四旋翼微型飞行器设计 - 红桃K
微型探测安防智能四轴飞行器的设计
微型探测安防智能四轴飞行器的设计作者：王晨懿来源：《科技资讯》2015年第33期摘要：四轴飞行器是一类旋翼式飞行器，已在多种领域内得到广泛应用。
但现有的四周飞行器不能进行有效地自动避障，难以面对复杂多变的危险环境。
该文结合红外反射式传感器，设计了一种可自动避障的微型四轴飞行器，对其基本运动进行了分析，并确定了一种对姿态测量的算法，为进一步研究打下良好的基础。
关键词：探测安防智能四轴飞行器中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0102-02四轴飞行器是一类旋翼式飞行器，拥有4个相同结构螺旋桨，共同为飞行器提供动力。
它具有结构简单、成本低廉、飞行稳定等特点，且技术成熟，已在多种领域内得到广泛应用。
四轴飞行器可以轻松地前往危险区域进行探测，不仅节省人力资源，更提高了安全效率。
但现有的多数四轴飞行器不能进行有效地自动避障，难以面对复杂多变的危险环境。
1 结构设计主要组成部分包括机身、螺旋桨、电机、控制中心和应用模块。
机身是电机和控制中心的承载平台，也起到保证电机之间相对位置的作用。
该微型四轴飞行器机身采取“X”型，即，为节省研究成本，原型机机身选择泡沫塑料板。
实际成品则可采用铝合金。
螺旋桨包括两对正反桨叶，与电机一起固定在机身各轴的末端，且螺旋桨叶平面与机身十字轴平行。
参考同量级的四轴飞行器，该微型四轴飞行器的螺旋桨长度选择为55 mm[1]。
电机选择7 mm×16 mm 空心杯有刷电机。
其传动轴直径0.8 mm，空转转速38 000 r/min，额定工作电压3.7 V，最大工作电流1 100 mA。
4个电机呈“X”型分布，如图1，对角电机位之间的距离取330 mm。
空心杯电机有别于传统电机的转子结构，采用无铁芯转子，具有十分突出的节能、控制和拖动特性。
有刷电机自带换向器，通电即可工作。
惯性导航模块由3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成，起到保证飞行器稳定飞行的作用。
简易四旋翼飞行器制作明细
无人飞行器应用概述及四旋翼遥控飞行器的制作2016年04月26日序————遥控飞机是一种由无线电遥控设备以及地面程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。
从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。
自二十世纪初，全球无人机技术的普及将无人飞行器的应用推广开来，现已形成了军用，民用等多个不同体系，通过搭载不同的机载设备，无人飞行器可以具备多种实用性功能。
随着无人飞行器技术的发展而逐渐形成的自动化、模块化、可持续航行等诸多技术标准已经使得无人飞行器的制作与使用变得更为简单，高效。
本次设计为四旋翼于无人遥控飞行器的制作与开发，运用所学电子工艺技术以及电路知识，完成对飞行器的基本电路设计，实现无人飞行器基本功能。
无人飞行器的构成包括飞行平台，动力装置，导航飞控系统，电气系统，任务设备，显示系统，操纵系统，机载设备，地面控制装置等。
无人飞行器设计，以无人飞行器基本构成思想为指导，在保证基本组件及基本模块正确使用的前提下，对飞行器相关结构进行简化，减小飞行器体积，减轻飞行器质量，在提高飞行器易操作性及灵活性的同时，也无形中延长了飞行器的空中续航时间，使得飞行器的高空能力得到进一步提升。
本次设计着重阐述无人飞行器设计以及制作关键步骤，通过对制作过程的细致阐释，对纯手工制作无人飞行器进行关键性的、系统的、细致的的描述。
无人飞行器的概念及用途无人机所以会受到如此重视, 其原因是自身所拥有的独特优势, 现代科技的发展使得防空武器的性能日益提升, 这无疑大大增加了有人机在空战中的风险程度, 而无人机则适应了现代战争对减少乃至避免人员伤亡的要求。
再则, 从研制、使用和维护成本看, 相当于有人机而言, 无人机的研制、使用和维护成本要低廉得多。
更何况, 无人机因其自身的优越性能, 可以在超低空和超高空长时间盘旋, 较之有人机其活动空间和范围更为广阔。
有鉴于此, 研制和发展无人机成为各国军方尤其是发达国家军方的重要选择。
