四轴飞行器飞行原理

四轴飞行器飞行原理
四轴飞行器飞行原理

四轴飞行器飞行原理

四旋翼飞行器结构

形式如图所示,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。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。

其基本运动状态分别是:

(1)垂直运动;

(2)俯仰运动;

(3)滚转运动;

(4)偏航运动;

(5)前后运动;

(6)侧向运动;

在控制飞行器飞行时,有如下技术难点:

首先,在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用,还很容易受到气流等外部环境的干扰,很难获得其准确的性能参数。

其次,微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度,而只有四个控制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性,使得飞行控制系统的设计变得非常困难。

再次,利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除,怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否,是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键,具有非常重要的研究价值。

下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态:

垂直运动——在图中,因有两对电机转向相反,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。

俯仰运动——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。

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。

偏航运动——四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。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,且对角线上的来年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。

前后运动——要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中,增加电机3转速,使拉力增大,相应减小电机1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图b图c中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

侧向运动——在图f中,由于结构对称,所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

以上,便是关于四轴飞行器飞行原理的一些介绍。

四轴飞行器运动分析

四轴飞行器运动分析 一、飞行原理 四轴飞行器的结构形如图所示,其中同一对角线上的电机转向应该相同,不同对角线上的电机转向应该相反。这样,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。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。其基本运动状态可分为: (1)垂直运动; (2)俯仰运动; (3)滚转运动; (4)偏航运动; (5)前后运动; (6)侧向运动;

下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态: 垂直运动——在图中,因有两对电机转向相反,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。 俯仰运动——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。

四轴飞行控制原理

四轴(1)-飞行原理 总算能抽出时间写下四轴文章,算算接触四轴也两年多了,从当初的模仿到现在的自主创作经历了不少收获了也不少。朋友们也经常问我四轴怎么入门,今天就简单写下四轴入门的基本知识。尽量避开专业术语和数学公式。 1、首先先了解下四轴的飞行原理。 四轴的一般结构都是十字架型,当然也有其他奇葩结构,比如工字型。两种的力学模型稍微有些不一样,建议先从常规结构入手(其实是其他结构我不懂)。 常规十字型结构其他结构 常规结构的力学模型如图。 力学模型 对四轴进行受力分析,其受重力、螺旋桨的升力,螺旋桨旋转给机体的反扭矩力。反扭矩影响主要是使机体自旋,可以想象一下直升机没有尾桨的情况。螺旋桨旋转时产生的力很复杂,

这里将其简化成只受一个升力和反扭矩力。其它力暂时先不管,对于目前建模精度还不需要分析其他力,顶多在需要时将其他力设为干扰就可以了。如需对螺旋桨受力进行详细研究可以看些空气动力学的书,推荐两本, 空气螺旋桨理论及其应用(刘沛清,北航出版社) 空气动力学基础上下册(徐华舫,国防科技大学) 网易公开课:这个比麻省理工的那个飞行器构造更对口一些。 荷兰代尔夫特理工大学公开课:空气动力学概论 以上这些我是没看下去,太难太多了,如想刨根问底可以看看。 解释下反扭矩的产生: 电机带动螺旋桨旋转,比如使螺旋桨顺时针旋转,那么电机就要给螺旋桨一个顺时针方向的扭矩(数学上扭矩的方向不是这样定义的,可以根据右手定则来确定方向)。根据作用力与反作用力关系,螺旋桨必然会给电机一个反扭矩。 在转速恒定,真空,无能量损耗时,螺旋桨不需要外力也能保持恒定转速,这样也就不存在扭矩了,当然没有空气也飞不起来了。反扭矩的大小主要与介质密度有关,同样转速在水中的反扭矩肯定比空气中大。 因为存在反扭矩,所以四轴设计成正反桨模式,两个正桨顺时针旋转,两个反桨逆时针旋转,对角桨类型一样,产生的反扭矩刚好相互抵消。并且还能保持升力向上。六轴、八轴…类似。 我们控制四轴就是通过控制4个升力和4个反扭矩来控制四轴姿态。 如力学模型图,如需向X轴正方向前进,只需增加桨3的转速,减少桨1的转速,1、3桨的反扭矩方向是一样的,一个加一个减总体上来说反扭矩没变。此时飞机已经有向X轴方向的分力,即可前行。 如需向X轴偏Y轴45°飞行,那么增加桨2、3的转速,减少桨1、4的转速,即可实现。 如果将X正作为正前方,那么就是”十”模式,如果将X轴偏Y45°作为正前方向,那就是”×”模式。理论上这两种都可以飞行,”十”模式稍微比”×”模式好计算,但是”十”模式不如”×”模式灵敏。 四轴如需向任意方向飞行只需改变电机的转速,至于电机转速改变的量是多少,增量之比是多少就需要算法了。对于遥控航模,不需要知道具体到度级别的方向精度,飞行时手动实时调节方向即可。 四轴除了能前后左右上下飞行,还能自旋,自旋靠的就是反扭矩,如需顺时针旋转,只需增加桨1、3转速,减少2、4转速,注意不能只增加桨1、3而不减少2、4,这样会造成总体升力增加,飞机会向上飞的。 理想情况下,四轴结构完全对称,电机转速一样,飞机就可以直上直下飞行。但事实和理想还是有差距的,不存在完全对称的结构,也没有完全一样的电机螺旋桨。所以需要飞控模块进行实时转速调节,这样才能飞起来,不像直升机,螺旋桨加速就能飞。 2、分析完飞行原理,接下来分析四轴飞行器系统的主要部件。

