多旋翼飞行器设计与控制课程简介
多旋翼飞行器设计与控制 第四讲 多旋翼动力系统建模和性能估算
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资源
(1) 课程中心 (课件、资料、作业等)
(2) 可靠飞行控制研究组主页(课件等)
/resources/
(3) 关注可靠飞行控制研 (4)加入课程官方交流
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1.总体描述
求解悬停时间的总体思路
• 螺旋桨模型： 拉力和转矩
• 电机模型 • 电调模型 • 电池模型
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2.动力系统模型
螺旋桨模型
叶素理论：该理论将螺旋桨叶片沿径向分为有限个微小
片段，如图所示，每一个微小片段均被等效成一个小型
Байду номын сангаас
固定翼叶片，来推导其升力大小，即计算每一个叶素上
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N 60
T
Dp4CT
单个
螺旋 桨拉
T
力 螺旋
G nr
桨个数
飞机重量
N 60
G
nr Dp4CT
转速（RPM）
10
2.动力系统模型
螺旋桨模型
（3）转矩模型
螺旋桨 转矩 转矩系数
M
CM
N 60
2
Dp5
N 60
G
nr Dp4CT
M
CM
G nrCT
Dp
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离达到最远时的飞行时间）。
飞行器前飞速的
• 阻力跟拉力的关系
• 阻力跟速度的关系
飞行器 俯仰角
飞行器 前飞速度
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3.性能计算
网络公开课慕课（MOOC）发布，新版中文PPT课件全部上线-《多旋翼飞行器设计与控制》
网络公开课慕课（MOOC）发布，新版中文PPT课件全部上线-《多旋翼飞行器设计与控制》从2016年9月到2017年3月，可靠飞行控制研究组开始《多旋翼飞行器设计与控制》网络课程（MOOC或称慕课）的艰苦准备，最终盼来了课程的顺利发布。
于此同时，《多旋翼飞行器设计与控制》中文课件通过修改后重新上线。
大家可以到实验室官网：/ 或北航可靠飞行控制研究组官方公众号（微信号：buaarfly）下载相关课件。
•网络课程内容我们重新组织梳理了北航研究生课程《多旋翼飞行器设计与控制》，浓缩成15节1个小时左右的网络课程。
它集中反映了英文著作“Quan, Quan. Introductionto Multicopter Design and Control. Springer Singapore, 2017 ” (目前已经有预售，可以上Amazon或Springer官网（/cn/book/9789811033810）等购买) 和中文译本“全权著，杜光勋，赵峙尧，戴训华，任锦瑞，邓恒译. 多旋翼飞行器设计与控制. 电子工业出版社, 2017.”的主要内容。
讲授多旋翼了多旋翼设计、动态模型建立、状态估计、控制和决策等方面的基础知识，全面反映多旋翼飞行控制系统。
更具体的可到“网易云课堂”，搜索“多旋翼”就可以到达课程《多旋翼飞行器设计与控制》，预览“本门课的安排”。
•拍摄网络课程原因（1）在2016年上半年完成第一轮开课，参加课程不仅有学校学生，而且很多来自院所和公司，得到了广泛好评。
不少朋友希望我们能做网络公开课，这样受众面更广，也方便大家安排时间学习。
（2）对于教学来说，我们希望课堂的教学信息量和形式更加丰富。
因此，通过学生们课下提前学习，课堂上的时间可以被用于讨论和前沿知识的讲解，希望学生成为课堂的主角。
目前由于一些原因，要收取一定费用，但我们能保证课程最终会以免费的形式提供给同学们。
•网络课程背后的故事（1）拍摄前。
多旋翼飞行器控制系统设计
多旋翼飞行器控制系统设计设计总说明多旋翼飞行器是当代科技成果的产物。
国内外的研究者对其的研究正如火如荼的推进着，随着技术的成熟，多旋翼飞行器在民用、军用、警用等方面都起着不可代替的作用。
本设计给出了一种遥控四轴旋翼飞行器的设计方案。
硬件方面，使用STM32103ZET6作为主控CPU，利用MPU6050姿态传感器、MS5611高度传感器采集机体姿态和高度数据，NRF24l01作为遥控模块。
软件方面，利用Keil MDK编程环境，使用STM32F103系列固件函数库，通过对STM32的硬件SPI和软件I2C配置初始化NRF24l01和MPU6050以及MS5611传感器。
