四翼飞行器设计

四翼飞行器设计

目录

简介 (3)

结构框架 (4)

飞行控制原理 (5)

我与四旋翼飞行器 (7)

四旋翼飞行器发展前景 (8)

小结 (9)

参考资料 (10)

一、简介

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋

桨呈十字形交叉的飞行器。Seraphi 是一款可用于空中拍摄的一体化

多旋翼飞行器，它外观时尚精美，做工精湛，还拥有集成了自身研发

的飞行动力系统，并配置专业的无线电遥控系统。Seraphi集成易作、

易维护的稳定设计，在出厂前已经设置并调试所有的飞行参数及功

能，具有免安装、免调试的快速飞行模式。Seraphi 携带方便，可以

搭配GoPro或者其它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）。

微小型四旋翼飞行器在民用、军事等方面都有十分广阔的应用前景，其建模与非线性控制涉及多学科、多领域内容。本文从微小型四轴飞行器的飞行原理出发，通过搭建电机拖动模块、姿态检测模块等实现了一种新型飞行器的构建，实验结果也验证了本设计的有效性。与国内现有研究成果以及相关产品相比，本设计的特色主要在于是针对灾后现成的搜救，同时在自主设计相关的检测和控制模块基础上，集成了远距离无线摄像头、增加了远程无线监控。

二、结构框架

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，旋翼1 和旋翼3 逆时针旋转，旋翼2 和旋翼4 顺时针旋转，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。

典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，是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。由于飞行器是通过改变旋

翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一

种能够长期确保稳定的控制方法。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

是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所

以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的结构形式如右图所示，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。与

传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机

身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1 和电

机3 逆时针旋转的同时，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。

三、飞行控制原理

1、四轴控制。

四轴飞行器的动力由四个旋翼共同提供。一般情况下，只控制各个旋翼的旋转速度，而桨叶的桨矩角和旋翼轴均不变。其中旋翼轴均与机体平面垂直。为了使整个机体转矩平衡，采用正反桨设计，即对角线的两组桨相同，相邻的两个桨桨叶相反，这样正常飞行时两个桨正转两个桨反转，转矩抵消，避免飞行器打转。当然，旋转时需加大两个正浆或两个反浆来改变总的转矩，从而改变偏航角。控制对角线上的一组桨的转速不同，使机体倾斜一个角度产生水平分力推动飞行器平移，飞行速度可以由俯仰角的大小与电机的转速来控制。如下图所示。

2、系统控制原理。

下图为系统控制原理示意图。

3、旋翼电机拖动模块。

为了给四旋翼飞行器提供动力，同时考虑到系统轻重量要求，可选用BL2212/13无刷直流电机。该电机工作电压为7.2~16.8VDC，电流为1~35A，通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比）来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

3.1姿态检测模块[7]

3.1.1陀螺仪传感器

为了采集飞行器三个方向的角速率，即俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率，设计中共采用了3个由muRata (村田)公司生产的ENC-03R型角速度陀螺仪。由于陀螺仪输出的是角加速度，因此在控制器中对角加速度信号进行了积分计算从而获得飞行时所偏离的角度。

3.1.2 加速度传感器

由于陀螺仪传感器具有温度漂移的现象，随着温度的升高其测量值将远离实际值。所以需要使用加速度传感器测得数据对其所测得数据进行修正与补偿。设计中主要采用freescale公司生产的MMA7260型加速度传感器。

3.1.3 大气压传感器

为了控制飞行器的飞行高度，在系统设计过程中采用了气压传感器，主要是freescale（飞思卡尔）的大气压传感器，型号为MPX4115。

四、我与四旋翼飞行器

高一的第二个学期，我和同学购买了足够拼装一个四翼飞行器的零件。

我们刚看到一大堆的零件、线，和一张不知所云的说明书，都傻了眼。后来通过大量百度，并向物理老师请教了电镀的技巧，终于开始了组装历程。

经过半个学期的努力，终于将飞行器拼装好了。

【图】

但却在电调调试上出了问题，无论怎么百度，用尽浑身解数也不知如何才能调试好。

后来发现，是信号接收机坏掉了。

就这货↑。