四轴飞行器控制系统
四轴 原理
四轴原理
四轴原理即为四旋翼飞行器的工作原理。
四旋翼飞行器由四个相对对称的旋翼组成，每个旋翼都由一个电动机驱动，并通过控制电路进行精确的调节。
四轴飞行器的飞行原理是通过对四个旋翼的转速进行精确控制，实现悬停、上升、下降、前进、后退、向左、向右平移以及旋转等多种飞行动作。
具体原理如下：
1. 升力平衡原理：四个旋翼产生的升力将飞行器维持在空中，飞行器的重力与升力平衡，实现悬停状态。
2. 空气动力学平衡原理：四个旋翼的转速可以通过电机转速控制器进行精确调节，进而调节各个旋翼产生的升力大小，实现空气动力学平衡。
3. 控制算法原理：通过搭载的传感器（如加速度计、陀螺仪、磁力计等）实时监测飞行器的姿态信息，将监测到的数据传输给飞行控制器。
飞行控制器根据姿态信息计算出相应的控制指令，通过电调调节四个旋翼的转速，控制飞行器的姿态。
如需向前飞行，则增加后面两个旋翼的转速，减小前面两个旋翼的转速，使飞行器倾斜向前。
类似地，对其他方向的飞行也是通过对相应旋翼转速的调节实现的。
4. 电源与电路原理：四轴飞行器通过电池为电动机提供能量，电路控制系统将飞行器的控制信号转化为电流和电压输出供电给电动机。
通过对四个旋翼的转速进行精确控制，在合适的气动力学平衡和姿态控制下，四轴飞行器能够实现精确悬停、稳定飞行及各种飞行动作，具有广泛的应用前景。
四轴飞行器的稳定飞行控制技术
四轴飞行器的稳定飞行控制技术四轴飞行器（Quadcopter）是一种具有四个旋翼的无人机，通过调节四个旋翼的转速来实现飞行。
由于其稳定性和机动性优秀，四轴飞行器在航拍、物流配送、农业植保等领域得到广泛应用。
而为了实现四轴飞行器的稳定飞行，飞行控制技术起着至关重要的作用。
一、传感器与数据获取四轴飞行器的稳定飞行控制技术需要依赖高精度的传感器来获取飞行器的姿态信息和环境数据。
例如，加速度计用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量转动角速度，磁力计用于测量地磁场，气压计用于测量飞行高度等等。
这些传感器通过称为“惯性测量单元（IMU）”的模块来集成，为飞行控制系统提供准确的数据。
二、飞行控制算法与姿态控制四轴飞行器的稳定飞行控制技术需要依靠精确的飞行控制算法来实现姿态控制。
常用的控制算法包括PID控制（比例、积分、微分控制）、模型预测控制以及自适应控制等。
PID控制通过调节旋翼转速，根据飞行器当前状态与期望状态之间的误差来实现姿态调整。
模型预测控制利用数学模型预测飞行器的未来响应，从而实现更加精确的控制。
自适应控制系统可以自动调整控制参数以适应各种环境条件和飞行状态。
三、飞行控制器与实时控制飞行控制器是四轴飞行器的核心部件，负责接收传感器数据、进行姿态控制算法运算，并输出控制指令。
目前市面上常用的飞行控制器主要有基于开源飞控软件的，如基于ArduPilot的Pixhawk飞控，以及基于Betaflight的F4 V3飞控等。
这些飞行控制器采用高性能的处理器和实时操作系统，能够实现稳定飞行控制算法的即时计算和输出。
同时，飞行控制器还提供与遥控器的通信接口，使得飞行器的遥控操作变得简单方便。
四、传输系统与遥控操作四轴飞行器的稳定飞行控制技术还需要借助传输系统来与地面站或遥控器进行通信。
常用的通信方式包括无线电遥控、蓝牙、Wi-Fi和4G等。
通过传输系统，飞行控制器可以接收来自地面站或遥控器的指令，反馈飞行器的飞行状态及其他数据，并实现相应的姿态调整。
采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统
采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统四轴飞行器飞控系统是一种应用于四轴飞行器上的关键控制设备。
它包括硬件和软件两个部分，用于控制飞行器的姿态、稳定性和导航等功能。