全球最小四轴飞行器Crazyflie电路部分详解
全球最小四轴飞行器Crazyflie电路部分详解上网日期: 2016年02月16日Crazyflie是目前全世界最小的四轴飞行器，仅重19克，相对的两翼之间长度为9厘米。
有两个不同的版本，区别在于传感器的数量。
这个小四轴飞行器可以在空中飞行长达7分钟,通过一个标准的USB接头给锂聚合物电池充电需要约20分钟。
它的电路部分到底是如何实现的？且听我慢慢道来。
1. 电气原理从中心开始：72M主频的M3内核的处理器来处理各传感器数据，并对四个旋翼进行控制达到想要的效果。
往上：通过IIC接口与三轴陀螺仪、三轴加速度计（也就是MPU6050）、磁力计、气压计等传感器连接获取传感器数据，来感知载体（也就是四轴机体）的姿态（这里的姿态包括俯仰、横滚、航向）和高程。
往下：通过PWM调节四个电机驱动器来驱动四个电机转动，由于电机带有螺旋桨转动而产生所谓的“升力”。
往右：通过SPI协议接口与无线芯片通讯，回传载体数据和接收控制信号，还有外部扩展接口。
往左：电源管理部分。
2. 电池电池使用的是锂电池（锂离子聚合物电池），是目前流行的遥控模型电池。
但锂电池必须按照规定使用，过冲、过放都会产生安全隐患。
由于它具有最高的电能/质量比和最大的放电电流，所以也是比较适合的选择。
为了应付锂电池的这些缺点，我们使用电路保护模块（PCM）来防止电量不足、过放电或者短路。
PCM 位于电池上部的橙色胶带下面，从中引出两条电源线。
但是这种保护是远远不够的，还需要有专门的充放电管理电路来保护。
比如电气原理图的Power Mangment and Charging部分。
PCM 的参数如下：3. 电源管理电源管理主要是由TI BQ24075 电源管理芯片来完成。
它能开/关和给锂电池充电。
BQ24075有三种输入限制模式，100mA，500mA和用户自定义（Crazyflie设置740mA）。
当将Crazyflie 接上普通电源适配器时就可以使它能快速的充电。
四旋翼无人机设计
四旋翼无人机设计四旋翼无人机（Quadcopter）是一种由四个电动马达驱动的无人机，通过分别控制每个马达的转速和方向来实现悬停、飞行和转弯等动作。
四旋翼无人机在农业、电力巡检、安防监控以及航拍等领域有着广泛的应用。
下面将详细介绍四旋翼无人机的设计要点和主要部件。
在结构设计方面，四旋翼无人机的主要部件包括机架、电机、螺旋桨、电调和飞控。
机架通常采用轻质材料（如碳纤维）制成，具有重量轻、刚性强和抗冲击能力好的特点。
电机负责驱动螺旋桨旋转，通常使用无刷电机，其转速和电流特性需要与电调相匹配。
螺旋桨是产生升力的关键部件，选择合适长度和材质的螺旋桨可以提高飞行效率和稳定性。
电调则负责控制电机的转速和方向，将飞控发送的控制信号转化为电机的控制信号。
飞行控制系统设计则是四旋翼无人机最核心的部分。
飞控是指通过传感器、信号处理芯片和控制算法等组成的电子设备，用于检测和响应无人机的姿态、位置和运动状态。
常见的飞控系统有飞行控制器（Flight Controller）和惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）。
飞行控制器是无人机的“大脑”，负责接收遥控器、GPS和其他传感器的信号，并发送控制指令给电机和电调。
IMU包括加速度计和陀螺仪，用于测量无人机的加速度和角速度，从而实现对姿态和运动的控制。
载荷系统设计根据应用需求而定，可以包括相机、传感器和机械臂等。
载荷系统需要与飞行控制系统进行数据交互，并能够通过控制指令实现相应的操作。
总之，四旋翼无人机的设计需要考虑结构、电力、飞行控制和载荷系统等多个方面。
合理选择和设计各个部件，同时优化飞行控制算法和传感器配置，可以提高无人机的性能和稳定性，实现更多的功能和应用。
Draganfly四旋翼微型飞行器
Draganfly四旋翼微型飞行器作者：文武，等来源：《轻兵器》 2011年第3期小巧的外观和结构Draganfly四旋翼飞行器从外形上看相当小巧，完全可以把它放在摊开的手掌中放飞，但所谓“麻雀虽小、五脏俱全”，别看它个头小，飞行器的各个组成部分却一样不少。
