四旋翼飞行器PPT
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四轴飞行器课件(转)
算法上的实现
• 外环： (我的外环仅仅用了p项) • 外环输出值=p*（实际姿态解算角度值-平衡位置 姿态值-控制量） • exValue.Pitch_p =expidPitch.p*(Attitude.pitchControldata_PITCH-XStaticSet ); exValue.Roll_p =expidRoll.p*(Attitude.rollControldata_ROLL-YStaticSet ); • exValue.Yaw_p =expidYaw.p* (Attitude.yawSETYAW+Controldata_YAW);
谢谢大家
限幅
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • if( PWM_XZ<MinPeriod) PWM_XZ=MinPeriod; else if( PWM_XZ>MaxPeriod) PWM_XZ=MaxPeriod; if( PWM_XF<MinPeriod) PWM_XF=MinPeriod; else if( PWM_XF>MaxPeriod) PWM_XF=MaxPeriod; if( PWM_YZ<MinPeriod) PWM_YZ=MinPeriod; else if( PWM_YZ>MaxPeriod) PWM_YZ=MaxPeriod; if( PWM_YF<MinPeriod) PWM_YF=MinPeriod; else if( PWM_YF>MaxPeriod) PWM_YF=MaxPeriod;
内环pd
• 内环输出=p*（实际角速度值+外环输出角 度值）-d*（当前角速度-上一次角速度） • 也就是将外环输出的角度值作为期望值加 入内环控制当中。
四旋翼飞行器PPT学习教案
四旋翼飞行器
会计学
1
一、什么是四旋翼飞行器
四旋翼飞行器，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，如图1.1和图1.2所示。
图1.1 我校计算机毕业生组装的四 图1.2 香港银辉公司制造的X-UFO
第4页/共6页
三、四旋翼飞行器的应用及发展前景
1、军事领域 可用于侦查、监视、搜索、诱饵、干扰、图像传输、
对地攻击和编队作战等。由于受到各方面技术的限制， 一些难度系数比较大的任务还在研究当中。不过，我们 已经可以看出四旋翼飞行器在军事领域的重要地位了。
2、民用领域 可用于森林防火、航拍、测绘、电力线检测、灾
倒飞、侧飞及定点360度旋转等，可控性强，机动灵活。 由于四旋翼飞行器体积小，能够在非常狭小的空间中进行 飞行，并且产生的噪音也非常小，隐蔽性好。
2、能源利用率高 四旋翼飞行器所有需要供能的组件均为电子设备，直接
采用电能供电比油动型的飞行器的能源利用率要高很多， 而且还更加环保。
第3页/共6页
3、安全性高 四旋翼飞行器通过四个旋翼产生动力，相对于单旋翼
区勘测、交通及治安监控等，相对军事领域用途，民 用技术难度降低，需求也较为单一，前途一片光明。
就目前的技术而言，航拍为民用领域最为火爆的 用途。如果操控技术练习纯熟后，甚至可以拍摄一部 《鸟瞰新重邮》出来。
第5页/共6页
的直升机较高的转速而言，有效地降低了每个旋翼的最 高转速，再加上本身的重量较轻，在动力和结构两方面 的设计优势，使得飞行器对人及周边环境的破坏性较弱 。
4、续航时间短 四旋翼飞行器由电机驱动，飞行时就由电池供电，但
会计学
1
一、什么是四旋翼飞行器
四旋翼飞行器，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，如图1.1和图1.2所示。
图1.1 我校计算机毕业生组装的四 图1.2 香港银辉公司制造的X-UFO
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三、四旋翼飞行器的应用及发展前景
1、军事领域 可用于侦查、监视、搜索、诱饵、干扰、图像传输、
对地攻击和编队作战等。由于受到各方面技术的限制， 一些难度系数比较大的任务还在研究当中。不过，我们 已经可以看出四旋翼飞行器在军事领域的重要地位了。
2、民用领域 可用于森林防火、航拍、测绘、电力线检测、灾
倒飞、侧飞及定点360度旋转等，可控性强，机动灵活。 由于四旋翼飞行器体积小，能够在非常狭小的空间中进行 飞行，并且产生的噪音也非常小，隐蔽性好。
2、能源利用率高 四旋翼飞行器所有需要供能的组件均为电子设备，直接
采用电能供电比油动型的飞行器的能源利用率要高很多， 而且还更加环保。
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3、安全性高 四旋翼飞行器通过四个旋翼产生动力，相对于单旋翼
区勘测、交通及治安监控等，相对军事领域用途，民 用技术难度降低，需求也较为单一，前途一片光明。
就目前的技术而言，航拍为民用领域最为火爆的 用途。如果操控技术练习纯熟后，甚至可以拍摄一部 《鸟瞰新重邮》出来。