通过MUP6050获取传感器数据，通过姿态融合、卡尔曼滤波以及姿态补偿最后解算出四旋翼的欧拉角,MS5611采集气压和高度信息，计算出机体的高度信息再加之PID算法实现定高飞行。
利用一对NRF24l01模块进行无线通信，制作出遥控器和接收器，通过按键输入控制信号，得到PID算法中的给定参数。
通过经典的串级PID控制算法来实现对以姿态角为控制变量对机体进行控制，再与高度运算PID的输出相叠加，最后输出四路PWM波进行电机的控制。
关键词：多旋翼飞行器；姿态解算；串级PID；无线遥控Multi-rotor aircraft control system designDesign DescriptionMulti-rotor aircraft is the product of contemporary scientific and technological achievements.Researchers at home and abroad for its studies are underway to promote, with mature technology, multiple rotor aircraft in both civilian and military, police, etc to the effect that cannot replace.This design gives a design scheme of remote control four shaft rotor aircraft.Hardware, using STM32103ZET6 as master CPU, using MPU6050 attitude sensor, MS5611 height sensors to collect the body posture and the height data, NRF24l01 as a remote control module.Software, using the Keil MDK programming environment, the use of STM32F103 series firmware library, through to the STM32 hardware SPI and I2C configuration software initialization NRF24l01 and MPU6050 and MS5611 sensor.Sensor data obtained through MUP6050, fusion, kalman filter, and by stance compensation calculated last four rotor euler Angle, MS5611 collection pressure and height information, calculate the height of the body plus the PID algorithm to realize the high flight information.Using a pair of NRF24l01 wireless communication module makes remote control and receiver, through the key input control signal, the given parameters of the PID algorithm.Through the classic cascade PID control algorithm to achieve the attitude Angle as control variable to control the body, with high operation, the output of the PID superposition last four road PWM wave output for motor control.Keywords: rotor aircraft;The attitude algorithm;Cascade PID;The wireless remote control目录1绪论 (1)1.1多旋翼飞行器的发展史 (1)1.2多旋翼飞行器的特色与优点 (1)1.3多旋翼飞行器的研究现状 (2)1.4 设计任务 (2)2四旋翼飞行器工作原理及方案 (3)2.1四旋翼飞行器运动方式 (3)2.2四旋翼飞行器姿态表示 (4)2.2.1姿态角表示 (4)2.2.2四元数表示 (5)2.3四旋翼的设计方案 (6)2.4四旋翼的硬件选型 (7)2.4.1 CPU选型 (7)2.4.2陀螺仪及加速度计选型 (8)2.4.3高度计选型 (9)2.4.4电机选型 (9)2.5系统硬件总体设计 (9)3系统硬件设计 (11)3.1系统电源设计 (11)3.2电机驱动电路 (11)3.3 MPU6050模块电路设计 (11)3.4 MS5611模块电路设计 (12)3.4遥控模块设计 (12)4四旋翼飞行器飞控算法及软件实现 (14)4.1软件开发坏境及调试 (14)4.2软件设计的总体方案 (14)4.3液晶屏调试及调试参数显示 (15)4.4 MPU6050的数据采集及姿态解算 (16)4.4.1数据的读取 (16)4.4.2姿态解算 (18)4.4.3上位机姿态显示 (19)4.5 MS5611的数据采集及转化 (20)4.6 NRF24L01的通信及遥控的实现 (21)4.6.1遥控发送 (21)4.6.2遥控接收 (22)4.6.3通信协议 (23)4.7电机控制PID控制算法及参数整定 (23)4.7.1 PWM脉冲宽度调制的产生 (23)4.7.2 PID控制算法 (24)4.7.3 PID参数整定 (25)5总结与展望 (27)致谢 (28)参考文献 (29)附录一源程序 (30)附录二系统电路图 (39)1绪论1.1多旋翼飞行器的发展史1903年美国莱特兄弟成功研制出第一架能载人飞行的动力飞机。
3旋翼课程设计
3旋翼课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握3旋翼的基本结构，理解其工作原理；2. 使学生了解3旋翼在生活中的应用，认识到科技与生活的紧密联系；3. 帮助学生掌握3旋翼相关的基本物理概念，如力学、电磁学等。
技能目标：1. 培养学生运用3旋翼相关理论知识解决实际问题的能力；2. 提高学生动手实践能力，能独立完成3旋翼模型的搭建和调试；3. 培养学生团队协作能力和沟通技巧，能在小组合作中发挥积极作用。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对科学技术的热爱，培养创新精神和探索精神；2. 培养学生面对挑战时的积极态度，增强克服困难的信心；3. 引导学生关注环保，认识到3旋翼在环保领域的应用价值。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程旨在通过理论与实践相结合的方式，使学生在掌握3旋翼相关知识的基础上，提高实践操作能力和科技创新能力。
课程目标具体、可衡量，便于学生和教师在教学过程中明确预期成果，为后续的教学设计和评估提供依据。
二、教学内容1. 3旋翼基本结构：讲解3旋翼的机械结构、电路系统、传感器及其作用；相关教材章节：第一章“3旋翼的基本结构与原理”2. 3旋翼工作原理：分析3旋翼的飞行原理，包括力学原理、电磁学原理等；相关教材章节：第二章“3旋翼的飞行原理”3. 3旋翼的应用领域：介绍3旋翼在军事、民用、环保等方面的应用；相关教材章节：第三章“3旋翼的应用及发展前景”4. 3旋翼模型搭建与调试：指导学生进行3旋翼模型的搭建，学习调试方法；相关教材章节：第四章“3旋翼的制作与调试”5. 3旋翼相关物理概念：讲解与3旋翼相关的物理知识，如力的合成、电磁感应等；相关教材章节：第五章“3旋翼涉及的物理知识”6. 团队协作与沟通技巧：培养学生团队协作能力，提高沟通技巧；相关教材章节：第六章“团队协作与沟通”教学内容安排和进度：第一周：3旋翼基本结构与原理第二周：3旋翼飞行原理及物理概念第三周：3旋翼应用领域及发展前景第四周：3旋翼模型搭建与调试第五周：团队协作与沟通技巧训练教学内容科学、系统，与课程目标紧密相连，确保学生能够循序渐进地掌握3旋翼相关知识。
多旋翼飞行器设计与控制 第一讲 绪论-多旋翼的前世今生
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3.多旋翼飞行器技术发展历史
起步期(2005-2010)
（1）产品方面
• 德国Microdrones GmbH于2005年成立，2006年推出的Md4-200四旋翼， 2010年推出的Md4-1000四旋翼无人机系统
• 2006年，德国人H. Buss和I. Busker主导了一个四轴开源项目 Mikrokopter
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前言
