四旋翼飞行器 设计报告
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版四旋翼飞行器（A 题）参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度（位置与姿态）控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能精确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
2.1.1 方案一：选择Coldfire系列芯片作为系统控制的主控板，因为在以往队员们做过飞思卡尔智能车竞赛，对此系列的芯片做的比较熟悉，芯片功能强大，但以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
2.1.2 方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：2.2.1 方案一：十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
电子设计大赛四旋翼飞行器报告
选题编号：C题全国大学生电子设计竞赛设计报告选题名称：多旋翼自主飞行器主办单位：辽宁省教育厅比赛时间：2015年08月12日08时起2015年08月15日20时止摘要多旋翼飞行器也称为多旋翼直升机，是一种有多个螺旋桨的飞行器。
本设计实现基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飞行器。
本飞行器由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成。
主控模块采用ATMEGA328P芯片，负责飞行姿态控制；导航模块以G13MCU为核心，由陀螺仪、声波测距等几部分构成，该模块经过瑞萨芯片处理采集的数据，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PWM增减量，及时调整电机，调整飞行姿态，使飞行器的飞行更加稳定；电源模块负责提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，负责完成比赛相应动作。
飞行器测试稳定，实现了飞行器运动速度和转向的精准控制，能够完成航拍，触高报警，携物飞行，空中投递等动作要求。
关键词：四旋翼，PID控制，瑞萨目录摘要................................................................................................................................ i i1.题意分析 (1)2.系统方案 (1)2.1 飞行控制模块方案选择 (1)2.2 飞行数据处理方案选择 (1)2.3 电源模块方案选择 (2)2.4 总体方案描述 (2)3.设计与论证 (2)3.1 飞行控制方法 (2)3.2 PID控制算法 (3)3.3 建模参数计算 (3)3.4 建立坐标轴计算 (4)4.电路设计 (5)4.1 系统组成及原理框图 (5)4.2 系统电路图 (5)5.程序设计 (6)5.1 主程序思路图 (6)5.2 PID算法流程图 (7)5.3 系统软件 (7)6. 测试方案 (7)6.1 硬件测试 (7)6.2 软件仿真测试 (7)6.3 测试条件 (8)6.4 软硬件联调 (8)7.测试结果及分析 (8)7.1 测试结果 (8)7.2 结果分析 (9)8.参考文献 (9)1.题意分析设计并制作一架带航拍功能的多旋翼自主飞行器。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计小型四旋翼低空无人飞行器综合设计一、引言近年来，随着科技的不断发展，无人飞行器成为了航空领域的热门研究课题。
小型四旋翼低空无人飞行器因其灵活性和机动性而备受关注。
本文旨在综合设计一种小型四旋翼低空无人飞行器，并对其关键设计问题进行探讨。
二、设计目标本次设计的小型四旋翼低空无人飞行器的设计目标如下：1. 具备良好的悬停稳定性，能够在低空进行稳定的悬停飞行；2. 具备较高的操控能力，能够完成复杂的机动动作；3. 具备一定的荷载能力，能够搭载各种传感器或设备，以实现不同应用场景的需求；4. 具备良好的安全性，能够应对紧急情况并自动返航。
三、机构设计1. 旋翼设计：选择合适的旋翼叶片尺寸、扭矩和旋翼转速，以实现所需的升力和推力，并保证飞行器的稳定性和机动性。
2. 机身设计：考虑到飞行器的结构强度和重量的平衡，使用轻质且强度高的材料，以实现飞行器的结构刚度和稳定性。
3. 电机设计：根据所需的推力和转速要求，选择合适的电机，并配置相应的驱动和控制系统。
四、控制系统设计1. 姿态控制：采用惯性测量单元（IMU）获取飞行器的姿态信息，通过PID控制算法实现稳定的悬停飞行和精确的操控。
2. 导航系统：利用全球定位系统（GPS）和陀螺仪传感器获取飞行器的位置和速度信息，实现精确的导航和定位。
3. 通信系统：设计一套可靠的数据传输系统，将飞行器采集到的数据传输到地面控制器，并接收指令以实现远程操控。
4. 紧急情况处理：设计一套自主判断机制，当飞行器遇到故障或紧急情况时，能够自动触发返航程序，确保飞行器的安全。
五、能源系统设计1. 电源选择：根据需求选择合适的电池类型和容量，以提供飞行器所需的电力。
2. 能效优化：通过优化电机和电子元件的功耗，减少能源的消耗，延长飞行器的续航时间。
3. 充电系统：设计一套快速充电系统，以提高电池的充电效率和充电速度，减少充电时间。
六、飞行器性能测试设计完成后，对飞行器进行性能测试，验证其实际飞行性能和稳定性。
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
四轴飞行器报告
四轴飞行器报告1. 前言四轴飞行器是一种无人机，由四个电动机驱动，具有稳定飞行的能力。
它在军事、民用及娱乐领域都有广泛的应用。