四轴飞行器飞行原理

四轴飞行器飞行原理 四旋翼飞行器结构 形式如图所示,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。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。 其基本运动状态分别是: (1)垂直运动; (2)俯仰运动; (3)滚转运动; (4)偏航运动; (5)前后运动; (6)侧向运动; 在控制飞行器飞行时,有如下技术难点: 首先,在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用,还很容易受到气流等外部环境的干扰,很难获得其准确的性能参数。

其次,微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度,而只有四个控制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性,使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 再次,利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除,怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否,是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键,具有非常重要的研究价值。 下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态: 垂直运动——在图中,因有两对电机转向相反,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。 俯仰运动——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

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。 .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。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

四旋翼飞行器建模与仿真Matlab

四轴飞行器的建模与仿真 摘要 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型,模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。 关键字:四旋翼飞行器,动力学模型,Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference

四轴飞行器:让PCB板飞!

我们在制作一个非常袖珍的四轴飞行器,就用PCB作为承力结构。第一个版本被命名为疯狂直升机。 它的主要特点有: ?STM32 Cortex-M3 CPU ?3轴加速度计 ?1轴/2轴陀螺仪 ?Nordic 2.4GHz 射频通信芯片 ?电动机,螺旋桨和银辉(Silverlit)X翼模型飞机的电池 这架直升机可以从电脑上通过USB无线适配器遥控。我们制作了三架样品(每个成员各一架),并完成了大多数的固件程序。 为了达到稳定飞行的目的,还需要解决一些控制上的问题,以及完成电脑上的控制程序模块。更多的信息和实际飞行视频会在稍后公布:) 这架直升机是通过PC机上运行的Python程序控制的,我们实际上用一个游戏机的蓝牙手柄来操纵它。 疯狂直升机四轴飞行器详述 像承诺过的那样,我们要在这里公布疯狂直升机(也是我们第一架四轴飞行器)的更多信息。该系统的主要架构如下:

疯狂直升机的高层次系统图。 直升机本身是围绕CPU组织起来的。CPU的任务是读取物理传感器(陀螺仪和加速度计)的测量结果,给出控制信号控制电机,让直升机保持稳定。通过一个控制反馈回路,CPU每秒能够对电机发送250次调节转速的指令。无线通信的带宽需求很低,仅仅需要发送操作命令和接受遥测数据。CPU上运行的程序可以通过无线通信更新。 控制和遥测程序在电脑上运行,控制程序从手柄读取输入,然后向直升机发送命令。我们也有调节直升机上控制参数的程序模块,并且会记录下传感器的测量结果,方便调整控制回路。 所有这些开发工作在Windows或linux系统上完成。事实上有三个人同时在这个项目上工作,两个人在Linux上工作,剩下一个人主要使用Windows。利用自由/开源软件(FLOSS,Free/Libre and Open Source Software)许可对提高工作效率非常有帮助。我们主要使用GCC 编译器编译直升机程序,GNU(GNU's Not Unix,一个包含了递归的缩写!GNU Linux工程是为与可复制﹑修改﹑和重新分配的源代码一起的类Unix操作系统的发展而建立的。)建立我们的工程,Mercurial(一个轻量级的分布式版本控制系统)管理我们的源代码,与直升机之间的通讯采用python/pyusb(一个python上的USB通讯软件库)。所有这些软件都能在linux和windows系统间来回无缝切换,使这个项目的管理变得容易许多。 电动机之间的距离(X轴和Y轴方向)大约有8cm,整个飞行器的重量只有20g。 电路板顶面的细节

四旋翼飞行器论文(原理图 程序)..