总体结构整套飞行器由机体、手持式遥控装置、无线视频眼镜、无线视频基站、充电装备以及多种负载和备附件组成。
整套飞行器可装进一个不大的便携箱中，便于人员背携。
飞行器的核心是机体最中央的部分，外观呈盾形，其外壳由高强度碳纤维制成，保护着其内部设置的多个基本传感器，盾形外壳下沿则是机体电池的安装位置；再下方是负载区，可利用随机搭配的柔性防抖挂架搭载多种侦察器材。
当然，根据用户需要，也可定制专用负载挂架以搭载其他特制器材。
机体的起降架同样采用柔性减震的碳纤维材质，滑撬式设计，安装于盾形外壳后方1/3处，可快速拆卸。
飞行器的升力装置由四具微旋翼组成，它们呈X形布设于盾形外壳四周的马达臂上，每具旋翼分别由一副超静音无刷式马达驱动。
与传统有刷马达相比，这种马达具有较高的能量转化效率、低噪声等特点。
至于每副旋翼，则由两片碳纤维叶片组成，可从马达上快速拆卸。
转动时，互成对角线的两副旋翼旋转方向相同，而另一侧对角线上的旋翼旋转方向则与前两副相反，以此来抵消彼此产生的扭力矩。
4个马达外侧还设有不同颜色的LED闪光导航灯，具体为前左侧为红色、前右侧为绿色，后左侧为白色、后右侧为蓝色。
当飞行器在昏暗环境中飞行或飞行距离较远时，使用者可根据LED导航灯的颜色来判断飞行器的姿态和位置。
飞行器尺寸 Draganfly四旋翼飞行器极其袖珍，以标准配置的四旋翼飞行器为例，含旋翼时的长、宽各为64.5cm，顶部直径为78.5cm，带起降架时高21cm；如拆除旋翼，其长、宽则分别为36cm。
起落架的安装高度约17cm，滑橇长31cm。
飞行器带电池、空载时的质量为6 8 0 g ，有效负荷约250g，最大起飞质量为980g。
一种基于STM32的微型四旋翼飞行器硬件设计方案
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小型攻击型四旋翼无人机系统设计分析
小型攻击型四旋翼无人机系统设计分析一、引言无人机技术的飞速发展，使得四旋翼无人机成为了军事领域的重要装备之一、小型攻击型四旋翼无人机以其低成本、高机动性和灵活性得到了广泛的关注和应用。
本文将对小型攻击型四旋翼无人机的系统设计进行分析。
二、系统组成1.机身结构：小型攻击型四旋翼无人机的机身结构应该具备轻巧、坚固和耐用的特点，能够承受高强度的运动和突发力的冲击。
同时，机身应具备良好的气动性能，以提高飞行效率和稳定性。
2.动力系统：动力系统是小型攻击型四旋翼无人机的核心组成部分，通常采用电动驱动的无刷直流电机作为动力源。
电机通过旋转螺旋桨产生升力，控制螺旋桨的转速和旋转方向可以实现飞行、悬停和转弯等动作。
3.控制系统：控制系统是小型攻击型四旋翼无人机的“大脑”，负责控制飞行、导航和任务执行等功能。
通常包括姿态控制、位置控制、导航控制和飞行控制等模块。
姿态控制使用陀螺仪、加速度计和磁力计等传感器来感知机身的姿态变化，然后通过电调控制电机的转速来实现平衡。
位置控制使用GPS、激光雷达和视觉传感器等感知器件来获取位置信息，然后通过PID控制算法控制飞行方向和速度。
4.任务载荷系统：小型攻击型四旋翼无人机通常搭载各种任务载荷，如摄像机、传感器、弹药等。
摄像机可以在任务中提供实时监视和情报收集功能，传感器可以用于目标侦测和测距等功能，弹药可以进行攻击和破坏敌方目标。
5.通信系统：通信系统是小型攻击型四旋翼无人机与地面站或其他系统进行通信的关键环节。
通常使用无线电通信技术，如Wi-Fi、蓝牙和卫星通信等来实现数据传输和控制指令的交互。
同时，通信系统还应该具备一定的抗干扰和保密性能，以防止被敌方干扰和攻击。
三、系统设计优化1.重量优化：小型攻击型四旋翼无人机需要具备较高的机动性和机载载荷能力，但受限于自身重量的限制。
因此，在设计中应该尽量减少机身结构和各组件的重量，采用轻量化的材料和结构设计来提高整体性能。
2.能量效率优化：小型攻击型四旋翼无人机的电池容量有限，为了延长续航时间，应该通过优化动力系统和降低飞行的功耗来提高能量效率。
浅谈微型航拍无人机（旋翼）的基本结构原理
浅谈微型航拍⽆⼈机（旋翼）的基本结构原理简要介绍微型航拍⽆⼈机的结构形式与⼯作原理两⽅⾯的内容。
微型航拍⽆⼈机（旋翼）的结构形式微型航拍⽆⼈机的四个旋翼分布在机体的前、后、左、右。