人们为什么最终选择了微小型多旋翼飞行器？
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大纲
1.基本概念
2.多旋翼操控和评价
3.多旋翼飞行器技术发展历史
4.本门课的安排
5.作业
6.资源
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1.基本概念
常见飞行器分类
(a)固定翼
(b)直升机
(c)多旋翼
（1）固定翼 优点：续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大 缺点：必须要助跑，降落的时候必须要滑行
续航性
+++
++
+
承载性
+++
++
+
刚性体验让人们选择了多旋翼
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2.多旋翼操控和评价
多旋翼的评价
（2）局限性（该方式不宜推广到大尺寸的多旋翼） 1）桨叶尺寸越大，越难迅速改变其速度
桨尖速度常数假设
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2.多旋翼操控和评价
多旋翼的评价
（2）局限性 1）桨叶尺寸越大，越难迅速改变其速度
其卖给加拿大公司Draganflyer • 在2002年,Silverlit X-UFO 在德国Jugend forscht（年轻研究者）比赛
多旋翼无人机教案设计课程
哈尔滨四通技工学校第三教学站延寿农民工综合培训学校多旋翼无人机操作教案二0一七春季生便，稳定性高且携带方便。
常见的多旋翼飞行器。
3、四旋翼，六旋翼和八旋翼，被广泛用于影视航拍、安全监控、农业植保、电力巡线等领域（多旋翼无人机）（航拍无人机）（固定翼无人机）课程后记学员对无人机的用途很有兴趣（无人机的组成及构造）2、机架：机架是指多旋翼飞行器的机身架，是整个飞行系统的飞行载体。
一般使用高强度重量轻的材料，例如碳纤维、PA66+30GF等材料。
3、电机是由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
在整个飞行系统中，起到提供动力的作用。
4、电调全称电子调速器，英文electronic speed controller,简称ESC。
在整个飞行系统中，电调主要提供驱动电机的指令，来控制电机，完成规定的速度和动作等。
5、电池是将化学能转化成电能的装置。
在整个气动力扭矩效应全被抵消。
与传统的直升机相比，四旋翼飞行器的优势：各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
3、垂直运动，即升降控制，在图（a）中，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，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。
4、俯仰运动，即前后控制，在图（b）中，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。
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（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。
飞行器控制技术课程简介
飞行器控制技术课程简介随着人类科技的不断进步，飞行器的使用越来越广泛，因此飞行器控制技术也变得越来越重要。
这里将为大家介绍一下关于飞行器控制技术的基础知识、主要内容以及学习方法。
一、课程简介该课程主要是针对工程师和工程师学生，讲解飞行器控制技术的基础知识和实践应用。
该课程主要包括四个模块:动力学与建模、控制器设计、控制器实现和数据处理。
其中，动力学与建模模块介绍了如何对飞行器进行物理模型建立以及如何得到运动方程，控制器设计模块介绍了各种不同类型的控制器设计方法，在控制器实现模块中学生将学习如何将设计好的控制器应用于实际的飞行器中，并完成实验调试。
数据处理模块介绍了如何使用MATLAB等工具进行数据分析以及结果的展示。
二、学习方法每个模块的学习基本可以分成理论学习和实践操作两个部分。
学生需要通过各种资料和教材对理论进行学习，同时还需要使用一些仿真软件进行实际操作。
课程中还会有一些实验项目，学生需要在实验室中进行实验并记录实验数据，完成实验报告。
三、主要内容1.动力学与建模该模块主要介绍了如何对飞行器进行物理模型建立以及如何得到运动方程。