四旋翼自主飞行器(B题) 摘要 系统以R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心,由电源模块、电机调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪,传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF模块,瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息,通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上,将小型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。

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................................................................................................. - 3 - 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................................................................................................................. - 5 - 3.1飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 - 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 - 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 - 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 - 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 - 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 - 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 - 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 - 6 总结........................................................................................................................................... - 10 - 附录A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -

四轴飞行器报告(高级篇)

四轴飞行器报告(高级篇) 姓名: 阿力木江艾合买提江高瞻 完成日期: 2014年12月29日星期一 报告内容 1.姿态解算用到的常用数学方法和处理手段 2.自动控制原理PID和系统建模 姿态解算用到的常用数学方法和处理手段 姿态有多种数学表示方式,常见的是四元数,欧拉角,矩阵和轴角。他们各自有其自身的优点,在不同的领域使用不同的表示方式。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角。 四元数是由爱尔兰数学家威廉·卢云·哈密顿在1843年发现的数学概念。从明确地角度而言,四元数是复数的不可交换延伸。如把四元数的集合考虑成多维实数空间的话,四元数就代表着一个四维空间,相对于复数为二维空间。 四元数大量用于电脑绘图(及相关的图像分析)上表示三维物件的旋转及方位。四元数亦见于控制论、信号处理、姿态控制、物理和轨道力学,都是用来表示旋转和方位。 相对于另几种旋转表示法(矩阵,欧拉角,轴角),四元数具有某些方面的优势,如速度更快、提供平滑插值、有效避免万向锁问题、存储空间较小等等。 以上部分摘自维基百科-四元数。

莱昂哈德·欧拉用欧拉角来描述刚体在三维欧几里得空间的取向。对于在三维空间里的一个参考系,任何坐标系的取向,都可以用三个欧拉角来表现。参考系又称为实验室参考系,是静止不动的。而坐标系则固定于刚体,随着刚体的旋转而旋转。 以上部分摘自维基百科-欧拉角。下面我们通过图例来看看欧拉角是如何产生的,并且分别对应哪个角度。 姿态解算的核心在于旋转,一般旋转有4种表示方式:矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适合变换向量,欧拉角最直观,轴角表示则适合几何推导,而在组合旋转方面,四元数表示最佳。因为姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量,所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。 总结来说,在飞行器中,姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态,包括旋转和方位。在获得四元数之后,会将其转化为欧拉角,然后输入到姿态控制算法中。 姿态控制算法的输入参数必须要是欧拉角。AD值是指MP U6050的陀螺仪和加速度值,3个维度的陀螺仪值和3个维度的加速度值,每个值为16位精度。AD值必须先转化为四元数,然后通过四元数转化为欧拉角。这个四元数可能是软解,主控芯片(STM32)读取到AD值,用软件从AD值算得,也可能是通过MP U6050中的DMP硬解,主控芯片(STM32)直接读取到四元数。具体参考《MP U60x0的四元数生成方式介绍》。 下面就是四元数软解过程,可以由下面这个框图表示:

轴飞行器作品说明书

四轴飞行器 作品说明书 摘要 四轴飞行器在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器,四轴飞行器硬件结构简单紧凑,而软件复杂。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案,软件算法,包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。校正加速度计采用最小二乘法。计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一种来应用。控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。 关键词:四轴飞行器;姿态;控制

目录 1.引言 (1) 2.飞行器的构成? (1) .硬件构成..............................................1? 机械构成 (1) 电气构成 (3) .软件构成 (3) 上位机 (3) 下位机........... . (4) 3.飞行原理........... ................................ (4) . 坐标系统 (4) .姿态的表示 (5) .动力学原理 (5) 4.姿态测量........... ................................ (6) .传感器校正 (6) 加速度计和电子罗盘 (6) 5.姿态控制 (6) .欧拉角控制 (6) .四元数控制 (7) 6.姿态计算 (7) 7.总结 (8) 参考文献 (9)