为了达到机体稳定飞⾏的⽬的，四个旋翼在结构上保持⽔平⼀致，四个旋翼的⼤⼩、造型都⼀样，四个由微控器（MCU）控制的电机对称分布在飞⾏器的⽀架端，⽀架中部安装有飞⾏控制器（通常是微型⼯控板MCU，在这⾥可以使⽤经常提到的STM32嵌⼊式系统）和外部连接设备。
它的基本结构形式如下图所⽰。
微型航拍⽆⼈机（旋翼）的⼯作原理微型航拍⽆⼈机（旋翼）通过改变四个电机的转速来调整旋翼转速，达到⽆⼈机升⼒变化的需求，进⽽调节航拍⽆⼈机的运动形式。
微型航拍⽆⼈机（旋翼）是6⾃由度垂直升降系统，由对称分布的四个电机提供四个输⼊⼒，有六个飞⾏状态，属于⼀种⽋驱动系统的⼀种。
微型航拍⽆⼈机（旋翼）沿各个⾃由度的飞⾏状态如下图所⽰。
由上图可以看到，这种微型航拍⽆⼈机（旋翼）的电机 1、电机 3逆时针旋转，与此同时电机 2、电机 4顺时针旋转。
如果四个电机的转速相同，那么陀螺效应与空⽓动⼒扭矩效应相互抵消，使得⽆⼈机处于悬停状态。
由上图可知该⽆⼈机有6种飞⾏状态：（a）垂直运动；（b）俯仰运动；（c）滚转运动；（d）偏航运动；（e）前后运动；（f）侧向运动；下⾯简单分析⼀下⽆⼈机是如何实现这6种飞⾏状态的。
把电机分成1、3与2、4这两组，当两组电机的输出功率增⼤，且达到相同的输出，拉⼒增⼤，总拉⼒⼤于⽆⼈机重量时机体垂直上升；反之，垂直下降。
没有风的情况下⽆⼈机便维持悬停状态。
如果1、3组电机的输出功率⼩于2、4组，⽆⼈机由悬停状态变为⾃转状态，具体是沿逆时针⾃转。
原因也很简单，这两组电机产⽣相反的扭矩，电机输出不同的情况下，机体⾃然会发⽣旋转。
如果2、4组电机的输出保持不变，⽽1、3组电机，其中⼀个的输出功率变⼩，那么⽆⼈机会向输出功率变⼩的电机的⽅向俯冲。
小型四旋翼无人机组机方案
小型四旋翼无人机组机方案(总11页)本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March一、小型四旋翼无人机总体架构典型的小型四旋翼无人机，一般由机械部分（机架），动力部分（包括电机、电子调速器、电调连接板、桨叶、电池），电子部分（包括飞控板、通信模块、遥控器接收机、PPM编码板）组成。
（一）机械部分机架考虑到编队飞行对实验室空间的要求，希望机架能够尽量的小。
根据与蔡国伟老师对电机与桨叶（后文提到）的搭配进行讨论后，决定将机架的大小设定为轴距255mm，边距180mm（由6寸桨的大小决定）。
1，底板 2，中间机架板 3，顶板整个机体由底板、中间机架板、顶板连接而成（通过尼龙螺柱和螺丝）；底板安置电池、xbee模块、遥控器接收机、电调连接板，中间机架板安置4个电调、pixhawk飞控板，顶板用于安置定位系统标记点（同时起到保护、隐藏pixhawk飞控板及走线的作用）；为便于安装，所有开孔、镂空均根据拟选器件匹配设计；拟采用碳2mm厚3K纤维板加工。
另设计四个保护罩如下（可用于避免桨叶受损或伤人）：4，保护罩（二）动力部分（1）电机一般而言，小型四旋翼无人机（轴距250mm左右）选用KV2000左右（配5-6寸桨）的电机。
经过对比讨论后，拟选用飓风D2206 KV1900无刷直流电机（配6寸桨）。
之所以选用这款电机是因为这款电机能够提供较大的拉力，同时该电机的工作电流处在一个比较小的区间，单个电机重量仅为。
飓风D2206 KV1900参数表飓风D2206 KV1900实物图（2）电子调速器电子调速器用于驱动无刷直流电机，比较重要的参数是工作电流，刷新频率，重量。
一般而言，市面上可售的大部分电子调速器的刷新频率都大于400hz，符合要求。
根据上文所选电机的工作电流，综合考虑重量要求，与蔡国伟老师沟通后，拟选用好盈XRotor-10A电子调速器。
大话多旋翼飞行器-动力学分析-红桃K
大话多旋翼飞行器--动力学分析作者：红桃k四旋翼飞行器的结构与基本飞行原理四个旋翼的对称布局可以有两种形式，分别称为X 模式和十字模式。
实际应用中，这两种模式在性能上差别不大，但对于分析来说，十字模式更为简化和直观，因此本文以十字模式进行分析。
四旋翼微型飞行器的结构如图1所示。
机身是一个刚性的十字交叉结构，四个电机分别位于十字结构的末端，驱动四个旋翼转动进而产生升力。