本报告将对四轴飞行器的结构、工作原理以及应用进行详细介绍。
2. 结构四轴飞行器主要由以下部件组成：•机架：提供了支撑和连接其他部件的框架结构，通常是以轻质材料如碳纤维制成。
•电动机：驱动飞行器飞行的关键部件，通常使用直流无刷电机。
•螺旋桨：由电动机驱动的旋转桨叶，用于产生升力和推力。
•电调：控制电动机的转速和方向，从而控制飞行器的姿态。
•飞控系统：负责接收和处理来自传感器的数据，计算飞行器的姿态和控制指令。
•电池：提供能量给电动机和其他电子设备。
3. 工作原理四轴飞行器的飞行原理基于牛顿第二定律。
通过调整四个电动机的转速和方向，可以控制飞行器的姿态和运动。
飞行器的姿态包括横滚、俯仰和偏航。
通过增加相对转速，可以产生横滚和俯仰的力矩，从而使飞行器向相应方向倾斜。
飞行器倾斜后，电动机产生的升力也会有所改变，使得飞行器能够前进、后退或悬停。
飞行器的稳定性是通过飞控系统来保证的。
飞控系统通过接收来自加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器的数据，计算飞行器的姿态和运动状态，并根据用户的控制输入调整电动机的转速和方向，以保持飞行器的稳定。
4. 应用四轴飞行器在军事、民用及娱乐领域都有广泛的应用。
在军事领域，四轴飞行器可以用于侦查、监视和目标跟踪。
由于其小型化、高机动性和隐蔽性，可以在不可接近的区域执行任务，提供重要的情报支持。
在民用领域，四轴飞行器可以用于航拍、物流和巡检等任务。
航拍业务能够提供高质量的航空影像，广泛用于地理信息和城市规划等领域。
同时，四轴飞行器还可以用于运送货物，解决最后一公里的配送问题。
此外，四轴飞行器还可以用于巡检任务，如电力线路、管道和建筑物的巡检，提高作业效率和安全性。
在娱乐领域，四轴飞行器常被用作遥控飞行器，供爱好者进行操控和竞赛。
爱好者可以通过多种方式定制飞行器的外观和性能，提升飞行器的性能和飞行体验。
毕业设计四旋翼飞行器
毕业设计四旋翼飞行器毕业设计四旋翼飞行器近年来，随着科技的不断发展，四旋翼飞行器成为了一个备受关注的话题。
无论是在军事领域还是民用领域，四旋翼飞行器都展现出了巨大的潜力和广阔的应用前景。
作为毕业设计的选题，四旋翼飞行器无疑是一个令人兴奋的选择。
首先，让我们来了解一下四旋翼飞行器的基本原理。
四旋翼飞行器是一种通过四个对称排列的螺旋桨产生升力，从而实现飞行的无人机。
它的优点在于灵活性高、悬停能力强、机动性好等。
这些特点使得四旋翼飞行器在航拍、勘测、救援等领域有着广泛的应用。
在设计四旋翼飞行器时，我们需要考虑多个方面。
首先是结构设计。
四旋翼飞行器的结构设计涉及到机身、螺旋桨、电机等多个部分。
合理的结构设计能够提高飞行器的稳定性和操控性。
其次是控制系统设计。
四旋翼飞行器的控制系统包括飞行控制器、遥控器等。
优秀的控制系统设计能够提高飞行器的飞行性能和安全性。
最后是能源供应设计。
四旋翼飞行器通常使用电池作为能源供应，因此需要考虑电池容量、充电时间等因素，以确保飞行器的续航能力。
在毕业设计中，我们可以选择不同的方向来进行研究。
一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的稳定性和控制性能。
通过对控制算法的优化和飞行器结构的改进，提高飞行器的稳定性和操控性，使其能够在不同环境下完成各种任务。
另一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的应用领域。
通过对不同应用领域的需求和特点的分析，设计出适应性强、功能多样的四旋翼飞行器，开拓新的应用市场。
当然，在进行毕业设计的过程中，我们也会面临一些挑战。
首先是技术挑战。
四旋翼飞行器涉及到多个学科的知识，如机械设计、电子技术、控制理论等。
我们需要充分利用所学知识，结合实践经验，解决技术上的问题。
其次是资源挑战。
进行四旋翼飞行器的设计和制作需要一定的资金和设备支持。
我们需要合理安排资源，确保毕业设计的顺利进行。
然而，面对挑战，我们更应该看到四旋翼飞行器的巨大潜力。
四旋翼飞行器不仅可以应用于军事、航拍等领域，还可以用于环境监测、物流配送等领域。
动态系统建模(四旋翼飞行器仿真)实验报告-
动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告:动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告院（系）名称大飞机班学号学生姓名任课教师2021年 _月四旋翼飞行器的建模与仿真一、实验原理 I．四旋翼飞行器简介四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。
四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前、后、左、右四端，如图1-1所示。
旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。
在图1-1中，前端旋翼1 和后端旋翼3 逆时针旋转，而左端旋翼2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。
由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。
图1-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。
由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4 个旋翼的转速），这就意味着被控量之间存在耦合关系。
因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。
本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。
