小型四旋翼无人机组机方案
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计小型四旋翼低空无人飞行器综合设计一、引言近年来，随着科技的不断发展，无人飞行器成为了航空领域的热门研究课题。
小型四旋翼低空无人飞行器因其灵活性和机动性而备受关注。
本文旨在综合设计一种小型四旋翼低空无人飞行器，并对其关键设计问题进行探讨。
二、设计目标本次设计的小型四旋翼低空无人飞行器的设计目标如下：1. 具备良好的悬停稳定性，能够在低空进行稳定的悬停飞行；2. 具备较高的操控能力，能够完成复杂的机动动作；3. 具备一定的荷载能力，能够搭载各种传感器或设备，以实现不同应用场景的需求；4. 具备良好的安全性，能够应对紧急情况并自动返航。
三、机构设计1. 旋翼设计：选择合适的旋翼叶片尺寸、扭矩和旋翼转速，以实现所需的升力和推力，并保证飞行器的稳定性和机动性。
2. 机身设计：考虑到飞行器的结构强度和重量的平衡，使用轻质且强度高的材料，以实现飞行器的结构刚度和稳定性。
3. 电机设计：根据所需的推力和转速要求，选择合适的电机，并配置相应的驱动和控制系统。
四、控制系统设计1. 姿态控制：采用惯性测量单元（IMU）获取飞行器的姿态信息，通过PID控制算法实现稳定的悬停飞行和精确的操控。
2. 导航系统：利用全球定位系统（GPS）和陀螺仪传感器获取飞行器的位置和速度信息，实现精确的导航和定位。
3. 通信系统：设计一套可靠的数据传输系统，将飞行器采集到的数据传输到地面控制器，并接收指令以实现远程操控。
4. 紧急情况处理：设计一套自主判断机制，当飞行器遇到故障或紧急情况时，能够自动触发返航程序，确保飞行器的安全。
五、能源系统设计1. 电源选择：根据需求选择合适的电池类型和容量，以提供飞行器所需的电力。
2. 能效优化：通过优化电机和电子元件的功耗，减少能源的消耗，延长飞行器的续航时间。
3. 充电系统：设计一套快速充电系统，以提高电池的充电效率和充电速度，减少充电时间。
六、飞行器性能测试设计完成后，对飞行器进行性能测试，验证其实际飞行性能和稳定性。
四旋翼快递用无人机总体结构方案设计
湖北武汉
摘
Байду номын сангаас
要： 四旋翼 无人机 由于其机械 结构简单 ， 起飞 降落便捷 ， 维护 使 用方便 ， 已被 多个行业 广泛使 用。相 比航 拍、 巡检 等传 统
行业的无人机 ， 快递 无人机 结构 包括 ： 机 身、 控 制器 ， 燃料 贮存罐 ， 防水 电机与 旋翼 ， Ｇ Ｐ Ｓ系统模块 ， 物 品存 放柜。快递 用无人机 需 满足抗 恶劣天 气能 力强 ， 具有避 障性 ， 续航 时间长 ， 悬停稳 定等特性 ， 本 文从 以上 几个特性 出发 ， 经过设 计与仿真 ， 提 出的结构设 计
科技风 ２ ０ １ ７年 ６月上
科技创 新
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ９ ３ ９ ２ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ６ ７ １ － ７ ３ ４ １ ． ２ ０ １ ７ １ １ ０ ０ １
四旋 翼 快 递 用 无 人机 总 体 结构 方案 设 计
陈
武汉商学院
鑫
４ ３ ０ ０ ５ ６
方 案 能 基 本 满足 快 递 用无 人 机 的使 用要 求 。 关键词 ： 四旋翼 ； 快 递 用无 人 机 ； 续航 ； 稳 定