四旋翼飞行器产生基本动作的原理为：电机1和3逆时针旋转驱动两个正桨(旋翼逆时针旋转产生升力则称为正桨，反之则为反桨)产生升力，电机2和4顺时针旋转驱动两个反桨产生升力。
反向旋转的两组电机和桨使其各自对机身产生的转矩相互抵消，保证四个电机转速一致时机身不发生自旋。
电机1转速减小(增大)，同时电机3转速增大(减小)，产生向前(后)方向的运动。
电机2转速减小(增大)，同时电机4转速增大(减小)，产生向左(右)方向的运动。
四个电机转速同时增大(减小)产生向上(向下)的运动。
对角线的电机一组转速增大，另一组转速减小产生自身旋转运动。
通过这几种动作的组合，即可实现多样的飞行。
图1 飞行器结构使用北-东-地坐标系作为导航坐标系，以W 表示。
其坐标轴x W 指向地球北，y W 指向地球东，z W 垂直于地球表面并指向下。
飞行器机体坐标系固连于飞行器的质心，以B 表示。
其坐标轴x B 平行于桨盘平面并指向前，y B 平行于桨盘平面并指向右，z B 垂直于桨盘平面并指向下。
mg 旋翼2旋翼1旋翼3旋翼4F 1F 2Q 1Q 2Q 3F 3Q 4F 4y Bz Bx Bx Wy Wz W旋翼动力学令单个旋翼绕其旋转轴的角速度为Ωi (i =1,2,3,4)，电机转矩为τi ，与电机转矩相反的空气阻力矩为Q i 。
则有=+τΩ i r i iI Q (0-1)其中I r 为单个旋翼绕其旋转轴的转动惯量与电机转子转动惯量之和。
单个旋翼在自由流中的升力为2=Ωi i F b(0-2)其中，b 为一正比例常数，其值由空气密度，桨叶半径的立方，桨叶数量，桨叶弦长，升力常数(与桨叶攻角相关)，阻力常数(与飞行器结构相关)，以及几何尾迹决定。
小型四旋翼无人机组机方案
小型四旋翼无人机组机方案小型四旋翼无人机（以下简称四旋翼）是一种由四个独立的旋翼产生升力和驱动力的航空器。
它具有操控灵活、垂直起降、飞行稳定等特点，广泛应用于农业、勘测、航拍等领域。
下面将介绍一种小型四旋翼无人机的组机方案。
首先，组机方案的重点在于选择合适的零部件和搭建方式。
在选择零部件时，应注重以下几个方面的考虑。
1.机身结构：选用轻质、坚固的材料，如碳纤维或铝合金，以提高机身的强度和耐用性。
2.电机和电调：选用高性能、低功耗的电机和电调，以提供足够的动力，并确保操控性能的稳定。
3.控制系统：选用高灵敏度、快速响应的遥控器和飞控系统，以实现精准的操控和稳定的飞行。
4.航电系统：选用高精度、稳定的航电系统，如GPS导航、气压计和陀螺仪等，以实现自动悬停、定点飞行等功能。
5.通信系统：选用可靠、稳定的通信系统，如4G网络或无线电通信，以实现远程操控和数据传输。
其次，搭建方案应确保组装的整体结构稳定可靠。
一般来说，可以按照以下步骤进行搭建。
1.安装电机：将电机固定在机臂上，并连接电调和螺旋桨。
2.安装飞控系统：将飞控系统安装在机身上，并连接相应的传感器和电源。
3.连接电调和飞控：将电调与飞控的PWM信号线连接起来，并进行校准。
4.安装航电系统：将航电系统安装在机身上，如GPS导航仪、气压计等。
5.安装通信系统：将通信系统安装在机身上，并连接相应的天线。
6.连接电源：连接电池和相应的电源接口。
最后，组装完成后，应进行一系列的测试和调试。
首先要进行飞控系统的校准和参数调整，确保飞行控制的准确性和稳定性。
然后进行电机和电调的测试，确保电机正常运转。
接下来进行飞行器的悬停和飞行测试，检查各个部件的工作状态。
最后对整个飞行过程进行评估和调整，确保飞行器的性能符合预期。
综上所述，小型四旋翼无人机的组机方案包括选择合适的零部件和搭建方式，并进行测试和调试。
通过科学的组机方案，可以搭建出性能稳定、功能完备的小型四旋翼无人机。
四旋翼飞行器制作方法
四旋翼飞行器制作方法四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器，由四个对称分布的螺旋桨驱动，具备垂直起降和悬停能力。
它在军事、民用、娱乐等领域有广泛的应用，制作四旋翼飞行器可以满足个人飞行兴趣、科学研究、拍摄摄影、物流运输等需求。
下面将介绍四旋翼飞行器的制作方法。
首先，制作四旋翼飞行器需要准备一些必要的器材和材料，包括电机、电调、飞控、无线电遥控器、锂电池、螺旋桨、机架等。