II．飞行器受力分析及运动模型（1）整体分析如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为：Ø重力mg，机体受到重力沿-Zw方向Ø四个旋翼旋转所产生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向Ø旋翼旋转会产生扭转力矩Mi (i=1,2,3,4)， Mi垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。
图1-2 四旋翼飞行器受力分析（2）电机模型Ø力模型（1.1）旋翼通过螺旋桨产生升力。
电子设计大赛四旋翼设计报告
电子设计大赛四旋翼设计报告一、设计背景和目的四旋翼是一种无人机的形式，它由四个旋转桨叶提供升力和稳定性。
四旋翼的设计和制造对于提高飞行品质和有效性非常重要。
因此，我们参加了电子设计大赛，目的是设计一种高性能、高稳定性的四旋翼。
二、设计要求和功能1. 提高飞行品质：设计一个稳定的四旋翼，可以在各种气候和环境条件下飞行，并保持平稳。
2. 提高控制性：设计一个精确的控制系统，可以实现精确的飞行操作和操纵。
3. 增强可靠性：设计一个可靠的四旋翼，能够有效地预防故障并提供必要的安全性能。
4. 提高机动性：设计一个具有高机动性的四旋翼，能够实现各种飞行动作和任务，如起飞、降落、转弯等。
三、设计方案1. 结构设计：- 使用轻质材料制造机身和旋转桨叶，以减少整体重量并提高机动性。
- 采用可折叠设计，便于携带和储存。
2. 电力系统：- 配备高性能的电机和螺旋桨，以提供足够的升力和稳定性。
- 安装高容量的电池，以延长飞行时间。
3. 控制系统：- 使用高精度的陀螺仪和加速度计，以提供准确的飞行数据。
- 配备先进的飞行控制系统，实现精确的操纵和飞行操作。
4. 通信系统：- 配备可靠的遥控器，实现远程控制操作。
- 安装高清晰度的摄像头，传输实时视频和图像。
5. 安全系统：- 配备传感器和防撞装置，以避免与障碍物碰撞。
- 设置飞行限制区域和高度限制，确保飞行的安全性。
6. 程序设计：- 开发合适的飞行控制软件，实现四旋翼的智能化飞行和任务执行。
四、预期成果和可行性分析我们预期通过设计和制造一个高性能、高稳定性的四旋翼，能够在电子设计大赛中取得好成绩。
我们的设计方案经过多次验证和测试，证明具有良好的可行性和实用性。
在实际操作中，我们可以利用这个四旋翼进行各种任务和应用，如航拍、物流输送、环境监测等。
这个四旋翼除了参加电子设计大赛，还可以在其他领域得到广泛应用，具有很高的市场潜力。
我们相信我们的四旋翼设计能够达到预期的目标，并取得好成绩。
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。
旋翼飞行器实验报告
四旋翼飞行器实验报告(总4页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--实验报告课程名称：《机械原理课内实验》学生姓名：徐学腾学生学号： 22所在学院：海洋信息工程学院专业：机械设计制造及其自动化报导教师：宫文峰2016年 6 月 26 日实验一四旋翼飞行器实验一、实验目的1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统；2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。
二、实验设备和工具1. Parrot公司四旋翼飞行器一架；2. 苹果手机一部；3. 蓝牙数据传输设备一套。
4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。
三、实验内容1、了解四旋翼无人机的基本结构；2、了解四旋翼无人机的传动控制路线；3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作；4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理；5、能根据指令控制无人机完成特定操作。
四、实验步骤1、学生自行用IPHONE手机下载并安装四旋翼飞行器控制软件。
2、检查飞行器结构是否完好无损；3、安装电沲并装好安全罩；4、连接WIFI，打开手机软件，进入控制界面；5、软件启动，设备连通，即可飞行。
6、启动和停止由TAKE OFF 控制。
五、注意事项1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制；2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉；3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部；4. 电量不足时，不可强制启动飞行；5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上；6. 飞行器不得触水；7. 飞行器最大续航时间10分钟。
六、实验相关问题1. 整理四旋翼飞行器的传动控制路线。
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，对角线方向上的旋翼旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相对，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。
四旋翼无人机设计
四旋翼无人机设计四旋翼自主飞行器是一种能够垂直起降、多旋翼式的飞行器，其通过自带电源驱动电机来提供动力。
它在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，因其四只旋翼可相互抵消反扭力矩的优点，而不需要专门的反扭矩桨从而使其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。
