四旋翼飞行器初步讲解
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。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种具有四个独立旋翼的飞行器，也被称为四轴飞行器。
它采用借助电子设备来保持平衡和方向飞行，是一种近年来非常流行的飞行器类型。
四旋翼飞行器飞行控制技术是指通过控制器、传感器和电动机等设备来实现飞行器的稳定飞行和精确控制。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，包括传感器、飞行控制器、电机及螺旋桨、遥控器等方面。
一、传感器四旋翼飞行器的传感器是实现飞行控制的基础，它主要包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等。
加速度计用于测量飞行器的加速度，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。
这些传感器可以实时地将飞行器的状态信息传输给飞行控制器，从而帮助控制器实现飞行器的稳定飞行和精确控制。
二、飞行控制器飞行控制器是四旋翼飞行器的大脑，它通过接收传感器传来的信息，计算飞行器的状态，再根据飞行器的状态信息来控制电机的转速和螺旋桨的转动角度，从而实现飞行器的稳定悬停、方向飞行、姿态调整等功能。
目前市面上比较常见的飞行控制器有OpenPilot、Pixhawk、Naze32等，它们都能够提供强大的飞行控制功能，同时还支持GPS导航、航点飞行、自动返航等高级功能。
三、电机及螺旋桨四旋翼飞行器通常采用无刷电机驱动螺旋桨进行飞行，电机及螺旋桨的选择直接影响飞行器的性能和稳定性。
在选择电机时需要考虑电机的功率、转速、推力、以及电机的重量和尺寸等参数，同时还需要考虑螺旋桨的直径、螺距、材质等参数。
合理的电机及螺旋桨搭配可以为飞行器提供足够的推力和稳定性，从而保证飞行器的良好飞行表现。
四、遥控器遥控器是飞行器的操控装置，通过遥控器可以实现飞行器的起飞、降落、悬停、前进、后退、左转、右转等操作。
目前市面上比较常见的遥控器有Futaba、FrSky、Spektrum等，它们都能够提供可靠的无线控制信号，从而保证飞行器的操控精准和稳定。
在实际的飞行控制中，通常采用PID控制算法来实现对飞行器的姿态调整和稳定飞行。
四旋翼飞行器PPT学习教案
会计学
1
一、什么是四旋翼飞行器
四旋翼飞行器，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，如图1.1和图1.2所示。
图1.1 我校计算机毕业生组装的四 图1.2 香港银辉公司制造的X-UFO
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三、四旋翼飞行器的应用及发展前景
1、军事领域 可用于侦查、监视、搜索、诱饵、干扰、图像传输、
对地攻击和编队作战等。由于受到各方面技术的限制， 一些难度系数比较大的任务还在研究当中。不过，我们 已经可以看出四旋翼飞行器在军事领域的重要地位了。
2、民用领域 可用于森林防火、航拍、测绘、电力线检测、灾
倒飞、侧飞及定点360度旋转等，可控性强，机动灵活。 由于四旋翼飞行器体积小，能够在非常狭小的空间中进行 飞行，并且产生的噪音也非常小，隐蔽性好。
2、能源利用率高 四旋翼飞行器所有需要供能的组件均为电子设备，直接
采用电能供电比油动型的飞行器的能源利用率要高很多， 而且还更加环保。
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3、安全性高 四旋翼飞行器通过四个旋翼产生动力，相对于单旋翼
区勘测、交通及治安监控等，相对军事领域用途，民 用技术难度降低，需求也较为单一，前途一片光明。
就目前的技术而言，航拍为民用领域最为火爆的 用途。如果操控技术练习纯熟后，甚至可以拍摄一部 《鸟瞰新重邮》出来。
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的直升机较高的转速而言，有效地降低了每个旋翼的最 高转速，再加上本身的重量较轻，在动力和结构两方面 的设计优势，使得飞行器对人及周边环境的破坏性较弱 。
4、续航时间短 四旋翼飞行器由电机驱动，飞行时就由电池供电，但
四旋翼飞行器结构
四旋翼飞行器结构1. 概述四旋翼飞行器是一种利用四个对称排列的旋翼进行垂直起飞、悬停和操纵的飞行器。
其优势包括垂直起降、悬停能力强、灵活机动、飞行稳定等。
在无人机领域中，四旋翼飞行器已经得到了广泛应用，如航拍摄影、应急救援、农业植保等。
2. 结构组成四旋翼飞行器的结构组成主要包括机身、四个旋翼、电池、控制系统等组件。