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的直升机较高的转速而言，有效地降低了每个旋翼的最 高转速，再加上本身的重量较轻，在动力和结构两方面 的设计优势，使得飞行器对人及周边环境的破坏性较弱 。
4、续航时间短 四旋翼飞行器由电机驱动，飞行时就由电池供电，但
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。
旋翼无人机教学-ppT
（1）.结构区别：共轴式直升机与单旋翼带尾桨式直升机的主要区别是
采用上下共轴反转的两组旋翼用来平衡旋翼扭矩，因而不需要尾桨。
（2）.结构特点： 共轴式直升机一般采用双垂尾以增加直升机的航向
操纵和稳定性。
★由于没有尾桨，共轴式直升机消除了单旋翼直升机存在的尾 桨故障隐患与在飞行中因尾梁的震动和变形引起的尾桨传动 机构的故障隐患，从而提高了直升机的生存率
4.共轴双旋翼的平飞气动性与单旋翼的不同
在相同拉力和旋翼直径下，刚性共轴双旋翼的诱导阻力比单旋翼低 20%~30%。由于操纵系统部分和上下旋翼桨毂这些非流型形状部件的数 量和体积大于单旋翼直升机并暴露在气流中，因而共轴式直升机的废阻面 积大于单旋翼直升机。
共轴式直升机在悬停、中低速飞行时需要功率小于单旋翼直升机，随着速 度增加需要功率逐渐增大至大于单旋翼直升机，这一特性决定了共轴式直 升机有较大的实用升限、较大的爬升速度、更长的续航时间。而单旋翼直 升机则有较大的平飞速度、较大的巡航速度和飞行范围。
b.按结构形式分类：
旋翼航空器是一种重于空气的航空器，其在空中飞 行的升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动的 反作用获得，与固定翼航空器为相对的关系。
现代旋翼无人机主要包括单旋翼带尾桨无人直升机、共轴 无人直升机以及进年来发展的多轴无人飞行器。
一.单旋翼带尾桨式无人直升机
1.认识 2.尾桨作用 3.单旋翼带尾桨式无人直升机的优缺点 4.旋翼的布局和工作参数选择 （1）旋翼的旋转方向 （2）从气动特性来的差异 5.尾桨的形式与布局 （1）尾桨的安装位置与旋转方向 （2）推式尾桨与拉式尾桨
二.共轴无人直升机
1.认识：共轴双旋翼直升机具有绕统一理论轴线一正一反旋转的上下两
幅旋翼，由于转向相ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相 互平衡，通过所谓的上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩，可实现航向操纵
采用上下共轴反转的两组旋翼用来平衡旋翼扭矩，因而不需要尾桨。
（2）.结构特点： 共轴式直升机一般采用双垂尾以增加直升机的航向
操纵和稳定性。
★由于没有尾桨，共轴式直升机消除了单旋翼直升机存在的尾 桨故障隐患与在飞行中因尾梁的震动和变形引起的尾桨传动 机构的故障隐患，从而提高了直升机的生存率
4.共轴双旋翼的平飞气动性与单旋翼的不同
在相同拉力和旋翼直径下，刚性共轴双旋翼的诱导阻力比单旋翼低 20%~30%。由于操纵系统部分和上下旋翼桨毂这些非流型形状部件的数 量和体积大于单旋翼直升机并暴露在气流中，因而共轴式直升机的废阻面 积大于单旋翼直升机。
共轴式直升机在悬停、中低速飞行时需要功率小于单旋翼直升机，随着速 度增加需要功率逐渐增大至大于单旋翼直升机，这一特性决定了共轴式直 升机有较大的实用升限、较大的爬升速度、更长的续航时间。而单旋翼直 升机则有较大的平飞速度、较大的巡航速度和飞行范围。
b.按结构形式分类：
旋翼航空器是一种重于空气的航空器，其在空中飞 行的升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动的 反作用获得，与固定翼航空器为相对的关系。
现代旋翼无人机主要包括单旋翼带尾桨无人直升机、共轴 无人直升机以及进年来发展的多轴无人飞行器。
一.单旋翼带尾桨式无人直升机
1.认识 2.尾桨作用 3.单旋翼带尾桨式无人直升机的优缺点 4.旋翼的布局和工作参数选择 （1）旋翼的旋转方向 （2）从气动特性来的差异 5.尾桨的形式与布局 （1）尾桨的安装位置与旋转方向 （2）推式尾桨与拉式尾桨
二.共轴无人直升机
1.认识：共轴双旋翼直升机具有绕统一理论轴线一正一反旋转的上下两
幅旋翼，由于转向相ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相 互平衡，通过所谓的上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩，可实现航向操纵
四旋翼无人机方案PPT课件
赛亿方案集团
四旋翼无人机工作原理
➢ 无人机航拍飞控是一个集单片机技术、航拍传感器技术、GPS导航航拍 技术、通讯航拍服务技术、飞行控制技术、任务控制技术、编程技术等多技 术并依托于硬件的高科技产物，因此要能设计好一个飞控，缺少上面所述的 任何一项技术都是不可能的，越多的飞行经历和经验能为设计初期提供很多 避免出现问题的方法，使得试飞进展能够更顺利。
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story
讲师：XXXXXX