同时又因其具有灵活性高、要求的飞行空间小、能源利用率高、隐蔽性强以及安全性能高等优势，特别适合在近地面环境（如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦查等任务，其在军事（电子战）和民用（通信、气象、灾害监测）方面都有很大的应用前景。
另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能及独特的飞行控制方式（通过控制四只旋翼的转速实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际上新的研究热点。
四旋翼飞行器按照四只旋翼和机架布置的方式其飞行控制平台（机架）可以分为十字模式和X模式。
X模式比十字模式灵活，但是对于姿态测量和控制的算法编程来说，十字模式较X模式简单，更容易实现。
X模式通过同时控制两对旋翼转速的大小来实现飞行控制及姿态的调整，而十字模式只要同时控制一对旋翼的转速就能实现相应的飞行动作。
十字模式容易操作，飞行平稳，综合考虑采用十字模式。
四旋翼自主飞行器是由安装在十字型刚性结构的四个电机作为驱动的飞行器。
控制器通过调节四个电机的转速使四个旋翼间出现特定的转速差从而实现飞行器的各种动作。
由于四旋翼自主飞行器是通过增大或减小四只旋翼的转速达到四个方向升力的变化进而控制飞行器的飞行姿态和位置的稳定，相对于传统的直升机少去了舵机调节平衡、控制方向，并且不用改变螺旋桨的桨距角，使得四旋翼自主飞行器更容易控制。
但是四旋翼自主飞行器有六个状态输出，即是一种六自由度的飞行器，而它却只有四个输入，是一个欠驱动系统。
也正是由于这个原因使得四旋翼自主飞行器非常适合在静态及准静态的条件下飞行。
四旋翼自主飞行器飞行控制系统由飞行控制器、各类测量传感器装置、驱动电机、被控对象（飞行器机体）等部分组成，如图1。
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。
四旋翼无人飞行器设计与实验研究的开题报告
四旋翼无人飞行器设计与实验研究的开题报告一、选题背景及意义随着科技的不断发展，无人机已经广泛应用于农业、环境监测、救援、安保等领域。
而四旋翼无人飞行器由于其灵活、稳定、可控等特点，在室内、室外、风力较小的环境中具有广泛的应用前景。
本研究旨在设计和实验一种基于四旋翼的无人飞行器，并探索其在悬停、航行、姿态控制等方面的应用。
二、研究内容及方法1.无人飞行器设计（1）飞行器主要部件的选型和设计；（2）飞行器控制系统的设计，包括姿态控制、飞行控制、安全控制等。
2.无人飞行器实验（1）飞行器性能测试，包括悬停、航行、载荷能力等；（2）姿态控制实验，包括角速度控制、角度控制、PID控制等。
3.研究方法（1）参考文献研究；（2）设计手册、飞行器工程手册等资料查阅；（3）使用仿真软件进行初步测试；（4）进行实验室实验。
三、预期结果设计并成功试飞一架基于四旋翼的无人飞行器，能够实现悬停、航行、载荷能力等基本性能，并实现姿态控制，包括角速度控制、角度控制、PID控制等。
四、可能遇到的问题及解决方法1.设计不合理导致无法飞行问题。
解决方法：书籍、专利等资料查找，咨询相关领域专家。
2.实验前期仿真测试结果不准确问题。
解决方法：改变仿真软件，检查测试环境的合理性，加强对程序的分析。
3.技术难度较大，长时间解决不了问题。
解决方法：与合作单位、专家进行讨论协商，不断完善解决方案。
四、研究计划及进度安排1.文献综述 2周2.设计方案确定 2周3.飞机部件选型和设计 4周4.控制系统设计 4周5.设计报告编写 2周6.编写程序及模拟测试 4周7.实验室实验 8周8.论文写作及答辩准备 8周五、参考文献[1] 李培生. 无人机系统工程[M]. 北京：国防工业出版社，2015.[2] 张天泽，赵岩. 基于四旋翼的无人机姿态控制研究[J].计算机系统应用，2013，22（8）：129-132.[3] 赵天维，姜太平. 基于PID控制的四旋翼无人直升机姿态控制算法[J].自动化与仪器仪表，2015，101（9）：187-192。
四旋翼飞行器_实验报告
四旋翼飞行器动态系统建模仿真实验报告院（系）称学生姓名学生学号指导教师2010年12月18日1.实验目的通过在Matlab环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，掌握四旋翼飞行器的建模和控制方法和在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。
2.实验设备（1）硬件：PC机。
（2）工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。
3.实验原理及实验要求3.1实验原理四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。
四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图1 所示。
旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。
图1四旋翼飞行器旋转方向示意图在图 1 中，前端旋翼1 和后端旋翼3 逆时针旋转，而左端旋翼 2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。
由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。
四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示，旋翼机体所受外力和力矩为：图2四旋翼飞行器受力分析示意图旋翼机体所受外力和力矩为：重力mg , 机体受到重力沿w z -方向；四个旋翼旋转所产生的升力i F (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿b z 方向； 旋翼旋转会产生扭转力矩i M (i= 1 , 2 , 3 , 4)。
i M 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。