2.1 机身四旋翼飞行器的机身是整个飞行器的主体部分，起到支撑和连接其他组件的作用。
通常由轻质材料制成，如碳纤维、玻璃纤维等，以提高飞行器的强度和降低重量。
机身的设计通常考虑空气动力学性能、结构强度和易制造性。
2.2 旋翼四旋翼飞行器通过四个对称排列的旋翼进行飞行。
旋翼包括电动机、螺旋桨和支撑梁等部分。
电动机作为旋翼的动力源，驱动螺旋桨旋转产生升力。
螺旋桨通过变化旋转速度和角度来控制飞行器的悬停、升降、前进、转向等动作。
支撑梁连接旋翼和机身，起到支撑和传递动力的作用。
2.3 电池四旋翼飞行器的电池是提供动力的重要组成部分。
通常使用锂电池作为飞行器的能源来源，具有高能量密度和长飞行时间的优势。
电池的选择应考虑飞行器的重量和飞行时间的需求，并且要遵循安全使用和充电的原则。
2.4 控制系统四旋翼飞行器的控制系统包括飞行控制器和遥控器。
飞行控制器是飞行器的大脑，通过接收遥控器的信号和传感器的数据，计算出飞行器的状态和控制指令，并控制旋翼的转速和角度。
遥控器是操作飞行器的手持装置，通过无线信号与飞行控制器进行通信，传输操纵指令。
3. 工作原理四旋翼飞行器通过控制旋翼的转速和角度来产生升力和推力，从而实现飞行。
通过改变旋翼的转速差异，可以实现飞行器的前进、转向和悬停动作。
飞行控制器根据遥控器输入和传感器反馈的数据，计算出适当的转速和角度，并通过电调调节电动机的输出，控制旋翼的运动。
4. 稳定性控制四旋翼飞行器的稳定性控制是实现飞行器平稳飞行的关键。
通过加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器，飞行控制器可以感知飞行器的姿态和运动状态。
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。
四旋翼飞行器的工作原理
四旋翼飞行器的工作原理
四旋翼飞行器，作为一种无人机类型，由四个电动马达驱动，每个马达带动一
个螺旋桨，通过旋转螺旋桨产生的升力和推力来实现飞行。
在四个螺旋桨的作用下，四旋翼飞行器可以进行上升、下降、前进、后退、向左、向右移动等各种飞行动作。
结构组成
四旋翼飞行器的主要结构包括机架、电机、螺旋桨、飞控以及电池等部件。
其中，电机和螺旋桨的组合负责提供飞行器的动力，飞控系统则控制着电机的转速，从而操控四旋翼飞行器的姿态和飞行方向。
工作原理
四旋翼飞行器的工作原理主要是通过控制四个电动马达的转速，来调节四个螺
旋桨产生的推力大小和方向，在空气中形成动力平衡，从而实现飞行。
当四个电动马达以相同的速度旋转时，四旋翼飞行器将悬停在空中；当电机转速有所不同时，四旋翼飞行器就会产生倾斜，从而实现前进、后退、向左或向右移动。
升力和推力
四旋翼飞行器的飞行靠的是螺旋桨产生的升力和推力。
当四个螺旋桨以适当的
速度旋转时，它们将向下推动大量的空气，产生向上的升力。
通过协调四个螺旋桨的转速和方向，四旋翼飞行器可以在空中保持平衡，实现稳定的飞行。
飞控系统
飞控系统是四旋翼飞行器的大脑，负责控制电机的转速和姿态，以实现飞行器
的稳定飞行。
飞控系统通过传感器感知四旋翼飞行器的姿态和环境信息，然后通过内置的控制算法计算出最优的控制指令，控制电机的运行状态，确保飞行器能够稳定飞行。
结语
总的来说，四旋翼飞行器的工作原理是通过控制螺旋桨产生的升力和推力来实
现飞行。
通过合理设计机身结构和配备飞控系统，四旋翼飞行器能够实现各种复杂的飞行动作，是一种十分便捷和灵活的无人机类型。
四旋翼飞行器无人机结构和原理
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。
2.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。
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理 不如PID控制策略。
四旋翼飞行器初步讲解
串级PID控制器的原理及优点
串级控制系统的典型结构图如图1所
示，系统中有两个PID控制器称为副调
节器传递函数，包围的内环成为副回
控 制 原 理
路。称为主调节器传递函数，包围的 外环称为主回路。主调节器的输出量 作为副回路的给定量。相对单环PID其 优点是将干扰加到副回路中，由副回 路控制对其进行抑制。副回路中参数
平姿态等各种导航信息。
四旋翼飞行器初步讲解
1、欧拉角法
飞
行
姿
态
的
表
示
cos cos cos sin sin sin cos cos sin cos sin sin
方 R sin cos
sin sin sin cos cos
sin
sin
cos
sin
cos
法 sin
cos sin
cos cos
求婚
四旋翼飞行器初步讲解
