四轴飞行器运动分析
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。
四轴飞行器原理教程解读
2.5电池与充电器篇
为什么要选锂电池？
同样电池容量锂电最轻，起飞效率最高。 电池的多少 mAh 是 什么意思？ 表示电池容量，如 1000mAh 电池，如果 以 1000mA 放电，可持续放电 1 小时。 如果以 500ma 放电，可以持续放电 2 小时。 电池后面的 2S ，3S ，4S 什么意思？ 代表锂电池的节数，锂电池 1 节标准电压 为 3.7V，那么 2S 电池，就是代表有 2个 3.7V 电池在里面，电压为 7.4V。
第一章四轴飞行器工作原理
1.1四轴飞行器机械结构
四轴飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结构上的 4 个电机驱动的 一种飞行器。飞行器动作依靠 4 个电机的转速差进行控制， 其机械结构 相对简单， 可由电机直接驱动，无需复杂的传动装置。四轴飞行器按照 电机轴的布置方式可分为十字模式和 X 模式，对于姿态测量和控制来说， 两种方式差别不大。考虑到 X 模式使用比较广泛， 本次以X模式讲解。
1.3.2电机串级PID控制
串级与单级PID区别：串级采用的是角度和角速度两级PID，单级只采用 角度PID。假如我们控制物体位移为零，采用单级位移PID控制，由于物 体速度不为零，我们就不能保证物体位移为零，如果采用位移和速度串 级PID就能保证物体位移为零了。所以四轴采用串级PID控制性和稳定新 都将更强。
四轴电机一般选朗宇电机，其它如新西达和银燕电机都不靠谱， 也要防止买到次品。四轴电调一般选用好盈电调，其它如新西达和 银燕电调都不靠谱，也要防止买到次品 做四轴是个烧钱东西，一般电机、电调、螺旋桨、机架、遥控 器、电池、充电器都需要买，这些自己动手做几乎不可能了，我们 能够自己做的也就是飞控板可以自己设计，初学者要能够完全做会 四轴一般得花3000元以上，所以选择做四轴飞行器的请慎重考虑。
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。
四轴飞行器的飞行原理
四轴飞行器的飞行原理四轴飞行器，作为一种现代飞行器形式，具有独特的设计和飞行原理。
其飞行原理主要基于空气动力学和控制理论。
四轴飞行器采用四个旋翼组件来产生升力和推力，并通过控制这些旋翼的转速和角度来实现飞行动作。
升力产生四轴飞行器的主要飞行模式是垂直起降，因此需要产生足够的升力来使其脱离地面并维持空中飞行。
四轴飞行器的四个旋翼通过旋转产生气流，这些气流在旋翼叶片的空气动力学作用下产生升力。
旋翼的升力与其旋转的速度成正比，因此控制旋翼的转速可以调节飞行器的升力。
姿态控制除了产生升力，四轴飞行器还需要控制其姿态，即控制其在空中的方向和倾斜角度。
四轴飞行器通过调节各个旋翼的推力和速度来实现姿态控制。
例如，如果要向前飞行，可以增加后方旋翼的推力或减小前方旋翼的推力，以产生向前的倾斜力矩。
稳定性控制为了保持飞行器在空中的稳定性，四轴飞行器需要进行实时的稳定性控制。
通常采用陀螺仪和加速度计等传感器来监测飞行器的姿态和运动状态，然后通过飞行控制系统来计算并调节旋翼的转速和姿态，使飞行器保持平稳飞行。