2.控制器设计该模块主要介绍飞行器控制器设计的基本原理和各种不同类型的控制器设计方法。
3.控制器实现该模块主要介绍如何将设计好的控制器应用于实际的飞行器控制中，并完成实验调试。
4.数据处理该模块介绍了如何使用MATLAB等工具进行数据分析以及结果的展示。
该课程所涉及到的内容还包括传感器、执行器、电子控制器等，这些都是飞行器控制技术中不可缺少的要素。
四、结语掌握飞行器控制技术是非常重要的，需要付出较多的学习和实践。
希望本文所提供的飞行器控制技术课程简介能够对大家有所帮助，让你在学习这门课程时更容易掌握其中的重要内容。
多旋翼飞行器设计与控制 第二讲 Part1 多旋翼基本组成
3.动力系统
电机
3）标称空载电流和电压 在空载试验时，对电动机施加标称空载电压(通常为10V)， 使其不带任何负载空转，定子三相绕组中通过的电流，称为标 称空载电流 4）最大瞬时电流/最大持续电流 电机能承受的最大瞬时通过的电流，电机能允许持续工作 而不烧坏的最大连续电流 5）内阻 电机电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机 电流很大有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可忽略
3.动力系统
电机
（1）作用
多旋翼的电机主要以无刷直流电机为主，
将电能转换成机械能。无刷直流电机运转时
靠电子电路换向，这样就极大减少了电火花 对遥控无线电设备的干扰，也减小了噪音。 它一头固定在机架力臂的电机座，一头固定 螺旋桨，通过旋转产生向下的推力。不同大 小、负载的机架，需要配合不同规格、功率 的电机。
图.好盈无刷电调参数编程卡
图.一张电调参数配置表 2016/3/16 32
3.动力系统
电调
5）兼容性 如果电机 和电调兼容 性不好，那 么会发生堵 转，即电机 不能转动了
2.机身主体
云台 ( Camera Stabilizer or Camera Gimbal )
（2）工作原理 通过角度传感器测量角度，进一步姿态是由两台执行电动机来 实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。 （3）指标参数 1）重量 2）负载重量 3）角度控制精度 目前的云台的控制精度 都能在±0.02° 4）最大可控转速 5）可控转动范围 图. 云台工作原理图
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3.动力系统
（1）作用
电调
电调全称电子调速器，英文 Electronic Speed Control，简称ESC。 1）电调最基本的功能就是电机调速（通 过飞控板给定PWM信号进行调节） 2）为遥控接收器上其它通道的舵机供电 3）充当换相器的角色，因为无刷电机没 有电刷进行换相（直流电源转化为三相 电源供给无刷电机，并对无刷电机起调 速作用），所以需要靠电调进行电子换 相。 4）电调还有一些其它辅助功能，如电池 保护，启动保护、刹车等。
多旋翼飞行器设计与控制-第11讲_底层飞行控制V2
pd
Rde3
d
fd
d,k
Rd
τd
d,k
p, v
R,ω
图11.6 基于旋转矩阵的的多旋翼闭环控制框图
23
2.位置控制
产生期望旋转矩阵的位置控制[2]
针对非线性耦合模型进行如下控制器设计
ge3
fd m
r
3,d
ad
其中r 3,d Rde3 以及
ad
sat
gd
sat gd
K vh pev h K vhi evh K vhdev h ,a1
多旋翼的底层飞行控制可以分为四个层次， 分别为位置控制、姿态控制、控制分配和电 机控制
位置控制：期望的三维位置pd -> 解算期
望姿态角Θd(滚转、俯仰和偏航d ,d ,
d)以及期望总拉力 fd 姿力态矩控τd 制：期望姿态角Θd -> 解算期望 控制分配：期望力矩和升力τd , fd -> 解算
n个电机的期望转速d,k , k 1,2,, n 电机控制：期望转速 d,k -> 解算每个电 机的期望油门指令d,k , k 1,2,, n
量的绝对值不大于 a ，还可以保证的方向与 x 相同。
传统饱 和函数
sat x,a
sat x1,a
,
sat
x k
,
a
sat xn, a
a
xk
, xk
signxk , xk
a a
保方向饱 和函数
x
sat gd
x, a
a
, x
, x
x a
x a
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2.位置控制
产生期望欧拉角的位置控制