四旋翼无人机方案
目录
➢1、产品背景 ➢2、发展前景 ➢3、主要种类 ➢4、工作原理 ➢5、核心部件 ➢6、组成结构 ➢7、基本功能 ➢8、主要问题 ➢9、选择原则
赛亿方案集团
四旋翼无人机产品背景
➢ 无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构 简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。 在突发事情应急、预警有很大的作用。
赛亿方案集团
谢谢！
赛亿方案集团
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
Thank You
赛亿方案集团
四旋翼无人机核心部件
➢ 智能控制板 ➢ 发动机 ➢ 高清摄像头 ➢ LED显示器
无人机 ➢ 遥控直升机
赛亿方案集团
四旋翼无人机基本功能
四旋翼无人机工作原理
➢ 无人机航拍飞控是一个集单片机技术、航拍传感器技术、GPS导航航拍 技术、通讯航拍服务技术、飞行控制技术、任务控制技术、编程技术等多技 术并依托于硬件的高科技产物，因此要能设计好一个飞控，缺少上面所述的 任何一项技术都是不可能的，越多的飞行经历和经验能为设计初期提供很多 避免出现问题的方法，使得试飞进展能够更顺利。
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story
讲师：XXXXXX
四旋翼无人机方案
目录
➢1、产品背景 ➢2、发展前景 ➢3、主要种类 ➢4、工作原理 ➢5、核心部件 ➢6、组成结构 ➢7、基本功能 ➢8、主要问题 ➢9、选择原则
赛亿方案集团
四旋翼无人机产品背景
➢ 无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构 简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。 在突发事情应急、预警有很大的作用。
赛亿方案集团
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写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
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四旋翼无人机核心部件
➢ 智能控制板 ➢ 发动机 ➢ 高清摄像头 ➢ LED显示器
无人机 ➢ 遥控直升机
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四旋翼无人机基本功能
四轴飞行器PPT
3.4 无刷马达旋转螺旋桨来提 供升力，以推动飞行器。与有 刷马达相比，无刷马达具有扭 % 力大、低耗损的优点，但由于 其结构，必须加上一些电路与 较为复杂的方法控制。本次使 用KV的无刷马达。见图四
Байду номын сангаас
50
图四
图三
3.5 电池提供控制板与马达电源。本 次专题使用11.1V1500mAh的锂电池（ 最大放电25C，瞬间35C），如图五所 示。
映射到电机
32%
4
成果展示
2
系统整体框图
四轴飞行器的系统运作示意图如右 图所示，微控制器从传感器读取信 息，转换成飞行器姿态，飞行器上 的微控制器依此当前姿态，转换成 PWM信号控制电调，改变无刷电机 转速，来达到自主平衡与方向控制 。
传感器组
四轴飞行器
I^2C总线
PWM 单片机 电调 无刷电机
32%
3
硬件及软件设计
此次四轴飞行器的结构由两对正反桨、四颗无 刷马达、四个电子调速器（电调）、一颗电池构成 。 3.1 机身用来放置控制器、马 达、电池…等等的平台。机身 的大小，会限制螺旋桨的长度 ，进而影响到负载的大小；机 身的硬度，会使感测器受到马 达所产生震动影响的大小。本 次专题使用对角长度250mm的 机身。如图一
研究背景及意义：
近年来，由于微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）技术快速发展，同时低成本、普及的传感器的产 生。便出现以算法与传感器为核心的四轴飞行器成为热门的研究课 题，其有着重量轻、体积小、结构简单、机动性高、维护方便等优 点。 四轴飞行器基于以上优点，可以应用于实时监控、地形探勘、 灾区救援及收寻。
3.7 惯性测量单元（IMU） 如图为单片机的I2C接口与传 感器的连接示意。 % 使用I2C总线即可与多个装置 通信。 本次使用MPU6050（三轴加速 度陀螺仪传感器）与HMC5883 (电子罗盘)。
四旋翼飞行器控制系统ppt课件
7
四旋翼飞行器的6种 基本运动状态
8
9
总体结构
电池
电调1 电调2 电调3 电调4
传感器
飞行控制板
10
电机1 电机2 电机3 电机4
无线传输模块
控制系统电源
四旋翼飞行器采用3.7伏 锂电池供电，用1sUSB充 电器给锂电池进行充电。
11
飞行控制板
四旋翼飞行控制板计划采用STM32作 为主控制器，STM32是一款基于ARM的 32位MCU的闪存、USB、CAN、7个16 位定时器、两个ADC和9个通信接口的芯片。 STM32丰富的片上资源可满足各类传感器 通讯需求，与传统飞行控制器相比，大大的 降低了开发成本，节约了资源。是一款非常 适合本项目开发使用的单片机。