飞行模式四轴飞行器可以实现多种飞行模式，如手动控制飞行、自动悬停和自动返航等。
在手动控制模式下，飞行器由操纵员通过遥控器进行操控。
在自动悬停和自动返航模式下，飞行器通过预先设定的飞行控制算法和传感器数据来实现自主飞行。
综上所述，四轴飞行器的飞行原理基于空气动力学和控制理论，并通过旋翼产生升力、姿态控制和稳定性控制来实现飞行动作。
其独特的设计和飞行原理使其成为一种灵活多用途的飞行器形式，广泛应用于航拍、搜救、科研等领域。
四轴飞行器的飞行原理
四轴飞行器的飞行原理
四轴飞行器是一种近年来越来越流行的无人机。
它的飞行原理虽然复杂，但是我们可以简单地理解为受力平衡和控制。
首先，四轴飞行器由四个螺旋桨驱动。
它们分成两个对称的框架，对
称轴相遇并且各有两个桨叶。
每一对桨叶都以相反的方向旋转，从而
产生向上或向下的扭矩。
由于这些旋转后的力量可以在任何方向上表
现出来，并且由于它们可以以不同的速度旋转，四轴飞行器的飞行方
向可以被完全控制。
其次，四轴飞行器利用陀螺仪、加速度计和地磁仪等设备来保持平衡。
陀螺仪可以测量飞行器的转动速度，从而帮助控制器调整螺旋桨的转
速以实现平衡。
加速度计可以测量加速度，以检测飞行器的位置。
地
磁仪则可以检测磁场方向，从而确定飞行器的方向。
最后，四轴飞行器还需要一个控制器来运行上述设备。
控制器接收从
各种传感器收集的数据，并根据设定参数进行计算。
控制器将计算结
果发送给电调，以使螺旋桨转速实现平衡和控制。
综上所述，四轴飞行器的飞行原理可以概括为通过四个螺旋桨的力量
实现受力平衡，并利用陀螺仪、加速度计和地磁仪等设备保持平衡，
再通过控制器控制螺旋桨的转速实现飞行方向的控制。
四轴飞行器的飞行原理非常复杂，需要多种装置和设备的协同作用，以实现高度自由的空中飞行。
四轴飞行器的工作原理
四轴飞行器的工作原理
四轴飞行器是一种无人机，它由四个电动马达驱动的旋翼组件组成。
这些旋翼组件位于飞行器的四个角落，通过不同的旋翼速度和倾斜角度来实现飞行和悬停。
电调控制
每个电动马达通过电调来控制旋翼的转速和旋翼的倾斜角。
电调接收飞行控制器发送的指令，然后控制马达的速度以及旋翼的倾斜角度，从而使飞行器实现不同方向的飞行和悬停。
加速度计和陀螺仪
四轴飞行器还配备了加速度计和陀螺仪，这些传感器用来感知飞行器的姿态和位置。
加速度计测量飞行器的加速度，陀螺仪测量飞行器的旋转速度。
这些数据被发送到飞行控制器，用来调整电调的输出，从而维持飞行器的稳定飞行和悬停。
遥控器
飞行器的飞行可以通过遥控器来实现，飞行员通过遥控器发送指令给飞行器，从而控制飞行器的飞行方向、速度和高度。
遥控器通过无线信号和接收器连接到飞行控制器，将飞行员的指令转化为电调的控制参数。
姿态控制
四轴飞行器的飞行姿态通过电调控制四个旋翼的转速和倾斜角来实现。
在飞行过程中，加速度计和陀螺仪的反馈数据被飞行控制器实时处理，以保持飞行器的平稳飞行状态。
姿态控制是四轴飞行器能够实现精确悬停和各种飞行动作的基础。
总结
四轴飞行器的工作原理主要依靠电调、加速度计和陀螺仪、遥控器以及姿态控制系统。
通过这些关键组件的协同作用，四轴飞行器能够实现稳定的飞行和悬停，成为现代航空领域的重要应用之一。
四轴飞行器运动控制系统设计和仿真
四轴飞行器运动控制系统设计和仿真随着科技的发展，四轴飞行器这种机器在日常生活中变得越来越常见。
从无人机的航拍、救援到消防，四轴飞行器的应用越来越广泛。
