四旋翼飞行器设计资料

四旋翼飞行器的设计

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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。

二．四旋翼飞行器的国内外研究现状

目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。

(1)遥控航模四旋翼飞行器

遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的Dragan．flyer III和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制的X．UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)76．2cm，高18cm，重481．19：旋翼直径28cm，重69；有效载荷113．29；可持续飞行16--20min。Draganflyer III采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以控1书1]4个电机的转速。另外，还使用

了3个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制【5J。X．UFO机体最大长度68．5cm，高14cm；持续飞行时间约5min；遥控距离可达100m。X．UFO 的旋翼被置于发泡聚丙烯(EPp),tJ成的圆环中，比Draganflyer III 有更好的安全性[471。(2)小型四旋翼飞行器

世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面：基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，其典型代表分别是：瑞士洛桑联邦科技学院的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4和佐治亚理工大学的GTMRAS

OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。目前，该项目已经进行了两个阶段。OS4 I最大长度约73cm，质量为2359g；它使用TDraganflyer III 的旋翼和十字框架，4个Faulhaber 1724电机，以及一个Xsense的MT9．B微惯性测量单元。研究人员通过万向节将它固定于飞行测试平台之上，使其只具有3个转动自由度；能源供给、数据处理、电机驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供；至2004年，已经分别基于多种控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding—mode)，实现了飞行器姿态控制【6’7】。OS4II的机身最大长度72cm，重5209；机载2309的锂电池，能提供自主飞行

30min的能量。它与OS4 I的区别主要有：使用了桨叶面积更大的新旋翼；使用了更轻、功率更大的LRK无刷电机BLDC；使用皮带减速装置代替了电机减速箱；控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都

直接安装在机体上，不再由机体外部提供。2006年1月EPFL已经实现了OS4 II在室内环境中基于惯导的自主悬停控制。HMX4在机构上与Draganflyer III相似，最大长度76cm，重约7009，机体底部有5个彩色标记。地面摄像头跟踪并测量标记的位置与面积，从而计算获得飞行器的3个姿态角(角速率则由3轴陀螺仪测量获得，主要用于飞行器姿态增稳控制)和位置。研究人员将整个系统安装在一个实验平台上(该实验平台只对飞行器在水平面内的运动范围进行了限制)，实现了自主悬停控制，使用的控制算法是Backsteppingl81。最近，HMX4研究人员又开发了一套基于机载和地面双摄像头的视觉定位与定姿系统，进一步提高了测量的精度。这种基于视觉的飞行控制方法可以很好地应用于一些特殊的任务，比如：在固定平台自主起飞与降落，与地面可移动机器人协同等。GTMARS是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的CAD无人机系统。它重20kg，旋翼半径0．92m，续航时问30min。折叠封装的GTMARS随四面体着陆器登陆火星后，能自动将机构展开；能自主起飞和降落，巡航速度可达72km ／h；另外，它还能返回到着陆器补充能量19J(着陆器装载有太阳能电池)。

(3)微型四旋翼飞行器

微型飞行器(㈣从一开始就引起了人们极大的兴趣，斯坦福大学的Mesicopter是目前世界最著名、最重要的MAV之～。Mesicopter是斯坦福大学的研究小组在NASA支持下，为研究微型旋翼飞行器技术而设计的。机身为16mm×16mm方形框架；旋翼直径1．5cm，厚度