。通过在平衡点的小角度线性化，此时，
多旋翼飞行器设计与控制第三讲多旋翼布局和结构设计
多旋翼飞行器设计与控制第三讲多旋翼布局和结构设计
1.多旋翼布局设计
三旋翼布局：三旋翼布局包括1个垂直向上的旋翼和2个水平旋翼。
这种布局具有结构简单、控制相对容易的特点，但在悬停和操纵性能上受限。
四轴布局：四轴布局是将4个旋翼均匀分布在飞行器的四个角落。
这种布局具有悬停稳定、悬停能力强等优点，但在操纵性能和抗风能力上有一定的限制。
六轴布局：六轴布局是将4个水平旋翼和2个垂直旋翼组合在一起。
这种布局结合了三旋翼和四轴布局的优点，具有较好的操纵性能和抗风能力。
在选择多旋翼布局时，需要考虑飞行器的任务需求、性能指标和设计限制等因素。
2.多旋翼结构设计
旋翼结构包括旋翼桨叶、转子轴和旋翼安装机构等。
旋翼桨叶通常采用可调桨叶或固定桨叶，可根据飞行任务需求进行选择。
转子轴需要具有足够的刚度和强度，以承受旋翼的旋转力矩和振动载荷。
旋翼安装机构需要具备良好的耐久性和可靠性，以确保旋翼的安全运行。
附加装置包括机载组件、导航设备、传感器和通信设备等。
这些装置是多旋翼飞行器完成特定任务所必需的，如摄像头、激光雷达、GPS导航等。
在进行多旋翼结构设计时，需要综合考虑结构强度、重量、性能和可
靠性等因素，以实现飞行器的设计目标。
总之，多旋翼布局和结构设计是多旋翼飞行器设计过程中的重要环节，它们直接影响飞行器的性能和操纵能力。
在进行布局和结构设计时，需要
根据飞行任务的需求和设计限制，选择合适的布局和结构，并综合考虑强度、重量、性能和可靠性等因素，以实现设计目标。
飞行器控制技术课程简介
飞行器控制技术课程简介
飞行器控制技术是航空航天领域中的重要学科之一，它涉及到飞行器的设计、制造、测试和运行等方面。
本课程旨在为学生提供飞行器控制技术的基础知识和实践技能，使其能够在航空航天领域中发挥重要作用。
本课程主要包括以下内容：
一、飞行器控制系统的基础知识
飞行器控制系统是飞行器的核心部分，它包括飞行控制、导航、通信和数据处理等方面。
本课程将介绍飞行器控制系统的基本原理和组成部分，包括传感器、执行器、控制器和数据处理器等。
二、飞行器控制系统的设计和实现
本课程将介绍飞行器控制系统的设计和实现方法，包括控制系统的建模、仿真和实验验证等方面。
学生将学习如何使用MATLAB和Simulink等工具进行控制系统的设计和仿真，并通过实验验证控制系统的性能。
三、飞行器导航和自主飞行技术
本课程将介绍飞行器导航和自主飞行技术的基本原理和实现方法，包括GPS导航、惯性导航和视觉导航等方面。
学生将学习如何使用这些技术实现飞行器的自主飞行和导航。
四、飞行器控制系统的优化和故障诊断
本课程将介绍飞行器控制系统的优化和故障诊断方法，包括控制系统的参数优化、故障检测和诊断等方面。
学生将学习如何使用这些方法提高控制系统的性能和可靠性。
飞行器控制技术课程是航空航天领域中的重要学科之一，它涉及到飞行器的设计、制造、测试和运行等方面。
通过本课程的学习，学生将掌握飞行器控制系统的基础知识和实践技能，为其在航空航天领域中发挥重要作用打下坚实的基础。
多旋翼无人机教(学)案课程
哈尔滨四通技工学校第三教学站延寿农民工综合培训学校多旋翼无人机操作教案二0一七春季生（多旋翼无人机）（航拍无人机）（固定翼无人机）学员对无人机的用途很有兴趣（无人机的组成及构造）2、机架：机架是指多旋翼飞行器的机身架.是整个飞行系统的飞行载体。
一般使用高强度重量轻的材料.例如碳纤维、PA66+30GF等材料。
3、电机是由电动机主体和驱动器组成.是一种气动力扭矩效应全被抵消。
与传统的直升机相比.四旋翼飞行器的优势：各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反.因此当电机1和电机3逆时针旋转时.电机2和电机4顺时针旋转.可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
3、垂直运动.即升降控制.在图（a）中.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.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。
4、俯仰运动.即前后控制.在图（b）中.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。
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（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。
