飞行器飞行方向、高度等参数。
控制器分为硬件控制器和软件控制器。
硬件控制器主要包括传感器、电动机和电路，用于接收和传递信号。
软件控制器是一组算法，用于控制飞行器的方向、高度和速度等关键参数，使飞行器能够保持稳定的飞行。
控制策略是四旋翼飞行器控制系统的核心。
控制策略包含PID控制、模型预测控制等多种模式。
PID控制模式是最常用的控制模式，可通过这种模式控制飞行器在离目标位置越来越近时减小输出控制。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计四旋翼飞行器是无人机中常见的一种飞行器类型，在军事、民用等领域有着广泛的应用。
而对于这种飞行器，飞行控制系统的研究与设计是其性能和稳定性的关键。
一、四旋翼飞行器的工作原理四旋翼飞行器是一种通过四个独立的旋翼进行飞行的飞行器。
它的工作原理是通过调节不同旋翼的转速和倾斜角度，控制飞行器的姿态和飞行方向。
通过这种方式，飞行器可以实现上下、前后、左右的飞行运动，并且可以在空中悬停。
二、四旋翼飞行器飞行控制系统基本组成四旋翼飞行器的飞行控制系统主要由传感器、控制算法和执行器三部分组成。
传感器用于获取飞行器的姿态和状态数据，控制算法用于根据传感器数据计算控制指令，执行器则用于执行控制指令，调节旋翼的转速和倾斜角度。
1. 传感器传感器是飞行控制系统的数据获取部分，主要用于获取飞行器的姿态、位置和运动状态等数据。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等。
陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量飞行器的加速度，磁力计用于测量飞行器的方向，气压计用于测量飞行器的高度。
这些传感器可以提供给控制算法所需的姿态和状态数据，为飞行器的控制提供支持。
2. 控制算法控制算法是飞行控制系统的核心部分，它主要用于根据传感器数据计算控制指令，调节飞行器的姿态和飞行状态。
常见的控制算法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
PID控制是一种经典的控制算法，它通过比例、积分和微分三部分组成，可以根据误差信号调节执行器输出，实现对飞行器的精确控制。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，可以处理复杂的非线性系统，对于四旋翼飞行器的控制具有一定的优势。
自适应控制是一种基于自适应参数的控制方法，可以根据飞行器的动态特性实时调节控制参数，适应不同的飞行环境和工况。
3. 执行器执行器是飞行控制系统的执行部分，主要用于控制飞行器的旋翼转速和倾斜角度，调节飞行器的姿态和飞行状态。
常见的执行器包括电动调速器、舵机等。
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四旋翼飞行器设计第1章
第1章：引言
1.1研究背景和意义
四旋翼飞行器是一种能够垂直起降和悬停的多旋翼飞行器。
由于其灵
活性和多功能性，四旋翼飞行器在军事、民用和商业应用中得到了广泛的
关注和应用。
它们可以用于侦察和监视任务，无人机送货，甚至用于旅游
和娱乐活动。
因此，设计和优化四旋翼飞行器的性能和控制是一个具有挑
战性和重要性的问题。
1.2研究目的和内容
本论文旨在设计、优化和控制一个四旋翼飞行器。
首先，通过对四旋
翼飞行器的结构和性能进行研究，设计出一个满足特定需求的飞行器。
然后，通过数值模拟和实验验证，优化飞行器的性能。
最后，开发一种有效
的控制算法，以实现四旋翼飞行器在各种任务中的稳定飞行和精确控制。
1.3研究方法和步骤
本论文的研究方法包括文献综述、数值模拟、实验验证和控制算法开发。
首先，通过对相关文献的综述，了解四旋翼飞行器的设计和控制的最
新进展。
然后，利用数值模拟方法对飞行器的结构和性能进行分析和优化。
接下来，通过实验验证模拟结果，并对实验数据进行分析。
最后，开发一
种适用于四旋翼飞行器的控制算法，并进行验证和评估。
1.4论文结构安排
本论文共分为六章。
第一章是引言，介绍了四旋翼飞行器设计的背景、目的和研究方法。
第二章主要介绍四旋翼飞行器的原理和结构。
第三章是
关于四旋翼飞行器性能优化的研究。
在第四章中，通过实验验证优化结果。
第五章是关于四旋翼飞行器的控制算法研究。
最后，第六章是总结和展望，以及对未来研究的建议。
1.5预期成果和创新点
本论文的预期成果包括一个满足特定需求的四旋翼飞行器设计方案，
一个优化的飞行器性能模型，一个有效的四旋翼飞行器控制算法。
本论文
的创新点在于利用数值模拟和实验验证相结合的方法对四旋翼飞行器进行
全面研究，并开发一种新的控制算法。
1.6学术和应用价值
本论文的研究成果可为四旋翼飞行器的设计、优化和控制提供理论和
技术支持。
同时，该研究对于提高四旋翼飞行器的性能和控制精度具有重
要意义。
对于提高军事侦察和监视任务的效率，无人机送货的可行性和旅游、娱乐活动的创新，都具有重要的应用价值。
简介至此完结，总结本章所介绍的四旋翼飞行器设计的背景、目的、
研究方法和预期成果。
下一章将详细介绍四旋翼飞行器的原理和结构。