按照图3所示的控制回路对飞机的运动状态进行控制，控制回路包括内外两层。
图3包含内外两个控制回路的控制结构3.2实验要求（1）基于Simulink 建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制；（2）建立GUI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹；（3）基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹（不要求模拟螺旋桨的转动）。
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。
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版精选全文
可编辑修改精选全文完整版四旋翼飞行器〔A 题〕参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有构造特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进展机动，构造简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比拟简单，但涉及的科技领域比拟广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度〔位置与姿态〕控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能准确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言：1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。
四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的方案一：选择Coldfire系列芯片作为系统控制的主控板，因为在以往队员们做过飞思卡尔智能车竞赛，对此系列的芯片做的比拟熟悉，芯片功能强大，但以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：方案一：十字飞行方式。
四旋翼设计报告综述
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 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型...........................................................................- 3 -2.2 PID 控制算法结构分析...............................................................................- 3 -3 硬件电路设计与实现.....................................................................................-4 -3.1 飞行控制电路设计................................. .....................................................- 5-3.2 电源模块........................................................................................ ..............- 5 -3.3 电机驱动模块...............................................................................................- 5-3.4 传感器检测模块...........................................................................................- 5-4 系统的程序设计...............................................................................................-5 -5 测试与结果分析...............................................................................................-6 -5.1 测试设计.......................................................................................................- 6 -5.2 测试结果.......................................................................................................- 6 -6 总结 (6)1 系统方案论证与控制方案的选择根据题目要求，对该系统的特点及其控制特性进行了分析，进行了几种不同设计方案的比较。
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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
2
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
1系统方案