四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着MEMS?传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及,四轴飞行器成为航模界的新锐力量。到今天,四轴飞行器已经应用到各个领域,如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。 目前应用广泛的飞行器有:固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比,四轴飞行器机动性好,动作灵活,可以垂直起飞降落和悬停,缺点是续航时间短得多、飞行速度不快;而与单轴直升机比,四轴飞行器的机械简单,无需尾桨抵消反力矩,成本低?。 本文就小型电动四轴飞行器,介绍四轴飞行器的一种实现方案,讲解四轴飞行器的原理和用到的算法,并对几种姿态算法进行比较。 2.飞行器的构成 四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。比起其他类型的飞行器,四轴飞行器的硬件比较简单,而把系统的复杂性转移到软件上,所以本文的主要内容是软件的实现。? .硬件构成? 飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 机械构成? 机架呈十字状,是固定其他部件的平台,本项目采用的是碳纤维材料的机架。电机采用无刷直流电机,固定在机架的四个端点上,而螺旋桨固定在电机转子上,迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨,从迎风面看逆时针转的为正桨,四个桨的中心连成的正方形,正桨反桨交错安装。 CA D设计机架如图: 整体如图2-1: 电气构成 电气部分包括:控制电路板、电子调速器、电池,和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心,上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片,负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调,用于控制无刷直流电机。 电气连接如图2-2所示。 .软件构成

四轴飞行器结题报告

学校名称: 队长姓名: 队员姓名: 指导教师姓名:2013年9月6日

摘要 本次比赛我们需要很好地控制飞行器,让它自主完成比赛应该完成的任务。 本文的工作主要针对微型四旋翼无人飞行器控制系统的设计与实现问题展开。首先制作微型四旋翼无人飞行器实验平台,其次设计姿态检测算法,然后建立数学模型并设计姿态控制器和位置控制器,最后通过实验对本文设计的姿态控制器进行验证。设计机型设计全部由小组成员设计并制作,部分元件从网上购得,运用RL78/G13作为主控芯片,自行设计算法对飞行器进行,升降,俯仰,横滚,偏航等姿态控制。并可以自行起飞实现无人控制的自主四轴飞行器。 关键字:四旋翼无人飞行器、姿态控制、位置控制

目录 第1章设计任务.................................................................................... 错误!未定义书签。 1.1 研究背景与目的........................................................................ 错误!未定义书签。 1.2 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 1.3...................................................................................................... 错误!未定义书签。第2章方案论证.................................................................................... 错误!未定义书签。 2.1...................................................................................................... 错误!未定义书签。 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。第3章理论分析与计算........................................................................ 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。第4章测试结果与误差分析................................................................ 错误!未定义书签。 4.1...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.3...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.4 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。第5章结论心得体会............................................................................ 错误!未定义书签。 5.1 .................................................................................................................. 错误!未定义书签。.................................................................................................................. 错误!未定义书签。 2设计任务: 基本要求 (1)四旋翼自主飞行器(下简称飞行器摆放在图1所示的A区,一键式

四旋翼飞行器的结构形式和工作原理

四旋翼飞行器的结构形式和工作原理 1.结构形式 直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前,四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数,这对驾驶员认为操纵来说是一件非常困难的事,所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式,主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧,控制灵活,但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外,四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低,从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的,所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题,则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。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。四旋翼飞行器的结构形式如图1.1所示。

图1.1四旋翼飞行器的结构形式 2.工作原理 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。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,这样会导致其动力部稳定,所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机,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。