最新版本为RealFlight Generation7。
、Reflex XTR 是老牌的德国模拟软件机的模拟练习.附带精选的26个飞行场景.一百多架各个厂家的直升机.一百多架各个厂家的固定翼部飞行录像。
4、AEROFLY是一款德国的模拟软件.象真度较高.适合中高级训练者使用.但价格昂贵.对电脑硬件要求较高。
新型高机动多旋翼飞行器设计、优化与控制
利用计算机模拟技术，对飞行器的性能进行模拟 和分析，验证设计的有效性和可行性。
飞行器性能优化方法研究与应用
优化算法选择
针对特定的优化问题，选择合适的优化算法，如梯度下降法、遗 传算法等。
参数优化
通过调整飞行器的结构参数和控制系统参数，实现性能的优化。
实验验证
将优化后的飞行器进行实际飞行测试，验证优化方法的有效性和 实际应用价值。
04
飞行器控制算法设计与实 现
控制算法理论基础
PID控制算法
介绍PID控制算法的基本原理，包括比例、积分和微分三个控制环 节的作用和特点。
模糊控制算法
介绍模糊控制算法的基本原理，包括模糊化、模糊推理和去模糊化 三个主要步骤。
神经网络控制算法
介绍神经网络控制算法的基本原理，包括前向传播和反向传播两个主 要过程。
控制算法实验验证与性能评估
实验验证
通过实际飞行实验，验证控制算法的有效性和可靠性，包括飞行器的稳定性和机 动性等性能指标。
性能评估
根据实验结果对控制算法的性能进行评估，包括控制精度、响应速度和鲁棒性等 方面。
05
飞行器实验验证与性能测 试
实验验证方案设计
实验目标明确
针对新型高机动多旋翼飞行器的关键性能指标，明确实验验证的目 标和重点。
新型高机动多旋翼飞行器设 计、优化与控制
2023-11-09
contents
目录
• 引言 • 新型高机动多旋翼飞行器设计 • 飞行器性能分析与优化 • 飞行器控制算法设计与实现 • 飞行器实验验证与性能测试 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
随着科技的发展，无人机在军事、民用等领域的应用越来越 广泛，而多旋翼无人机由于其结构简单、机动性强等特点， 成为当前研究的热点。
《多旋翼飞行器：从原理到实践》ch02系统基本组成 教学课件
系统基本组成
工业和信息化部“十四五”规划教材 多旋翼飞行器:从原理到实践
01 总 体 介 绍
(1)信息流动
多旋翼系统的信息流动如图2.2中浅色虚线所示。动作指令一般由谣控器(如图2.1中标 号1所示)发出，然后通过接收机传递给自驾仪;或通过地面站发出，通过数传模块(如图 2.1 中标号2所示)传递给自驾仪。 多旋翼上挂载的照相机、摄像机等设备通过图传模块(如图2.1中标号3所示)也可以将 图像、视频信号发送给遥控或地面站对手持遥控器的操控人员来说，当拨动摇杆时，遥 控器发射机发送控制指令，被固定在多旋翼上的接收机接收，然后输出油门、俯仰、滚 转、偏航等信号给自驾仪。 读取信号后，自驾仪将每个电机所需的速度控制信号传递给电调，驱动电机达到期望转 速，实现控制多旋翼完成俯仰、滚转或偏航等相应动作。对于地面站，用户可以在图形 界面中自行选定多旋翼期望目标位置，确定指令后，地面站通过数传模块发送期望位置 坐标，飞行器数传模块接收后将信号传递给自驾仪。
1.机身
02 脚架
05 材料
表2.1列出了几种材料的特性。从表中可以看出，碳纤维密度小，刚度和强度都较大，但 加工困难，价格也较贵，因此该材料多用于需要较大承重的工业多旋翼上。相比起来， 塑料密度小，易加工而且价格便宜，但刚度和强度较小，因此该材料多用于玩具或小型 航模。玻璃钢等玻璃纤维增强材料与碳纤维材料相比，重量更重且刚度更差，但该材料 易加工且更耐摔，因此目前被广泛用于中小型多旋翼。
(1)信息流动
自驾仪则可以通过 GPS 接收机模块读取当前飞行器所 在位置及速度，进而与自身其他传感器进行滤波估计， 然后根据控制算法和策略产生控制信号，进一步将控制 信号传递给电调，驱动电机达到期望转速并逐步控制飞 行器飞往指定目标。 自驾仪(如图2.1中标号4所示)作为系统中的核心单元， 通过内置加速度计、陀螺仪、磁罗盘等传感器以及外置 差分定位导航模块(如图2.1中标号5所示)光流模块(如图 2.1中标号6所示)等外接设备感知多旋翼的位置、高度 、速度等各种系统状态信息，进而根据收到的指令产生 控制信号发送至电调，驱动申机完成指定动作或航线。 自驾仪还可以接收激光雷达模块(如图2.1中标号7所示) 、ADS-B模块(如图2.1中标号8所示)等设备的信息来实 现多旋翼的避障。