12
无线通信模块
无限通信模块采用2.4G无线收发 模块nRF24L01来实现四旋翼飞行器 与遥控器之间信息的交互，实现遥控 器对四旋翼飞行器的操控，遥控器用 一块1S锂电池经升压板输出9伏电压 作为电源。
13
传感器
为实现四旋翼飞行器的人工智能，除采用传 统的6轴传感器MPU6050，我们将尝试用超声 波传感器，红外传感器，增加摄像头，用DSP芯 片进行数据处理实现自动壁障，加入电压传感器， 实现对电源的实时监控，加入了GPS全球卫星定 位系统使其拥有了自动导航等功能，在本系统的 基础上，我们还将添加电子罗盘，将偏航角引入 到导航计算中，从而使飞行器的飞行路线更加精 确与稳定。
14
程序流程图
开始 系统初始化 接受解码遥控信号 设置相应飞行参数
3ms中断？
进行短周期数据融合 数据采集次数=160xn？
进行长周期数据融合 控制量输出
采集传感器数据
15
四旋翼飞行器的6种 基本运动状态
8
9
总体结构
电池
电调1 电调2 电调3 电调4
传感器
飞行控制板
10
电机1 电机2 电机3 电机4
无线传输模块
控制系统电源
四旋翼飞行器采用3.7伏 锂电池供电，用1sUSB充 电器给锂电池进行充电。
11
飞行控制板
四旋翼飞行控制板计划采用STM32作 为主控制器，STM32是一款基于ARM的 32位MCU的闪存、USB、CAN、7个16 位定时器、两个ADC和9个通信接口的芯片。 STM32丰富的片上资源可满足各类传感器 通讯需求，与传统飞行控制器相比，大大的 降低了开发成本，节约了资源。是一款非常 适合本项目开发使用的单片机。
12
无线通信模块
无限通信模块采用2.4G无线收发 模块nRF24L01来实现四旋翼飞行器 与遥控器之间信息的交互，实现遥控 器对四旋翼飞行器的操控，遥控器用 一块1S锂电池经升压板输出9伏电压 作为电源。
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传感器
为实现四旋翼飞行器的人工智能，除采用传 统的6轴传感器MPU6050，我们将尝试用超声 波传感器，红外传感器，增加摄像头，用DSP芯 片进行数据处理实现自动壁障，加入电压传感器， 实现对电源的实时监控，加入了GPS全球卫星定 位系统使其拥有了自动导航等功能，在本系统的 基础上，我们还将添加电子罗盘，将偏航角引入 到导航计算中，从而使飞行器的飞行路线更加精 确与稳定。
14
程序流程图
开始 系统初始化 接受解码遥控信号 设置相应飞行参数
3ms中断？
进行短周期数据融合 数据采集次数=160xn？
进行长周期数据融合 控制量输出
采集传感器数据
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四旋翼飞行器无线遥控技术PPT文档共65页
1.3 遥测和遥控的关系及开环、闭环控制系统 （1）遥控和遥测的关系：
控制端
被控对象 监测系统
常用的监测系统：遥测、雷达和电视监控等。
（2）闭环控制系统：有完善的监测系统（设备）的遥控 系统。
（3）开环控制系统：无需监测设备的简单遥控系统（监 测常由控制者的眼睛实现）。
无线电遥控的特点 无线电遥控式使用无线电为载体来传送遥控命令的，具有较强 的辐射能力，能穿越墙壁和障碍物，遥控距离远等特点。 无线电遥控的缺点是，容易引起互相干扰。为避免互相干扰造 成误操作，也为避免其他众多的无线电发射装置所发射的无线 电波对遥控装置的干扰，在实际应用中，必须采用编码技术。
频 频分制单路遥控设备：在同一时间内仅可传送一个控制指令。 分 制 遥 控 设 备 频分制多路遥控设备：同一时间内可以同时传送多个控制指令。
➢ 遥控指令：遥控系统中由控制端向被控端传送的指示被控对象工作或如 何工作的命令（信号） 。 遥控指令的特点：特征明显、相互间易于区分（电信号）。例如 用不同频率代表不同的指令，或用不同幅度、脉宽、相位及码组特征等 表尔各种指令，也可用声音、图像、文字、数据等作为遥控用的指令信 号。
遥控指令的输入方式：按键、开关、键盘，还有声音、光信号。
所有遥控方式均由发射与接收两大部分组成。其中发射电路的主要作用 是产生载波，并由调制解调器将指令信号调制在载波上，经天线将以调 制载波发射出去。接收电路包括高频部分及解调器部分（解码器）。
指 令编 产码 生器 器
发 射 电 路
接 收 电 路
译 码 器
处 理 器
执 行 机 构
图2.无线遥控系统结构图
控制指 令
➢ 多路多通道——可在同一时间内同时传送多个遥控指令，它的 执行机件在同一时间内可同时执行或动作。多路多通道的无线
四旋翼飞行器飞行控制系统设计PPT课件
y k(x b) x为陀螺仪输出电压， y为旋转角速度
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。
第19页/共21页
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。
第6页/共21页
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