四旋翼飞行器基本原理

四旋翼飞行器无刷直流电机调速系统的设计 孟磊,蒋宏,罗俊,钟疏桐 武汉理工大学自动化学院、武汉理工大学信息工程学院 摘要,关键字:略 近年来,无人机的研究和应用广泛受到各个方面的重视。四旋翼飞行器作为无人机的一种,能够垂直起落、空中悬停、可适用于各种飞行速度与飞行剖面,具有灵活度高、安全性好的特点,适用于警务监控、新闻摄影、火场指挥、交通管理、地质灾害调查、管线巡航等领域实现空中时时移动监控。 四旋翼飞行器的动力来源是无刷直流电机,因此针对该型无刷直流电机的调速系统对飞行器的性能起着决定性的作用。为了提高四旋翼飞行器的性能,本文设计制作了飞行试验平台,完成了直流无刷电机无感调速系统的硬件、软件设计。通过实验证明该系统的设计是可行的。 四旋翼飞行器平台结构 四旋翼平台呈十字形交叉,有四个独立电机驱动螺旋桨组成。当飞行器工作时,平台中心对角的螺旋桨转向相同,相邻的螺旋桨转向相反同时增加减少四个螺旋桨的速度,飞行器就垂直上下运动;相反的改变中心对角的螺旋桨速度,可以产生滚动、俯仰等运动。结构图如下: 四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分:飞行控制系统和无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU惯性测量单位(由陀螺传感器和加速度传感器组成)检测飞行姿态,通过无线通讯模块与地面遥控器通信。4个无刷直流电机调速系统通过I2C总线与飞行控制器通信,通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态,系统采用12V电池供电。控制系统结构图如下:

无刷直流电机调速系统 无刷直流电动机既具有运行效率高、调速性能好,同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点,是电机主要发展方向之一,现已成功运用与军事、航空、计算机数控机床、机器人、电动自行车等多个领域。在该四旋翼飞行器上使用了新西达2217外转子式无刷直流电机,其结构为12绕组7对磁极,典型KV值为1400. 通常无刷直流电机的控制方式分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。有位置传感器控制方式通过再定子上安装电磁式、光电式或者磁敏式位置传感器来检测转子的位置,为驱动电路提供转向信息。无位置传感器的控制方式有很多,包括磁链计算法‘反电动势法、状态观测器法、电感法等。在各种无位置传感器控制方法中,反电动势法是目前技术最为成熟的、应用最为广泛的一种位置检测方法。本系统采用的饭店董事过零检测法是反电动势法中的一种,通过检测各相绕组反电动势的过零点来判断转子的位置。根据无刷直流电机的特性,电机的最佳转向时刻是想反电动势过零点延迟30电角度的时刻,而该延迟的电角度对应的时间可以有两次过零点时间间隔计算得到。 无刷直流电机调速系统硬件设计 该无刷直流电机调速系统有三相全桥驱动电路、反电势过零电路、电流电压检测电路组成电机驱动器。使用一片ATmega8单片机作为控制器,该单片机内部集成了8kB的flash,最多具有23个可编程的I/O口,输出时为推挽结构输出,驱动能力较强。片上集成了AD 转换器、模拟比较器、通用定时器、可编程计数器等资源。 三相全桥驱动电路利用功率型MOS管作为开关器件,选用P型MOS管FD6637与N型MOS管FD6635搭配使用,设计容量为允许通过的最大电流为30A。FD6637的开关利用三极管9013进行驱动、FD6635的开关直接用单片机的I/O口进行驱动。电路如图3所示。通过R17、R19、R25来减少下管FDD6635的栅极充电电流峰值,防止震荡并保护MOS管;R16、R23、R24作为下拉电阻,保证下关的正常导通与关断;R2、R5、R8作为上管栅极上拉电阻,阻值选择470Ω,既保证了MOS管的开关速率不降低,同时也防止三极管Ic电流过大。A+、B+、C+提供驱动桥的上桥臂的栅极导通信号,分别通过ATmega8的三个硬件PWM通道驱动,通过改变PWM信号的占空比来实现电机调速;A-、B-、C-提供下桥臂栅极驱动信号,由单片机的I/O口控制,只有导通和关闭两种状态。