其中，采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统因其高性能、低功耗和丰富的外设资源而受到广泛关注。
一、硬件设计：1.处理器模块：采用STM32系列微控制器作为处理核心。
STM32系列微控制器具有较高的计算能力和丰富的外设资源，能够满足飞行控制的计算需求。
2.传感器模块：包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等传感器。
加速度计用于测量飞行器的线性加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量飞行器的方向，气压计用于测量飞行器的高度。
3.无线通信模块：采用无线通信模块，如蓝牙、Wi-Fi或者无线射频模块，用于与地面站进行通信，实现飞行参数的传输和遥控指令的接收。
4.电源管理模块：对飞行器的电源进行管理，确保各个模块的正常运行。
包括电池管理、电量检测和电源开关等功能。
5.输出控制模块：用于控制飞行器的电机、舵机等执行机构，实现对飞行器的姿态和动作的控制。
二、软件设计：1.飞行控制程序：运行在STM32微控制器上的程序，用于实时读取传感器数据、运算控制算法、输出控制信号。
该程序包括姿态解算、飞行控制和导航等模块。
-姿态解算模块：根据加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器数据，估计飞行器的姿态信息，如俯仰角、横滚角和偏航角。
-飞行控制模块：根据姿态信息和目标控制指令，计算出电机和舵机的控制信号，保证飞行器的稳定性和灵敏度。
-导航模块：利用GPS等导航设备获取飞行器的位置和速度信息，实现自动驾驶功能。
2.地面站程序：在地面计算机上运行的程序，与飞行器的无线通信模块进行数据交互。
地面站程序可以实时监测飞行器的状态和参数，并发送控制指令给飞行器。
总结：采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统是一种高性能、低功耗的控制设备，包括硬件和软件两个部分。
硬件包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源管理模块和输出控制模块。
四轴飞行器动力学分析与建模
四轴飞行器动力学分析与建模四轴飞行器主要由机架、动力系统、控制系统和传感器系统组成。
机架是整个飞行器的骨架，负责承载各个部件。
动力系统由四个电动马达和四个螺旋桨组成，电动马达通过转动螺旋桨产生升力和推力。
控制系统负责控制飞行器的飞行姿态以及飞行方向。
传感器系统用于获取飞行器的姿态和位置信息。
首先是力学分析。
在飞行过程中，四个螺旋桨产生的升力和推力需要平衡飞行器的重力。
根据牛顿第二定律，可以建立四轴飞行器的运动方程。
假设四轴飞行器在三维空间中的位置为(x, y, z)，速度为(vx, vy, vz)，质量为m。
则四轴飞行器所受到的合力可以表示为：F = mg - Tm是飞行器的质量，g是重力加速度，T是螺旋桨产生的合力。
根据牛顿第二定律，可以得到四轴飞行器的加速度方程为：a = (mg - T) / m其次是电机模型。
电机模型主要描述电动马达的输出特性。
通常情况下，电动马达的输出转矩与输入电流之间存在一定的关系。
可以使用简化的转矩模型来描述电动马达的输出。
假设电动马达的转矩为Tm，电流为I，转矩模型可以表示为：Tm=k1*I其中k1为电动马达的参数。
接下来是姿态稳定。
四轴飞行器的姿态稳定是实现飞行器平稳飞行的重要问题。
姿态稳定的关键在于对飞行器角度的控制。
通过使用陀螺仪、加速度计和磁力计等传感器获取飞行器的姿态信息，并通过控制系统对飞行器的姿态进行控制。
姿态稳定算法可以根据飞行器的姿态误差来计算所需的控制指令，进而控制飞行器的电动马达来实现姿态的调整。
最后是运动控制。
运动控制主要涉及到飞行器的位置和速度控制。
通常情况下，可以使用位置式控制和速度式控制来实现飞行器的运动控制。