第15页/共21页
五、传递函数矩阵
选择后四行进行控制
z (U1 Kdtz y mg) / m
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。
第19页/共21页
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
四轴飞行器概述ppt课件
5
Fig. 1-2 aircraft designed by University of Pennsylvania
Gabriel M. Hoffmann, Steven W. Waslander and Michael P.Vitus are come from Stanford University. They design a aircraft which fly indoor automatically. They combine the information provided by GPS/INS/EC through the extended Kalman filtering algorithm so as to control the stability of aircraft. The aircraft can travel independently through the waypoint preset, meanwhile, it can transmit the flight parameters and image information to mission station real-time through Wi-Fi. We can see the picture in Fig. 1-3.
6
Fig. 1-3 aircraft designed by Stanford University
Home
The domestic research of four rotor unmanned aerial vehicle is at the start stage , technology level is relatively low, but our country are trying to study this kind of aircraft. It is of great significance to do this in the forthcoming future. National University of Defense Technology, Harbin Institute of T7echnology and Beihang University are the leaders in our country.
Fig. 1-2 aircraft designed by University of Pennsylvania
Gabriel M. Hoffmann, Steven W. Waslander and Michael P.Vitus are come from Stanford University. They design a aircraft which fly indoor automatically. They combine the information provided by GPS/INS/EC through the extended Kalman filtering algorithm so as to control the stability of aircraft. The aircraft can travel independently through the waypoint preset, meanwhile, it can transmit the flight parameters and image information to mission station real-time through Wi-Fi. We can see the picture in Fig. 1-3.
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Fig. 1-3 aircraft designed by Stanford University
Home
The domestic research of four rotor unmanned aerial vehicle is at the start stage , technology level is relatively low, but our country are trying to study this kind of aircraft. It is of great significance to do this in the forthcoming future. National University of Defense Technology, Harbin Institute of T7echnology and Beihang University are the leaders in our country.