基于stm32的四轴飞行器

基于stm32设计的四轴飞行器 引言 四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器,与普通的飞行器相比具有结构简单,故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点,在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景,非常适合在狭小空间内执行任务。因此四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多科研人员,成为国内外新的研究热点。 本设计主要通过利用惯性测量单元(IMU)姿态获取技术、PID电机控制算法、2.4G无线遥控通信技术和高速空心杯直流电机驱动技术来实现简易的四轴方案。整个系统的设计包括飞控部分和遥控部分,飞控部分采用机架和控制核心部分一体设计增加系统稳定性,遥控部分采用模拟摇杆操作输入使操作体验极佳,两部分之间的通信采用2.4G无线模块保证数据稳定传输。飞行控制板采用高速单片机STM32作为处理器,采用含有三轴陀螺仪、三轴加速度计的运动传感器MPU6050作为惯性测量单元,通过2.4G无线模块和遥控板进行通信,最终根据PID控制算法通过PWM方式驱动空心杯电机来达到遥控目标。 1、系统总体设计 系统硬件的设计主要分要遥控板和飞控板两个部分,遥控板采用常见羊角把游戏手柄的外形设计,控制输入采用四向摇杆,无线数据传输采用2.4G无线模块。飞控板采用控制处理核心和机架一体的设计即处理器和电机都集成在同一个电路板上,采用常规尺寸能够采用普通玩具的配件。系统软件的设计同样包括遥控板和飞控板两部分的工作,遥控板软件的设计主要包括ADC的采集和数据的无线发送。飞控板的软件的设计主要包括无线数据的接收,自身姿态的实时结算,电机PID增量的计算和电机的驱动。整个四轴飞行器系统包括人员操作遥控端和飞行器控制端,遥控端主控制器STM32通过ADC外设对摇杆数据进行采集,把采集到的数据通过2.4G无线通信模块发送至飞控端。飞控板的主要工作就是通过无线模块进行控制信号的接收,并且利用惯性测量单元获得实时系统加速度和角速度原始数据,并且最终解算出当前的系统姿态,然后根据遥控板发送的目标姿态和当姿态差计算出PID电机增量,然后通过PWM驱动电机进行系统调整来实现飞行器的稳定飞行。系统的总体设计框图如图1所示。

四轴飞行器知识简介

四轴飞行器知识 什么是四轴飞行器? 四轴飞行器也叫四旋翼飞行器。通俗点说就是拥有四个独立动力旋翼 的飞行器,有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。四轴飞行器是多轴 飞行器其中的一种,常见的多轴飞行器有两轴,三轴,四轴,六轴, 八轴或者更多轴。 四轴飞行器飞行原理 重心的距离相等, 当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的 平衡, 四轴不会向任何一个四轴飞行器有四个电机呈十字形排列, 驱动四片桨旋转产生推力; 四个电机轴距几何中方向倾转; 而四个 电机一对正转,一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡, 保证了四轴航向的稳定. 此飞行控制板规定四轴电机的排布方式相 对应。1,4号电机顺时针方向旋转, 2,3号电机逆时针方向旋转. 四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向 和偏航方向上的运动: 当四轴需要向前方运动时, 2,3号电机 保持转速不变, 1号电机转速下降, 4号电机转速上升, 此时4号电 机产生的升力大于1号电机的升力, 四轴就会沿几何中心向前倾转, 桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动. 当四轴要转向左转 向时, 1,4号电机转速上升, 2,3号电机转速下降, 使向左的反扭距 大于向右的反扭矩, 四轴在反扭距的作用下向左旋转.四个桨产生的 推力, 超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与 下降的运动, 当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停。

其他方式的运动原理与以上过程类似. 四轴飞行原理虽然简单, 但实现起来还需很多工作要做. 四轴飞行器需要的零件 无刷电机(4个)、电子调速器(简称电调,4个,)、螺旋桨(4个,需要2个正浆,2个反浆)、飞行控制板(常见有瑞伯达、KK等品牌)、电池(11.1v航模动力电池)、遥控器(最低四通道遥控器)、机架(非必选)、充电器(尽量选择平衡充电器) 怎样知道是否能正常起飞? 一切准备完毕,怎么知道可以试飞了呢,我个人建议为了避免匆忙上马,秒炸。先拿手上试飞比较好,但要注意离身体距离。 拿手上通电,加油门,如果一切正常,四轴是不会大幅度的晃动的,而是比较平稳。还可以故意左右晃动一下,会感觉到四轴保持平衡的反力量,只要达到这个效果,就基本达到了试飞的条件。RBD飞控我复位了好几次,只要没有意外,是基本都能成功的。 试飞场地建议选宽阔的地方,建议是草坪,这样的不容甩坏。 马达选择有刷马达,原因很简单,要需要复杂的电调,直接用MOS 管就可以驱动了。而且响应速度又快,价格也便宜。也可以选择减速组配高转速马达。只是成本高了点。而且实际的测试结果是马达里面火化直冒也无法将四轴自身拉离地面。原因就是马达转速和减速组搭配不合理,转速过快但拉力不够。经历过失败后,决定不在冒险,于是选择了大众配置:瑞伯达 2212,1000KV外转子无刷马达,瑞伯达30A电调(好赢兼容的程序),在解决了如何安装的问题后,终于可

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