1. 机架的制作机架是支撑整个飞行器的骨架，可以通过购买现成的机架或自行制作。
自行制作机架时，可以使用轻质的材料如碳纤维板或铝合金，根据设计要求切割、钻孔和组装成所需形状。
2. 安装电机和电调将选购的电机安装在机架的四个角上，每个电机安装一个电调。
通过电缆将电机与电调相连接，确保电机能够正常工作并受到电调的控制。
3. 飞控系统的安装飞控是四旋翼飞行器的核心控制系统，负责接收遥控器的指令并控制电机输出推力。
将飞控安装在机架上的中心位置，然后将其与电调连接，确保飞控系统正常工作。
4. 安装无线电遥控器选择适用于飞行控制的无线电遥控器，并将其与飞控系统配对。
遥控器通过无线信号发送指令，控制四旋翼飞行器的起航、降落、悬停、飞行方向等动作。
5. 安装锂电池选择适用于四旋翼飞行器的锂电池，并根据飞行器的功率需求选择合适的电池容量。
将锂电池安装在机架上的合适位置，并使用电缆将其与飞控系统和电调连接。
6. 安装螺旋桨选择适用于飞行器的螺旋桨，并按照电机的转向将螺旋桨安装在机架上的电机上。
确保螺旋桨安装牢固且方向正确，以保证飞行器能够正常运转。
7. 连接电路和调试将飞控系统、电调、电机、无线电遥控器、锂电池等各个部件互相连接，确保电路连接正确。
此外，还需要进行各个系统的校准和参数设置，以确保四旋翼飞行器能够稳定飞行和操控。
最后，完成飞行器的组装后，应进行地面测试和飞行测试，确保飞行器各项功能正常。
在飞行测试中，注意选择合适的场地和条件，确保飞行安全。
飞行器的操控和调校可能需要一些时间和经验，建议初学者在有经验的指导下进行操作。
基于STM32的四旋翼飞行控制器的设计.doc
基于STM32的四旋翼飞行控制器设计姓名：XX学号：54130XXXXXXX班级：自动化摘要随着时代的发展,多旋翼飞行器越来越被广泛的应用在军事、民用、以及科学研究等多个领域,同时其本身也向着高效、多功能化方面发展。
四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机又叫四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以搭配微型相机录制空中视频。
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并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。
与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作（目前，也出现可以改变螺距的四旋翼飞行器，这种控制方式比改变电机转速更灵活方便）。
一四旋翼飞行基础控制原理1.1 飞行动力原理（图2.1）（图2.2 ）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。
1.2 姿态分析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，（图2.2.1）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。
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转速该变量的大小应相等。
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arctan
(5)
arctan
g , g , g
2 q0 q1 q2 q3 2 2 2 2 q0 q1 q2 q3
+
arctg
(6)
由于陀螺零点漂移和离散采样产生的累
3.4 规范化四元数
表征旋转的四元数应该是规范化四元数， 但是由于计算误差等因素， 计算过程中四元数
会逐渐失去规范化特性， 因此必须对四元数做 规范化处理。 使用互补滤波器矫正后的欧拉角， 先由(7) 转换为四元数，然后使用(11)对其进行规范化 后再进行更新操作。
PWM1 场效应管1 电机1
PWM2 场效应管2 电机2
PWM3 场效应管3 电机3
c c c s s s c s s c s c
图 3 飞行器系统结构图