在位置式控制中，通过计算飞行器的位置误差来产生相应的控制指令，控制飞行器的电动马达来实现位置的调整。
在速度式控制中，通过计算飞行器的速度误差来产生相应的控制指令，控制飞行器的电动马达来实现速度的调整。
综上所述，四轴飞行器的动力学分析与建模主要涉及到力学分析、电机模型、姿态稳定和运动控制等方面。
四轴飞行控制原理
四轴飞行控制原理四轴飞行器是一种具有四个旋翼的飞行器，通过控制旋转速度和方向来实现飞行。
其控制原理包括传感器感知、飞行动力学建模、控制器设计和电机控制。
1.传感器感知四轴飞行器通常配备有陀螺仪、加速度计、磁力计和气压计等传感器。
陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量线性加速度，磁力计用于测量地磁场方向，气压计用于测量飞行器的高度。
这些传感器可以提供飞行器在空间中的姿态、位置和速度等信息。
2.飞行动力学建模通过传感器测量的数据，可以对飞行器的姿态进行估计。
姿态估计主要包括姿态角（滚转、俯仰和偏航）的估计和位置的估计。
将姿态和位置的估计值与期望值进行比较，可以得到姿态和位置的误差。
飞行动力学建模主要包括飞行器的动力学方程和状态方程，可以通过这些方程来描述飞行器的姿态、位置和速度等动态变化。
3.控制器设计控制器设计主要是设计一个控制算法来根据传感器测量的数据和期望的姿态和位置来控制飞行器的旋转速度和方向。
通常使用的控制算法包括PID控制器、模型预测控制器、自适应控制器等。
PID控制器是一种常用的控制算法，根据误差的大小和变化率来调整控制信号，从而使飞行器逐渐接近期望的姿态和位置。
4.电机控制四轴飞行器通常使用四个无刷电机来控制旋翼的转速和方向。
通过适当调整电机的转速，可以使飞行器产生所需的推力和力矩，从而实现期望的运动。
电机控制主要包括PWM控制信号的生成、电机转速的调节和电机的航向控制。
PWM控制信号的生成由控制器完成，根据控制器的输出调整电机转速，使旋翼产生所需的推力和力矩。
电机的航向控制通常通过改变电机的转速来实现。
总结：四轴飞行控制原理主要包括传感器感知、飞行动力学建模、控制器设计和电机控制。
通过传感器感知飞行器的角速度、线性加速度、地磁场方向和高度等信息，通过飞行动力学建模估计飞行器的姿态和位置，根据期望的姿态和位置与估计值的误差，设计控制算法来控制飞行器的旋转速度和方向，通过调整电机的转速，使飞行器产生所需的推力和力矩，从而实现期望的飞行。
四轴(多轴)飞行器概述
四轴（多轴）飞行器概述一、简介四轴（多轴）飞行器也叫四旋翼（多旋翼）飞行器它有四个（多个）螺旋桨，四轴（多轴）飞行器也是飞行器中结构最简单的飞行器了。
前后左右各一个，其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机的控制信号，在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个电调，电调再把控制命令转化为电机的转速，以达到操作者的控制要求，前后马达是顺时针转动，需要安装反桨，左右马达是逆时针转动，需要安装正桨，机械结构上只需保持重量分布的均匀，四电机保持在一个水平线上，可以说结构非常简单，做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构变得尽可能的简单。
二、控制原理四轴飞行器的控制原理就是，当没有外力并且重量分布平均时，四个螺旋桨以一样的转速转动，在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时，四轴就会向上升，在拉力与重量相等时，四轴就可以在空中悬停。