四旋翼飞行器结构和原理
四旋翼飞行器结构和原理LT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。
四旋翼无人机方案PPT课件
赛亿方案集团
四旋翼无人机核心部件
➢ 智能控制板 ➢ 发动机 ➢ 高清摄像头 ➢ LED显示器
赛亿方案集团
四旋翼无人机主要种类
➢ 固定翼无人机 ➢ 多轴无人机 ➢ 遥控直升机
赛亿方案集团
四旋翼无人机基本功能
➢ 拍摄 ➢ 研究传染病 ➢ 急救 ➢ 找地雷 ➢ 防止非法捕鱼
赛亿方案集团
四旋翼无人机主要问题
赛亿方案集团
谢谢！
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写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
Thank You
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四旋翼无人机组成结构
➢ 智能控制板 ➢ 发动机 ➢ 高清摄像头 ➢ LED显示器 ➢ 感应器 ➢ 遥控器 ➢ 机翼
赛亿方案集团
选择方案公司原则
➢ 1、考察公司的历史和工程师的数量及水平 ➢ 2、看他们公司技术研发实力以及科研方向 ➢ 3、查询公司的相关成功案例 ➢ 4、看公司的未来发展定位 ➢ 5、看公司相关业务人员的配合程度
四旋翼无人机方案
目录
➢1、产品背景 ➢2、发展前景 ➢3、主要种类 ➢4、工作原理 ➢5、核心部件 ➢6、组成结构 ➢7、基本功能 ➢8、主要问题 ➢9、选择原则
赛亿方案集团
四旋翼无人机产品背景
➢ 无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构 简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。 在突发事情应急、预警有很大的作用。
四旋翼无人机核心部件
➢ 智能控制板 ➢ 发动机 ➢ 高清摄像头 ➢ LED显示器
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四旋翼无人机主要种类
➢ 固定翼无人机 ➢ 多轴无人机 ➢ 遥控直升机
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四旋翼无人机基本功能
➢ 拍摄 ➢ 研究传染病 ➢ 急救 ➢ 找地雷 ➢ 防止非法捕鱼
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四旋翼无人机主要问题
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四旋翼无人机组成结构
➢ 智能控制板 ➢ 发动机 ➢ 高清摄像头 ➢ LED显示器 ➢ 感应器 ➢ 遥控器 ➢ 机翼
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选择方案公司原则
➢ 1、考察公司的历史和工程师的数量及水平 ➢ 2、看他们公司技术研发实力以及科研方向 ➢ 3、查询公司的相关成功案例 ➢ 4、看公司的未来发展定位 ➢ 5、看公司相关业务人员的配合程度
四旋翼无人机方案
目录
➢1、产品背景 ➢2、发展前景 ➢3、主要种类 ➢4、工作原理 ➢5、核心部件 ➢6、组成结构 ➢7、基本功能 ➢8、主要问题 ➢9、选择原则
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四旋翼无人机产品背景
➢ 无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构 简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。 在突发事情应急、预警有很大的作用。
F450装机教程1ppt课件
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Hale Waihona Puke 工具准备组装这个F450，我们需要如下工具： 螺丝刀一套，电烙铁一支、焊锡丝
若干、手工电钻一把、硅胶枪一把、 硅胶若干、剥线钳一把、3M胶若干、 尼龙扎带若干、螺丝胶一瓶、502胶水 一瓶、胶带一圈
F450装机
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安装过程
F450装机
准备好全部器材设备及工具材料后，我们就进入了安装过程。为了获得最好的性能， 并不是简单把器材随意装在机架上就行。我们安装中，特别要注意的是：
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F450装机
2、安装接收机。注：在接收机的背面贴一小块3m双面胶，将接收机安装在下中心板突出小板的下方，使用扎 带扎紧固定，PPM编码器也可以用扎带固定在机身上，剪掉多余的扎带。3拼出线接与飞控的RC IN接口，注意 黑线向上。最后把天线用胶带固定到脚架上。
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五、外置GPS安装
F450装机
一、机臂动力组安装
F450装机
配件：机臂、电机、电调、螺丝 1、安装电机。注：电机的螺丝孔和机臂的安装孔要完全对应，然后拧紧螺丝（最好上螺丝胶），先 把4个螺丝都拧上以后，再逐一拧紧。
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F450装机