四旋翼微型飞行器的系统结构如图 3 所 示。三轴陀螺仪，三轴加速度计和三轴磁力计 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， 再与通过无线 模块接收的姿态控制指令一起作为姿态 PID 控制器的输入，姿态控制器输出相应的 PWM 信号分别驱动四个场效应管， 进而改变四个电 机的转速实现姿态控制。 飞行器相关硬件包括:主控制器: STM32F103RBT6,工作频率 72MHz。姿态测 量系统:双轴陀螺 IDG650 和单轴陀螺 ISZ650， 三轴加速度计和三轴磁力计组合模块 LSM303DLHC。无线通信模块: 2.4G 无线收 发模块 nRF24L01。 驱动装置:四个 N 沟道场效 应管 SI2302DS。 动作执行装置： 四个直径 6mm 的空心杯电机，两对直径 45mm 正反桨。供电
电机1 电机4 xB M1 F1 xN zN yN F3
图 2 四旋翼飞行器动力学模型
yB M4
M2 F2 电机2
zB mg
电机3 M3
F4
微型飞行器的动力学模型如 2 图所示。 飞 行器载体坐标系 B， 原点固连于飞行器的重心， 以坐标轴 xB, yB 和 zB 表示， 分别指向飞行器的 前(横滚轴)、右(俯仰轴)和下(偏航轴)方向。选 取导航坐标系 N 为参考坐标系，以坐标轴 xN, yN 和 zN 表示,分别指向北、东和当地垂线向下 方向。M 和 F 分别代表飞行器受到转矩和升 力。 四旋翼飞行器产生基本动作的原理为： 电
2 2 ax ay az2 0.02, 0.8 1.2 k (10) g 0, 其他
t 2 t q1 q1 ( q0 xB q2 zB q3 yB ) 2 (8) t q2 q2 ( q0 yB q1 zB q3 xB ) 2 t q3 q3 ( q0 zB q1 yB q2 xB ) 2 q0 q0 ( q1 xB q2 yB q3 zB ) 3.3 互补滤波器数据融合
起飞前，飞行器处于静止状态，无法由陀螺得 到初始姿态。 此时参考坐标系下的加速度等于 重力加速度，即
a xN 0 a yN 0 g azN
把(2)代入(1)可以解得
(2)
arctg
2 2 ay a zB B ax B
(3)
arctg
a yB az B
(4)
即为初始俯仰角和横滚角， 通过加速度计得到 载体坐标系下的加速度即可将其解出。
载 体 坐 标 系 下 的 磁 场 强 度
m
xB
，m yB，mzB 和参考坐标系下的磁场强
度 mxN ，m yN ，mzN
之间的关系可表示为
四旋翼微型飞行器设计
作者：红桃 K
0 引言
微型飞行器(Micro Air Vehicle， 简称 MAV) 是 20 世纪 90 年代发展起来的一种新型飞行 器。根据美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的定义，微型飞行器的基本技术指标包括：飞 行器最大尺寸不超过 15 cm，重量 10~100 g， 有效载荷 1~18 g，续航时间 20~60 min，巡航 速度 30~60 km/h，飞行距离 1~10km，能够自 主飞行。按照飞行模式的不同，微型飞行器可 分为：固定翼微型飞行器、旋翼微型飞行器和 扑翼微型飞行器。 固定翼微型飞行器飞行距离 远，巡航速度快，续航能力强，比较适合野外 区域性侦查等工作。 其典型代表是美国航空环 境公司(AeroVironment)研制的 Black Widow 和 洛克希德桑德斯公司 (Lockheed Sanders) 研制 的 MicroStar。旋翼微型飞行器具有一个或多 个旋翼，能够垂直起降和悬停，适用于狭小空 间(如室内)或复杂近地环境中。典型代表是洛 克尼克公司(Lutronix)研制的 Kolibri 和斯坦福 大学研制的 Mesicopter。扑翼微型飞行器是一 种模仿昆虫或鸟类的新型飞行器， 其主要特点 是将举升、悬停和推进功能集成于一体，具有 很强的机动性和灵活性。 扑翼微型飞行器控制 方式比较复杂，目前多数机构都处于研究阶 段，离实际使用还有一定的距离。典型代表是 加利福尼亚工学院研制的 MicroBat 和斯坦福 研究中心(SRI)研制的 Mentor。国内也有多家 高校开展了微型飞行器的研究工作， 如清华大 学，上海交通大学，哈尔滨理工大学，华南理 工大学等。 对于室内狭小空间的侦查任务， 需要微型 飞行器具有垂直起降能力， 稳定悬停能力以及 灵活的机动性。 多旋翼微型飞行器是实现以上 功能的理想选择。 本文设计了一种微型四旋翼 飞行器，使用三轴陀螺仪，三轴加速度计和三 轴磁力计组成姿态测量系统， 使用四元数算法 进行姿态解算， 使用互补滤波器进行数据融合 以减小机体振动和陀螺漂移对姿态测量的影 响。该飞行器体积小，重量轻，可垂直起降和 悬停，适用于室内狭小空间的侦查任务。