在四轴的前方受到向下的外力时，前方马达加快转速，以抵消外力的影响从而保持水平，同样其它几个方向受到外力时四轴也是可以通过这种动作保持水平的，当需要控制四轴向前飞时，前方的马达减速，而后方的马达加速，这样，四轴就会向前倾斜，也相应的向前飞行，同样，需要向后、向左、向右飞行也是通过这样的控制就可以使四轴往我们想要控制的方向飞行了，当我们要控制四轴的机头方向向顺时针转动时，四轴同时加快左右马达的转速，并同时降低前后马达的转速，因为左右马达是逆时针转动的，而左右马达的转速是一样，所以左右是保持平衡的，而前后马达是顺时针转动的，但前后马达的转速也是一样的，所以前后左右都是可以保持平衡，飞行高度也是可以保持的，但是逆时针转动的力比顺时针就大，所以机身会向反方向转动，从而达到控制机头的方向。
这也是为什么要使用两个反桨，两个正桨的原因。
三、电调我们平时用的商品电调是通过接收机上的油门通道进行控制的，这个接收机出来的控制信号一般都是20mS 间隔的PPM脉宽控制信号，而四轴为了提高响应的速度，需要控制命令的间隔更短-比如说5mS，所以就需要特殊的电调而不能用普通的商品电调，但是为什么要使用I2C总线跟电调连接呢，这个跟电路设计以及软件编写等有关，I2C总线在硬件连接上可以多个设备直接并连在总线上，它有相应的传输机制保证主机与各个从机之前顺畅沟通，这样连接就比较的方便，所以四个电调的控制线是并接在一起连到主控板上就可以了，这个也跟我们选用的芯片相关，很多单片机都有集成I2C总线的，软件设计起来也得心应手。
四轴飞行器控制原理简单介绍
四轴飞行器控制原理简单介绍1.姿态控制姿态控制是指控制四轴飞行器所处的空中姿态，包括横滚、俯仰和偏航。
横滚是指四轴飞行器以机体中心线为轴心向左或向右旋转；俯仰是指四轴飞行器以机体前后中心线为轴心向前或向后倾斜；偏航是指四轴飞行器以竖直轴为轴心旋转。
姿态控制可以通过四个电动马达间的配合来实现。
例如，当四轴飞行器需要向左旋转时，右侧的两个电动马达通过提高转速而左侧的两个电动马达通过降低转速，使得产生的升力不均衡，从而导致飞行器向左旋转；同样的原理，可以实现向右、向前和向后的倾斜，从而实现横滚和俯仰的控制。
偏航控制则是通过改变对角电动马达的转速来实现的。
2.高度控制高度控制是指控制四轴飞行器的飞行高度。
通常，四轴飞行器通过改变电动马达的转速来控制升力，从而控制飞行高度。
当需要升高时，四个电动马达的转速同时提高，产生更大的升力，使得飞行器上升；当需要下降时，四个电动马达的转速同时降低，减小升力，使得飞行器下降。
3.位置控制位置控制是指控制四轴飞行器在空中的位置，通常使用GPS、惯性导航系统（INS）和视觉系统来获取实时位置信息，并通过控制四个电动马达的转速来调整飞行器的位置。
位置控制通常采用反馈控制的方法，在测量到的当前位置与目标位置之间存在偏差时，通过调整电动马达的转速来减小偏差，并使飞行器逐渐趋向于目标位置。
综上所述，四轴飞行器的控制原理涉及到姿态控制、高度控制和位置控制三个方面。
通过控制四个电动马达的转速来实现姿态控制和高度控制，通过GPS、INS和视觉系统来获取位置信息，并通过反馈控制来调整飞行器的位置。
这些控制原理的运用使得四轴飞行器能够实现精准、稳定的飞行。
四轴飞行器姿态控制算法
四轴飞行器姿态控制算法四轴飞行器姿态控制是指通过调整四个电机的转速，使得飞行器能够保持所需的姿态，例如平稳飞行、转弯、盘旋等。
姿态控制算法主要包括传感器采集、姿态估计和控制指令生成等几个部分。
以下将详细介绍四轴飞行器姿态控制的算法原理。
1.传感器采集：四轴飞行器通常会配备三个主要的传感器：加速度计、陀螺仪和磁力计。
加速度计用于测量飞行器的重力加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量地磁场强度。
这些传感器的数据将用于后续的姿态估计和控制。
2.姿态估计：姿态估计是根据传感器提供的数据计算出飞行器的当前姿态角。
一种常用的姿态估计方法是互补滤波器。
互补滤波器将加速度计和陀螺仪的数据进行融合，通过加速度计估计出的姿态角和陀螺仪估计出的姿态角进行加权平均，从而得到更准确的姿态估计。
3.控制指令生成：姿态控制器的目标是生成适当的转速指令，使得飞行器能够达到所需的姿态。
在四轴飞行器中，姿态控制通常分为俯仰控制、滚转控制和偏航控制三个方向。