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《多旋翼飞行器设计与控制》课程简介
课程编号：031574
课程名称：多旋翼飞行器设计与控制
学时：32学时
开课学期：春季
上课时间：2016年3月10日- 2016年6月30日，周四晚7：00-9：00
上课地点：北航新主楼B208
一．内容简介
1、专业与学生定位：
（1）专业：面向控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业。
（2）学生：控制科学与工程专业特别是导航、制导与控制专业的研究生，或有一定航空和自动化专业背景的研究生。
2、课程目的：
本门课程讲授多旋翼设计、动态模型建立、状态估计、控制和决策等方面的基础知识。
涉及到空气流体力学、电机、电路、材料结构、理论力学、以及导航、制导与控制各个学科的基础知识，具有基础性和系统性两个特色。
因此，有利于学生将已学知识融会贯通，着重培养学生解决问题的综合能力。
二．先修课程与专业基础
自动控制原理，航空航天概论、理论力学、线性系统（建议）
三．讲授方式
课堂授课、学生大作业展示
四．教学安排与内容
1.多旋翼绪论
首先介绍飞行器的基本概念、评价、以及多旋翼的历史，以及本课的安排。
2.多旋翼设计
通过这一阶段，学生可以对多旋翼机身主体设计和动力系统选择有一个较为深入的认识。
2.1多旋翼的基本组成。
这一部分包括机身主体、动力系统、控制系统和通讯链路等四个部分。
主要按作用和指标参数两个方面分别介绍机架、起落架、云台、涵道、电机、电调、螺旋桨、电池、遥控器和接收器、自动驾驶仪、地面站、数传电台、图传电台、通讯协议等方面。
2.2多旋翼的机身主体设计。
这一部分包括机体基本构型，以及减震和降噪的考虑等。
2.3多旋翼动力系统性能建模和估算。
多旋翼的动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨四个部分组成。
这一部分包括对这四个部分建立力和能量方面的数学模型，提出动力系统的飞行性能估算，比如：悬停状态下的续航时间和最大负重等等。
3.多旋翼动态模型
通过这一阶段，学生可以对多旋翼运动模型有一个较为深入的认识。
基于这个基础，可以做多旋翼状态估计和控制。
3.1坐标系和姿态表示。
主要介绍世界惯性坐标系和机体系，以及姿态的三种表示方法：欧拉角、旋转矩阵和四元数。
3.2多旋翼的动态模型。
这一部分包括姿态模型、动力学模型、控制分配模型、电机模型，还包括气动阻力模型。
这将为后续的多旋翼位姿估计和控制等课程服务。
4.多旋翼状态估计
通过这一阶段，学生可以对多旋翼信息估计有一个较为深入的认识。
4.1 传感器模型以及校正。
这一部分首先建立这些传感器的测量模型，进而进一步提出较正方法，估计需要较正的参数。
4.2 可观性和卡尔曼滤波。
4.3 多旋翼的运动信息估计。
这一部分包括姿态估计、位置-速度估计、速度估计和障碍估计的介绍。
5.多旋翼控制
通过这一阶段，学生可以对多旋翼控制有一个较为深入的认识，所介绍的方法大部分是较为常用的方法。
5.1 多旋翼的稳定性和可控性。
5.2 多旋翼的底层控制。
给出目标位置，如何控制多旋翼飞行到目标位置。
5.3 基于半自主飞控平台的位置控制。
这一部分主要考虑将自动驾驶仪当作一个“黑箱”，从而在自驾仪基础上做二次开发。
本章主要包括系统辨识和控制器设计两部分。
6.决策篇
通过这一阶段，学生可以对多旋翼顶层决策有一个较为深入的认识。
决策分为两个方面：完成任务和保证安全。
6.1任务决策。
以任务为导向，任务决策主要决定多旋翼下一步“去哪儿”，进一步，需要规划路径，使得整个过程能满足诸如：飞向航路点并沿航线飞，以及飞向航路点并避障等要求。
6.2 健康管理和失效保护。
以安全为导向，失效保护主要决定多旋翼下一步“去哪儿”。
多旋翼飞行器在飞行前或飞行中，可能会发生通信故障、传感器失效和动力系统异常等，这些意外会直接导致控制任务无法完成。
这一部分包括安全问题的介绍、机载设备的健康评估、机载设备的健康监测、失效后的保护建议。
7.总结与展望篇
本章列举了能够推动多旋翼发展的潜在的新技术、给出了风险分析和建议、分析了多旋翼飞行器的新应用以及总结了未来的需求和展望。
这一阶段还包括学生的作业展示。
五．考核方式
小作业（20%）、大作业（50%）、考试（30%）
六．参考教材
Quan Quan, Introduction to Multicopter Design and Control，讲义，开课后分章节提供下载链接，下载地址/resources/。