但是，控制飞行器的姿态和运动依然是一个挑战。
这里将对四轴飞行器的运动控制系统进行设计和仿真。
1. 系统分析先对四轴飞行器进行简单的系统分析。
四轴飞行器有四个电机，每个电机都有一个螺旋桨。
通过改变电机的转速和螺旋桨的旋转方向，可以控制飞行器的姿态和运动。
四轴飞行器有三个自由度的旋转运动，分别是偏航、俯仰和横滚，还有三个自由度的平移运动，分别是上下、左右和前后。
控制这些运动需要一个运动控制系统。
运动控制系统分为两部分：飞行器的传感器和飞行控制器。
传感器用于测量飞行器的状态，例如角速度、角度和线性加速度等。
飞行控制器根据传感器的数据进行控制，以达到控制飞行器运动的目的。
2. 控制算法运动控制系统的重点在于控制算法。
幸运的是，我们可以使用开源的四轴飞行控制器（例如 Pixhawk 和 APM）来控制飞行器。
这些控制器具有成熟的控制算法，可实现飞行器的稳定飞行和自动飞行。
在四轴飞行器的运动控制中，最重要的算法是控制飞行器的姿态。
姿态控制是通过测量三个轴上的角度和角速度实现的。
姿态控制经常使用 PID 控制器。
PID 控制器使用比例、积分和微分三个控制项来控制飞行器的姿态。
3. 系统设计接下来，我们将设计一个四轴飞行器的运动控制系统。
这里主要讨论的是控制器的硬件和软件设计。
3.1 硬件设计飞行控制器通常使用 Arduino 或者其他类似的微控制器。
这些微控制器轻便、可编程并且能够进行必要的计算。
除了微控制器，飞行控制器还应该包含其他必要的硬件，例如传感器、接收器和电池等。
传感器是测量飞行器状态的重要组成部分。
飞行器通常使用加速度计、陀螺仪和罗盘。
加速度计可以测量飞行器在三个轴上的线性加速度，陀螺仪可以测量飞行器在三个轴上的角速度，罗盘可以测量飞行器的方向。
接收器则负责接收运动控制器发出的指令，例如俯仰、横滚和油门等。
小型四轴飞行器运动学分析及控制系统设计
科技 一向导
◇ 科技创新◇
小型四轴飞行器运动学分析及控制系统设计
刘 骁 （ 东北林业大学机 电工程学院 黑龙江
哈尔滨
பைடு நூலகம்
１ ５ ０ ０ ４ ０ ）
【 摘 要】 本 文首先 简单介绍 了小型四轴飞行器的运动学模型 ， 然后分析并设计飞行器飞行位姿检测 电路 ， 并在最后分析介绍 了飞行器 的 控制算法设计。 【 关键词】 四轴飞行 器； 运动学 ； 位姿检 测； 飞控算法
功能。Ｍ Ｐ Ｕ 一 ６ ０ ５ ０ 为全球首例整合性 ６ 轴运动处理芯片 。 相 较于多组 可以有效避免组合 陀螺仪与加速器时之轴 间差 的问题 。 同时 四轴飞行器 为多轴飞行器的一种 ， 是近些 年来新兴 的热 点之 一。 件方案 ． Ｐ Ｕ 一 ６ ０ ５ ０ 内置 ３ 轴 陀螺仪 、 ３ 轴加速器 ， 并可 其机翼固定在机架 的四个角 ． 按照机架 的形状可 以分为 十字型和 ｘ 字 能够进一步节省空 间。Ｍ 型。 以通过第 二个 Ｉ ２ Ｃ端 口连接其他传感器 ． 然后通过主 Ｉ ２ Ｃ 端 口以单一 相对于固定翼 飞行器 ， 多轴飞行器具有空中动作灵 活 ， 反应迅速 ， 数据流的形式 ． 向控制器输出 ９ 轴信号 。 数字罗盘 的的作用是根据测量得 到的地 磁场在飞行器 三个 轴向 可悬停等特点。 计算 当前 飞行器的航 向． 通过后 面的数据融合算法校 正陀 目前 四轴飞行器的设计 与控制正在 日渐成熟 ． 