俯仰控制用于调整飞行器的前后倾斜角度，滚转控制用于调整飞行器的左右倾斜角度，偏航控制用于调整飞行器的旋转角度。
在控制指令生成中，通常会采用PID控制器。
PID控制器根据目标姿态角和当前姿态角的误差，计算出相应的控制指令。
PID控制器包括三个参数：比例项、积分项和微分项。
比例项用于快速响应误差，积分项用于消除稳态误差，微分项用于抑制系统的振荡。
通过将三个方向的控制指令进行线性叠加，得到最终的转速指令。
转速指令将被发送到四个电机，控制它们的转速，从而实现飞行器的姿态调整。
值得注意的是，四轴飞行器还需要考虑到动力学和非线性因素。
动力学因素包括电机的动态响应和旋转惯量的影响，通常会使用动态模型进行补偿。
非线性因素包括旋翼的非线性动力学和空气动力学特性的影响，通常会采用非线性控制器进行补偿。
综上所述，四轴飞行器姿态控制算法主要包括传感器采集、姿态估计和控制指令生成等几个部分。
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逻辑链路控制层（LLC）
介质访问控制层（MAC）
CC2420通信流程图
• CC2420 的通信过程主要分为 3 部分，分别是初始化部分、 发送部分和接收部分。
数据发送流程图
CC2420通信流程图
数据接收流程图
四轴多智能体系统控制问题的描述
• 将Agent的思想引入四轴无人飞行器系统后,每个轴的控制器就相当于
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一个Agent。中心主控制器把其他的四个轴控制器连接成一个网,并在 它们之间建立适当的联系,表示为AGENT={agentl,agent2, agent3, agent4}。 • 中心主控Agent接到请求后如果发现该飞行控制任务可由另一个或 几个Agent完成,则可以向这些Agent提出协作要求,收到合作要求信息 的Agent有权决定是否接受该合作请求,并给中心主控Agent以反馈,如 此数次反复直至达成控制目标。
信息流的格式要求： • 每个旋翼控制智能体都有独立的地址、自身的状态信息、群 组信息等等,每个旋翼控制智能体都可以 得到其它旋翼控制 智能体的状态信息,因此信息流的格式定义至少应该包括: 1.旋翼控制智能体的ID; 2.群组识别码; 3.接收方ID; 4.信息的详细描述
中心控制智能体和四个旋翼控制智能体的信息交流格式
[Messege]=[发送者][接收者][正文内容] [ [发送者]=[SenderlD]
设中心控制智能体的ID号定义为0x10。但由于釆用的 CAN总线通信,一次最多只能发送8个字节,而且中心控制 智能体只有一个,因此由于数据长度的限制,中心主控智能 体作为发送者的ID号省略。
[接收者]=[ReceiverlD]
四轴飞行器网络控制系统
组长： 蒋盛锋 组员： 江义 余国良 袁续凯 赵梓乔 2013年10月22号
分工与合作
• 蒋盛锋：四轴飞行器网络化系统的综述 • 江义：基于wifi的无线视频通信 • 余国良：基于zigbee的无线数据传输 • 袁续凯：机载中心主控器和四轴控制器之间的CAN通信
• 赵梓乔：四轴飞行器的导航与电机控制
四轴飞行器概述
• 四轴飞行器同时也叫四旋翼无人飞行器、四旋翼无人机， 国外又称（Four-rotor，4 rotors helicopter，X4flyer，Quad-rotor）等等，是一种能够垂直起降的飞行 器，它具有四个螺旋桨，并且四个螺旋桨呈十字形结构分 布。由于尺寸较小、重量较轻、适合携带，具备自主导航 飞行能力。所以适用于在复杂、危险的环境下完成特定的 飞行任务，同样也可以用于娱乐。
基于多智能体的四轴协作规划 • 整个系统的控制策略主 要是将中心主控器和四 个旋翼控制器看成一组 由5个智能体组成的多 智能体（Agent），由 一个主控智能体进行决 策,由4个旋翼智能体相 互协作的完成系统的飞 行任务。
四轴协同工作系统结构