系统主要由stm32控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、超声波测距模块和投弹打靶模块等六部分组成，采用十字型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1控制系统选择方案
方案一：
主控板使用pcduino。
其内存大而且板子体积较小，重量较轻，对四旋翼的载重量要求较低。
但是它对电源的要求较高，而且I/O口较少，我们刚开始学习使用，不是很熟悉，对于四旋翼的需要不够。
方案二：
主控板使用stm32。
Stm32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们选择了方案二。
1.2飞行姿态控制方案论证
方案一：
十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
方案二：
X行飞行方式。
四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。
X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。
综合以上两种方案鉴于我们是初次尝试，所以选择了方案一。
1
1.3角度测量模块的方案论证
方案一：
光纤陀螺仪。
光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二
极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。
光传播路径的变化，决定了敏感
元件的角位移。
光纤陀螺仪寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，
重量轻，但是成本较高，鉴于我们这是初次尝试，需要多次实验，破坏较大。
方案二：
MPU6050三轴陀螺仪。
MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三
个不同方向的加速度、角速度、角度。
单轴的话，就只可以测定一个方向的量，
那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。
它现在已经成为激光陀螺的发展趋
向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其
输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，这样会影响主控板对最终的
姿态控制的响应速率。
综合以上两种方案，我们选择了方案二
2理论分析与计算
2.1Pid控制算法分析
由于四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推力，所以如何保
证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比
例关系是飞行器按照期望姿态飞行的关键。
所以这里我们采用到pid控制理论把
飞机的当前姿态调整到期望姿态。
C(t)
2
3
Pid 控制是通过姿态采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对，如果存在误差，就对误差进行比例、积分、微分的调整，再将调整后的值加到当前电机上，从而达到调整的目的。
比例调节的反应速度较快，而且调节作用明显，飞机出现俯仰和翻滚时能快速调节回来，但是稳定性较差，往往会调节过火；积分调节可以消除长期误差，排除外界因素的干扰，但是同样会降低系统整体的稳定性，使飞机发生震荡；微分调节可以预测被控设备的将来状态，及时的进行调整，而且对比例调节有抑制作用，加强单比例调节的稳定性，排除调节过度的问题。
所以通过pid 控制可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来，以使系统达到稳定。
2.2 飞行姿态控制单元
飞行器模拟图如下图，姿态控制是通过陀螺仪模块进行数据的采集，根据它采集回来的俯仰角（pitch ），翻滚角（roll ），四旋翼采用十字型连接，这样的话能明确分离俯仰姿态和翻滚姿态，进行分别控制。
这时如果飞机处于俯仰状态就调机头和机尾的电机，那边高就减小那边电机的转速，相应的那边低则加大那边电机的转速。
如果飞机处于翻滚状态，则调左右电机。
4
3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图
右
3.2程序的设计
3.2.1程序设计流程图
4测试方案与测试结果
1、硬件测试
首先，先把四轴飞行器分块拆解，用最小的最轻的元件和电路板按照配重的需要安装在四轴飞行器上。
再用物理方法测量重心，使其重心维持在四轴飞行器的中心。
连线接头要保证其牢固性，电池，主控板，陀螺仪要等机械硬件要使其牢固安装在飞机上。
这个硬件测试最关键的是PID的是三个参数调试，先调p参数，p参数是调
5
整反应速度和力度的，当它反应迅速且两边等幅振动时即可确定p参数，再调d 参数，d参数是一个抑制的作用，抑制它调制过大，使它保持在平衡位置的，当从任意角度都可以一次直接返回平衡位置时即可，最后调i参数，i参数是积分项，当哪一边反应过小时可以加一个i参数。
这样就测试出一组适合的PID参数了。
2、软件仿真测试
在调试程序之前，可用串口显示每个电机PWM输出，观察各种姿态下PID 控制后电机油门的大小。
3、硬件软件联调
通过stm32编程，模仿出PWM，并测量是否能通过电机驱动来使飞行器起飞，通过多次测试，找出飞行器起飞时的PWM值。
mpu6050模块通过串口向主控板发送数据，并在电脑上利用串口接收，检测数据是否正确，通过软件编程针对显示的数据进行修改。
通过mpu6050模块使四轴飞行器稳定的起飞，并悬停在空中；再进行测试，使四轴飞行器前进和后退；最后进行降落的测试。
通过超声波的测量使其悬停在100cm的空中，在进行前进后退的校准，使其飞行足够准确，之后进行对引导线的识别，使飞机平稳前进。
最后通过通过对直径为10cm的黑圆圈进行测试，使其测量到，并使四轴飞行器投弹打靶，打靶完毕后降落在黑色圆圈内。
5结论
6。