装置: 3.7V/130mAh 锂电池。
3 姿态解算
要对微型飞行器进行控制， 首先要得到飞 行器的当前姿态。 姿态解算需要从姿态测量系 统得到原始测量数据。首先获取初始姿态，然 后使用四元数算法进行姿态更新， 再将四元数 转换为欧拉角，通过互补滤波器进行姿态矫 正， 最后将矫正后的欧拉角转换为四元数并将 其规范化，进行下一次的姿态更新。
(7) k e g a g
2 2
q3 s c s s s c 2 2 2 2 2 2
首先通过(7)将欧拉角转换为四元数， 然后 采用毕卡算法进行四元数的更新， 这里使用一 阶近似算法，如(8)所示，其中∆t 代表陀螺采 样时间间隔。 xB ， yB 和 zB 代表载体坐标 系下的角速度，可由陀螺得到。
2 2 2 q0 q0 / q0 q12 q2 q3 2 2 2 q12 q2 q3翼微型飞行器实物图
q2 q 2 / q q q q
2 0 2 1 2 2
2 3
(11)
四旋翼微型飞行器实物如图 6 所示。 整机 重量 22 克(含电池)，有效载荷 5 克，最大尺 寸 15 厘米。前端预留了视觉传感器接口，以 便进行视觉辅助导航任务。实验表明，四旋翼 微型飞行器飞行时间大于 5 分钟， 可垂直起降 和悬停，动作灵活，适合狭小空间飞行。
s c s 2 2 2 2
(10)
e g k a g
静态时，使用公式(3)-(6)计算的欧拉角即 可作为有效值。动态时，造成加速度计角度计 算误差的因素有两个。 一是电机和旋翼旋转时 引起的振动， 二是除重力之外的外力产生的加 速度。振动通常可以使用低通滤波器进行处 理。对于有外力加速度的情况，计算三轴加速 度的合成量，并计算与重力加速度的比值，当 比值处于规定区间内时， 认为由加速度计算的 欧拉角是可靠的，可用互补滤波器进行矫正。 当比值在区间外时，认为外力加速度过大，由 加速度计算的欧拉角不可靠，取消矫正，仅用 陀螺计算的欧拉角进行四元数更新。 互补滤波 器融合系数 k 由(10)表示。
e , e , e
-
k
3.2 四元数姿态更新
q0 c c c s s s 2 2 2 2 2 2 q1 s c c c s s 2 2 2 2 2 2 q2 c
a , a , a
图 4 互补滤波器原理示意图
s c
e g k a g
(5)。 通过磁力计可以得到载体坐标系下得磁场 强度，将其代入(5)，并结合(3)和(4)可以求得
m
xN
，m yN ，mzN 。再由(6)可以解得初始偏
积误差， 由陀螺得到的四元数只能保证短期的 精度， 需要使用加速度计和磁力计对其进行矫 正。 首先使用(9)将更新后的四元数转换为欧拉 角，然后使用互补滤波器进行矫正，基本原理 如图 4 所示，其公式表示为(10)。其中下标 g 代表由陀螺得到的欧拉角， 下标 a 代表由加速 度计得到的欧拉角，下标 e 代表经互补滤波器 矫正后的欧拉角估计值。
机 1 和 3 逆时针旋转驱动两个正桨产生升力， 电机 2 和 4 顺时针旋转驱动两个反桨产生升 力。 反向旋转的两组电机和桨使其各自对机身 产生的转矩相互抵消， 保证四个电机转速一致 时机身不发生转动。电机 1 和 4 转速减小(增 大)，同时电机 2 和 3 转速增大(减小)，产生 向前(后)方向的运动。 电机 1 和 2 转速减小(增 大)，同时电机 3 和 4 转速增大(减小)，产生 向左(右)方向的运动。 四个电机转速同时增大 (减小)产生向上(向下)的运动。 对角线的电机 一组转速增大， 另一组转速减小产生自身旋转 运动。
姿 态 解 算
PID 控 制 器
a
xN
中 c 和 s 分别代表 cos 和 sin。
axB ayB azB