更多 的人正在致力 上 的分量 ． 螺仪 ｚ 轴的偏差。本 系统选用 Ｈ Ｍ Ｃ ５ ８ ８ ３ Ｌ作为数字罗盘 ． 该芯片内置 于四轴飞行器的小型化设计制作 低 噪声 Ａ Ｍ Ｒ传感器及 １ ２ 位 Ａ Ｄ ， 测量 范围可达＋ ８ Ｇ ｓ 。 数据 输 出频 率 ２ ． ， Ｊ 、 型 四轴 飞 行 器 动 力 学分 析 ６ ０ Ｈ ｚ ． 其接 Ｅ ｌ 为Ｉ ２ Ｃ 小 型四轴 飞行器控制 的基 础是对其进行运动 学建 模 四轴飞行 可达 １ 上述两个芯片即为位姿检测单元传感器 ． 主控芯片读取传感器数 器 的按 照结构可 以分为 ｘ型与十字 型两类 ． 本 文的论述仅针 对十字 据进行处理后即可得到实时的位姿信息 。 型。 主控制器负责飞行 器的姿态解算算法 、 飞行控制算法的计算以及 四只旋翼分为顺时针与逆 时针两组 ． 位于 同一杆上 的两只旋翼为 同组旋翼 。 通过调整四只旋翼 的旋转速度 ， 为飞行器提供不 同的力 ， 从 人机交互程序的运行 因此 ． 主控芯片应具有较 高的运算速度 ， 较高的浮点数运算精度 ， 而实现飞行器的控制。 比如 ， 四只旋翼转速相 同时可 以实现飞行器 的 Ａ Ｍ与 Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ 空 间。同时 ， 考虑到飞行器端为 电池供 电 ， 且对 悬停 动作 ： 等量增大或减小 四只旋翼的转速时 。 可 以实现飞行器 的上 足够的 Ｒ 因此主控 芯片的功耗应较低 ， 且封装应尽可能小 。 升或下降动作 ：增大某一旋翼 的转速 的同时减小 同组旋翼 的转速 ． 可 质量 与体积有要求 ， 综上选取 Ｓ Ｔ Ｍ ３ ２ Ｆ １ ０ ３ Ｃ ８ 作为主控芯片 。该芯片是 Ｃ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ — Ｍ ３内核 的 以实现俯仰动作 ： 增大某一组旋翼转速 的同时减小另外一组旋翼 的转 高性 能 ３ ２ 位Ａ Ｒ Ｍ处理器 ． 支持 Ｔ ｈ ｕ ｍ ｂ 一 ２ 指令集 ． 内置 向量 中断控制 速． 则可产生偏航动作。 Ｖ Ｉ Ｃ ． 是 面向嵌入式的一款控制器 。该芯片的最高主频 为 ７ ２ ＭＨ ｚ ． 运动学模型 为简化后的模型 ． 假设 飞行器平行 于水平 面。定 义笛 器 Ｎ 具有 １ ． ２ ５ Ｄ Ｍ ｉ ｐ ｓ ／ ＭＨ ｚ 的指令执行效率 ． 满足 系统对 于计算速度 与浮点 卡尔坐标 系 Ｂ为物体 坐标 系 ， 其 坐标轴分别为 ｘ ． ｖ ＇ ｚ 轴 定义笛卡尔 数计 算精 度 的要求 该 芯 片片 内集成 了 ６ ４ Ｋ的 Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ以及 ２ ０ Ｋ的 坐标系 Ｅ为大地坐标系 ， 其坐标轴分别 为 ｘ ， Ｙ， ｚ轴。 Ｒ Ａ Ｍ存储器 。 足 以存储位姿解算算法 、 控制算法 的代码 以及计算过程 设绕ｘ ， Ｙ ， ｚ 轴旋转 ｘ ， Ｙ ， ｚ得到的欧拉角矩阵 ＠ ＝ ｅ ］ Ｔ ，进行整 中产生的大量数据 。且该芯片 的片 内资源很丰富 ， 具有 ３ ７ 个独立 １ ０ 理后可得各坐标轴 的变换矩阵 Ｒ ｘ ， Ｒ ｖ 。 Ｒ 卫 。 