2、安装电调。注：在电调安装面贴一小块3M双面胶 将电调安装在机臂下方，使用尼龙扎带扎紧固定，剪掉多余的扎带，接上电机与电调的香蕉头。至此机 臂的安装就基本完成，其他3个机臂按照完全一样的方法进行安装。
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组装这个F450，我们需要如下配件：
F450装机
机臂四支、脚架四支、上下中心板各一张、电机四个、电调四个、1047浆两对、飞控一个、减震板一个、 遥控器一个（带接收机）、3s电池一个、主电源线一条（带XT60母头）、电源模块一个、PPM编码器一 个、GPS支架一个、GPS一个、M3、M2.5螺丝若干。
四轴飞行器ppt
2.3角度测量模块的方案 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。
七、经费预算
F450机架
科目
摄像头
摄像头固定夹和支架 飞行控制板制作
图像处理模块制作
螺旋桨*4 超声波测距模块
舵机载物装置 电源等其他配件
估计合计
经费金额（单位：元）
50 30 20 100 100 45 30 20 150 600元以上
•谢谢观看！
六、时间与进度安排
时间
2016.4——2016.5.1 2016.5.1——2016.6
进度安排
查阅相关书籍和文献资料， 了解研究背景，明确研究内 容，了解研究所需学习的理 论基础知识和掌握设计中需 要应用的软件操作.整套系统 的各模块硬件设计，以及组 装。
对整个系统的各个模块进行编程 及其模拟、实际测试。
1
控制系统的选择方案
2
飞行姿态控制方案
3
角度测量模块的方案
4
CCD相机图像识别的方案
2.1控制系统的选择方案 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。
2.2飞行姿态控制方案 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。 鉴于我们是初 次设计，所以选择了十字飞行方式。
四旋翼飞行器结构和原理.
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。
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7.飞行姿态解算数据处理方法
通过了解飞行姿态并相应调整驱动电机转速可 以控制飞行器平稳飞行。飞行姿态解算数据处理 方法主要有基于互补滤波器、卡尔曼滤波器等。 卡尔曼滤波是一个最优化自回归数据处理算法。 在四旋翼飞行系统中，需要对陀螺仪和加速度传 感器所测得的数据进行综合和校正。如果使用简 单的均值滤波，很难满足精度和实时性上的要求。 故通过卡尔曼滤波将加速度传感器和陀螺仪的数 据进行融合，在计算四旋翼飞行器的实时姿态时 很好地抑制了噪声的干扰作用，以提高测量精度， 为自主飞行控制创造了条件。
2.国外发展状况
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，研究主要集中在以下 几个方面： 1、基于惯性导航的飞行器控制技术 2、基于视觉的自主飞行控制和自主飞 行控制系统
2.国外发展状况
2.国内发展状况
南航：直升机理论和数学建模，模糊控制 北航：共轴双翼机的自主控制与研发工作 浙大、清华：机载GPS和数学建模机器人 视觉 上海交大：受控对象的非线性
3.四旋翼无人机飞行原理简介
4.四旋翼无人机控制器设计方法
主要的控制方法归纳起来有几种： 1.PID控制 2. 鲁棒控制 3.模糊控制、 4.非线性控制 5.自适应神经网络控制
5.四旋翼无人机特点
特点： 1.欠驱动非线性耦合系统(受控对象4 输入6输入) 2.静不稳定系统(需要时刻对系统控制)
报告内容
• • • • 1、课题研究背景及意义 2、国ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ外发展状况 3、四旋翼无人机飞行原理简介 4、四旋翼无人机控制器设计方法
• 5、四旋翼无人机特点 • 6、常见硬件芯片选取 • 7、飞行姿态解算数据处理方法
1.研究背景及意义
1907 年,第一架四旋翼飞行器“ Gyroplane No. 1 ”升上了天空。但由 于构造复杂不易操纵等原因,大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢 。近年来,随着新型材料、微机电(MEMS) 、微惯导(MIMU) 以及飞行控 制等技术的进步,微小型四旋翼飞行器得到了迅速发展，其优势和意义 主要有： • 优势 – 螺旋桨小，飞行安全 – 结构简单，控制灵活 • 用途 – 军用：侦查、监视、诱饵、通信中继 – 民用：大气监测、交通监控、森林防火
6.常见硬件芯片选取
目前主流的硬件芯片选取主要的 STM32、DSP、ARM系列等等。 STM32系列基于专为要求高性能、低成 本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cor—tex—M3内核。它主要负责采集传 感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、 横滚角速率和偏航角速率)、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；通过尢线通信模块与 地面进行数据的传输，实现接收控制命 令改变飞行状态和下传飞行状态数据。