动 力 原 理
四旋翼飞行器初步讲解
垂直运动
俯仰、翻滚运动
偏航运动
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捷联式惯性导航
姿
态
捷联式惯性导航系统是把惯性元件,即
检 陀螺仪和加速度计固定在运机体上, 分别测
测 量运机体相对惯性空间的三个转动角速度和
原 三个线加速度沿运机体坐标系的分量,经过
理 计算,得到运机体的位置、速度、航向和水
整合性6轴运动处理组件；
MPU-6050 整合了 3 轴角速度和 3
姿
轴加速度传感器， 免除了组合陀螺仪与 加速计时存在的轴差问题，减少了大量
态
的包装空间。
传
其具备较低功耗：陀螺仪工作电流 5mA，待机电流仅 5uA；加速计工作电
感
流 500uA，在 10Hz 低功耗模式下仅
器 模
40uA。 陀螺仪和加速计都具备 16 位 ADC
同步，接口采用可高达 400kHz 的快速
块
模式 IIC。 具备较小的 4mm*4mm 的 QFN 封
装，减少占据面积；
根据各传感器不同的特点有不同的融合算法得到欧拉角。 如互补滤波、卡尔曼滤波。
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国际相关研究都着重进行了姿态
控制器的设计与验证，结果表明：尽
控 制 原
管采用非线性控制律能够获得很好的 仿真效果，但由于对模型准确性有很 强的依赖，以及受到嵌入式平台的处 理能力的限制，其实际控制效果反而
的变化，由副回路给予控制，对被控
对象的影响大为减弱。副回路的惯性
由副回路给予调节，因而提高了整个
系统的响应速度。
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R1(s)
+_
R2(s)
Gc1(s) U2 + -
控 制 原 理
Gc2(s)
D2(s)
+
+
Y2(s)
Y1(s)
G2(s)
G1(s)
PID2 PID1
总 体 结 构 设 计
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1、角速度传感器
姿 态 传 感 器
MEMS陀螺仪原理
t
0 dt 0
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2、加速度传感器
姿 态 传 感 器
arctan( arctan(
ax2
a
2 y
),
arctan(
az
ax )
a
2 y
az2
ay ) ax2 az2
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设计采用 InvenSense 公司生产的
四旋翼飞行器初步讲解
地面监控计算机 地面监控系统
USB转接模块 无线通信模块
无线通信模块
机载控制系统
I/ O
传 感 I/O 器 模 块
MCU主控制器
驱 PWM 动
单 池
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上 位 机 界 面
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实际选材介绍
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2、四元数法
飞
刚体绕固定点的任一位移，可由绕通过此点
行 的某一轴转过一个角度而得到。 姿 用来表示3D物体的方位及旋转。
态
的
表
示
方
法
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常见的姿态测量器件有角速度计、加速 度计、磁力计、气压计，超声波传感器和 GPS 等等。
基于MEMS技术的加速度传感器和陀螺 仪具有抗冲击能力强、可靠性高、寿命长、 成本低等优点，是适于构建姿态检测系统的 惯性传感器。
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主 讲 人： 指导老师：
四旋翼飞行器初步讲解
一、研究背景 二、动力原理 三、姿态检测原理 四、控制算法 五、实际选材介绍
四旋翼飞行器初步讲解
研
固定翼型微飞行器
究
背
景
扑翼型微飞行器
旋翼型微飞行器
四旋翼飞行器初步讲解
四旋翼飞行器初步讲解 早期的四旋翼飞行器
四旋翼飞行器初步讲解
随着MEMS技术的发展，四旋翼飞行器得 以小型化、微型化
四旋翼飞行器初步讲解
输电线路巡查 顺丰无人快递
环境监测 空中航拍
四旋翼飞行器初步讲解 用于建筑物内勘测
四旋翼飞行器初步讲解 多智能体集群协作，空中壁障
四旋翼飞行器初步讲解
德国crazy开源微型四旋翼
国内某大学微型四旋翼飞行器
四旋翼飞行器初步讲解