口， ３ 个 独立 的 Ｕ Ａ Ｒ Ｔ 模块 ． ２ 个Ｉ ２ Ｃ 模块。 ２ 个 １ ２ 位模 数转 换器 ， 足 则物体坐标 系到大地坐标系的变换矩阵为： Ｒ ＝ Ｒ ｚ ． Ｒ ｙ ． Ｒ ｘ 够满足控制系统对 主控芯片资源的需求。 同时该芯片是一款低功耗芯 由于多旋翼 产生 的力与力矩之间存在较 大耦合性 ． 故本文按照理 片， 最 高主频下 工作电流仅 ３ ６ ｍ Ａ 。 其 封装 为 Ｌ Ｑ Ｆ Ｐ ４ ８ ． 满 足飞行器 的 想条件下 ． 及 飞行器保持水平状态进行力学分析 。设推力 Ｔ为四旋翼 小体积要求。 的升力总和 ， 则飞行器受力 Ｆ Ｂ为 Ｆ Ｂ ＝ ： 『 Ｏ ０， Ｉ １ ４ ． 控制算法介绍 Ｋ为空气阻力系数 ． 低速情况下可忽略不计 小型 四轴飞行器控制算 法可分为位姿解算 、 飞控解算 、 通讯 三部 ３ ． 控制 系统方案分 析 分 ．其 中位姿解 算与 飞控算 法是 影响 飞行器 飞行可 靠性 的关键 因 四轴飞行器 分为遥控装置与飞行器部分 素。 遥控装置为遥控器 与无线信号收发模块 两个部分 遥控器提供操 传感器在测 得飞行器 的瞬时角速度后 ． 通过方 向 余 弦演化公式的 作界面 ． 在检测到操作人 员的控制指令后 ． 遥控器对信号进行 编码并 计算 ， 即可得到当前 时刻飞行器的姿态信息。 但是 ， 任何传感器采集电 发送至飞行器端 。 无线信号收发模块仅提供无线信号收发 以及无线转 路都会存在误差 、 噪声 、 温漂等情况 ． 因此单纯的方 向余弦演化公式无 其他接 口的功能 ． 从而使操作人员可以其他终端 的上位机软件控制飞 法长时 间保证位姿数据的准确性 ． 故需要对三个传感器获得的数据进 行器 以及监测飞行器状 态 行数据融合处理 。 常用 的方法有卡尔曼滤波以及互补滤波 陀螺仪 的 飞行器控制部分的功能包括 ： 主控单元 、 飞行器位姿检测单元 、 电 响应速度快 ． 但 是会受到零点 温漂产生 的低频干扰 ： 加 速度传感器用 机及其驱动 、 无线信号收发、 电源。 飞行器位姿检测单元 的精度直接影 于测量重力加速 的矢量 ．但是会受到飞行器振动引起 的高频干扰 ： 数 响飞行器 的飞行状态 ． 故下文将对该单元进行详细介绍 字 罗盘测量地磁矢量 ， 数据测量较准确 ， 但是易受到电磁干扰。 由此可 位姿检测单元 由三轴陀螺仪 、 三轴加速度传感器 、 三轴陀螺仪 以 知三种传感器信号测量相同的量在频域 内特性互补 ． 故可采用互补滤 及数据处理芯片组成。 该单元 固连于飞行器的中心 。 跟随飞行器运动 ， 波器进行数据处理。互补滤波器的计算公式为 ： 从而实现实时准确地采 集飞行器 的姿态 、 飞行速度 、 航向等数据 。 若控 制器 的主控芯片性能较好 ，则可 以数据处理部分可 由主控芯片完成 ： Ｑ ＝ ｒ ｎ ＋ Ｐ Ｊ ∞ ｊ ＋ Ｊ ∞ ｄ ｔ ＋ ｋ Ｄ ２ ２ 十 ｆ ∞ ２ 若 主控芯片功能不是足够强大 ． 则此处应保留数据处理芯片。 其 中 ｎ表 示校正后的角速度矢量 ， ∞ 、 （ １ ） 为数字罗盘测量 的矢量 陀螺仪的作用是检测飞行器 的 ｘ 、 ｙ 、 ｚ 三个轴的角速度。常见陀螺 与估算矢 量的偏差及加速度 传感器测量 的重力加 速度与估算矢量 的 仪 可以分 为机械 式陀螺仪 、 声学 陀螺 仪 、 光学陀螺仪 和微机电系统陀 偏差 。