各个智能体之间的信息交流
CAN通信的主体： • 1、中心控制智能体和四个旋翼控制智能体的信息交 流; • 2、旋翼智能体之间的信息交流 。
物理层（PHY）
wifi的传输框图
本系统通过UART把摄像头和USR-wifi232连接起来。USRwifi232作为STA，工作在桥接模式。模块连接到AP后，这样 所有USR-wifi232上的数据都可由数据接收终端来管理。
摄像头
UART
USR-wifi232
无线网络
无线路由器
PC机
wifi的协议传输模式流程
中心主控制智能体每次都同时向四个旋翼控制智能体发 送信息数据,因此在此处的ReceiverlD分别为系统定义的四个 旋翼控制智能体的ID号,即:0x11, 0x12, 0x13 和 0x14。
中心控制智能体和四个旋翼控制智能体的信息交流格式
[正文内容]=[旋翼控制器0x11的PCA_PH][旋翼控制器0x12的PCA_PH] [旋翼控制器0x13的PCA_PH][旋翼控制器0x14的PCA_PH]
• wifi的协议传输流程主要分为：用户设备发送数据和用户设 备请求模块发送数据。下面将分别介绍：
用户发送数 据到模块：
模块发送数 据到用户：
Zigbee网络体系架构
应用层由 APS 子层(应用支持子层)， ZDO(ZigBee 设备对象包括ZDO 管理 平台)，厂商定义的应用。 网络层中包括数据服务实体(NLDE)和 管理服务实体(NLME)两个服务实体。 MAC 层主要负责协调器产生网络信标、 CSMA-CA 信道访问机制、支持PAN 的关联和解关联操作、处理和维护保 证时隙机制。 IEEE802.15.4 物理层定义了 868MHz、 915MHz 和 2.4GHz 三个频段ZigBee 通常不能同时兼容这三个频段，应该 根据设备使用地的规定来选择ZigBee 设备。
四轴飞行器飞行原理
• 四轴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。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。
在本文中四个旋翼控制器的的PCA参数,或是地面控制 站发送而来的,或是中心主控智能体经过传感器采集后,通过 一定的算法得出的。 例如:系统要求四旋翼飞行器以悬停状态飞行。根据试 验测得飞行器悬停状态的飞行器的PCA参数依次为: [旋翼控制器0x11的PCA_PH=0xF3] , [旋翼控制器0x12的PCA_PH=OxFl], [旋翼控制器0x13的PCA_PH=OxF3], [旋翼控制器0x14的PCA_PH=OxFl],则地面控制站只要 通过上位机操作软件发送数据流为: [Ox 11 ] [Ox12] [Ox13] [Ox14] [OxF3 ] [OxF1 ] [OxF3] [OxF1]。
视觉/惯性全自主导航基本流程图
• 以往，无人机主要依靠惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）和全球定位系统（Global Position System, GPS）进行导航，然而，导航过程中惯性器件具有累积误差， 且对初始值过于敏感，本四轴飞行器系统采用视觉/惯性全自 主导航。
四轴飞行器飞行原理
系统总体框图
机载系统
CAN总线 无线摄像头
无线
传 wifi
输
电机控制器
无刷直流电机
PC机
机载主控芯片
Zigbee传输
电机控制器
无刷直流电机
电机控制器
无刷直流电机
姿态方位参考系统 （AHRS） 电机控制器 无刷直流电机
无线网络标准的比较
wifi的网络结构
• WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终 端以无线方式互相连接的技术。简单来说其实就是IEEE802.11的 别称，但是WI-FI只使用了802.11的媒体访问控制层（MAC）和物 理层（PHY）。下图为IEEE802.11逻辑结构。