ｎ 为陀螺仪测量得到的载体 坐标系 内的角速度矢量。 螺仪 。 根据 四轴飞行器的需求 。 选择微机 电系统陀螺仪 ． 该类 型陀螺仪 位姿 解算 算法 的功 能即根据计算得到 的公式 对传感器输人数据 具有体积小 、 成本低 、 使用方便 等特点 。 加速度传感器的功能是测量重 进行处理 ． 并最终得到可用的位姿状 态信息 。 力加速度在飞行器 ｘ ， ｙ 、 ｚ 三个方 向上 的分量 在较成熟的控 制系统设 ５ ． 结 论 计方案 中， 通过位姿解算算法进行数据融合 ． 校正 陀螺仪 的偏差 ， 得 到 从 上文不难看 出． 小 型四轴飞行器 的机械 结构 比较简单 ． 控制电 准确的俯仰角与横滚角 路受限于飞行器 的体积与质量要求 ， 也尽量简单 化 、 小型化。同时 ． 随 综合 以上 因素 ，选用 Ｍ Ｐ Ｕ ６ ０ ５ ０ 芯片来实现 陀螺仪 与加速度计 的 着传感 器技术 的发展 ， 一些功能可以由传感器直接完 （ 下转第 １ ３ ６ 页）
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。
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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。
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。
二、动力学原理
螺旋桨旋转时，把空气对螺旋桨的压力在轴向和侧向两个方向分解，得到两种力学效应：推力和转矩。
当四轴飞行器悬停时，合外力为0，螺旋桨的推力用于抵消重力，转矩则由成对的正桨反桨抵消。
当飞行器运动时，因为推力只能沿轴
向，所以只能通过倾斜姿态来提供水平的动力，控制运动由控制姿态来间接实现。
假设四轴为刚体，根据质点系动量矩定理，角速度和角加速度由外力矩决定，通过控制四个螺旋桨，可以产生需要的力矩。
首先对螺旋桨编号：第一象限的为0 号，然后逆时针依次递增，如图(2-1)。
同步增加0 号和1 号、减小2 号和3 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供x 轴的力矩；同步增加1 号和2 号、减小0 号和3 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供y 轴的力矩；同步增加1 号和3 号、减小0 号和2 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供z 轴的力矩。
以上“增加”和“减小”只是表明变化的方向，可以增加负数和减小负数，提供的力矩就沿对应轴的负方向了。
把三个轴的力矩叠加起来，就得到各螺旋桨功率变化与提供的力矩的对应关系，可以用一个矩阵等式表示，见式（2-1）。
T是螺旋桨的功率变化量，为4×1 矩阵，每行分别对应0 到3 号螺旋桨；m是力矩，为3×1 矩阵。
m x 、m y 和m z 是各轴的力矩系数，用于把力矩转换成功率变化量，具体数值与电机力矩特性、电机安装位置等有关。
（2-1）
各个电机实际输出的功率记为T output ，推力油门对应的功率量为T base ，则有：
T output = T base+ ∆T
图2-1。