电力驱动噪声小但 是续航 能力较 油动 弱 ， 充 电耗 时较 长 ， 载 重 性较油动无人机 差 。军用 和 民用 的航 拍 、 监 察 、 环境勘 测等 飞 飞行器 ， 是结合 电机驱动 控制技 术 的一类产 品， 其按 照机翼 的 行任务对 于无人机 的使用 已经 常态 化 ， 目前对 于无人机 的动 力 结构可 以分为三 类 ： 固定翼 、 扑翼 和旋 翼 。旋翼 无人 机具 有程 源研究也是 国内外科研机构 的热点研究对象 。 序 控制的 自动飞行或 遥控半 自动 飞行 功能 ， 垂直 起 飞， 长 时间 稳 定悬停 ， 结 构简单 ， 方便携带等特征 ， 在军用及 民用等服务行 目前采用传 统蓄 电池的 电动无人机 与油动无 人机共 同的 业 被大量使用 。在 ９ Ｏ年代 日本 ， 美 国等 国家利用 无人 机进 行 缺点就是续航 时间有 限、 载荷量低 ， 动力 源更换和补充时间长 ， 军事航拍 ， 测绘， 农 业播种 ， 电力巡检 等作业 ， 当时无人机 属于 因而导致该类无 人机 的应用 受到 限制。随着新 型能 源如太 阳 燃料电池的发 展 ， 以及航 空蓄 电池能量 密度 的不断 提 技 术复杂 ， 价 格高 昂的设备 ， 随着我 国无人 机的快速发展 ， 硬件 能 电池 、 ｋ ｇ ， 选用 氢能作 为动力 燃 与软件 的开发和设计 、 电机 和控制器 技术 的进 步 ， 欧美 Ｅ ｔ 等 国 高 。快递无人机 的载运 重量设 定为 ５ 避免锂电池作为动 力 的续 航 时间不 足， 氢 能作 为可 以再 生 家的垄断被打破 ， 如今 我国的民用无人机企业 逐渐 占据 了世界 料 ， 能 源对 环境无影响 ， 低 碳环保 ， 而且 氢能燃料的添加时间较快 ， 前茅。 目前无人机产 品应用较 广 的有植 保无人 机 ， 安放无 人 机 ， 比锂 电池 的充 电效率高解决小型低 空电动无人 机长航时问题 ，
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
四旋翼无人机组装流程及注意事项
四旋翼无人机组装流程及注意事项下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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一种四旋翼航拍无人机的设计
德州学院机电工程学院吴玉兴陈祥毕思勇郭瑞唐炜当前我国民用航拍无人机的市场需 求量非常大，包括农业、林业、电力巡检、 火灾救援等各个领域，同时无人机航拍的 低门槛、低价格和易操作性，使得越来越 多的摄影爱好者加人无人机航拍队伍的 行列，增加了无人机市场的热度[1]。
但传统 的航拍无人机有许多缺点，如不能实时传 输画面、操作难度较高、电量不耐用等。
这 些缺点很容易造成用户的不愉快体验。
所 以我们设计改良了一种四旋翼航拍无人 机。
1设计方案采用四旋翼的飞行结构；利用无线 W IF I 传输信息;设计安装航拍无人机;设计调试飞控系统。
(1)采用四旋翼的飞行结构：四个旋翼产生的升力可以平衡飞行器的重力，通 过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的 平稳和姿态，使其正常飞行。
(2)利用无线W IF I 传输信息:航拍无人机利用无线W IF I 摄像头，将空中画面 实时传输给地面接收设备，用户可根据接 收到的信息发出下一步的飞行指令。
(3)设计安装航拍无人机:选用合适的四旋翼无人机配件，对四旋翼无人机进 行组装，使其与其他部分得到有机的结 合。
(4)设计调试飞控系统:设计飞控板，调试飞控系统，使飞控系统能够达到无人图1航拍无人机工作原理图2工作流程(1)控制部分：设计与调试飞控系 统，确保航拍无人机正常飞行。
所有的飞 行指令由遥控设备统一传送到飞行平 台。
(2)工作部分:接收到遥控设备的指 令后，航拍无人机的飞行系统启动，同时 航拍无人机的无线W IF I 摄像头开始工 作，拍摄的画面实时传输给地面接收装 置。
(3)实践部分:通过多次试飞，获得航 拍无人机的每一次试飞的飞行参数，进而 调整航拍无人机的飞行误差，使之达到最 佳飞行状态。
3技术关键图3 GPS 模块(1)飞控系统是无人机的核心[2]，而飞控系统最关键的是飞控板。
在飞控系统 中，飞控板的作用相当于无人机控制系统 的大脑，它可以对实时接收到的各个传感器的信号，通过各种姿态解算和融合算法，进行演算并生成各种控制命令作用于 无人机，使其按照既定的任务进行线路飞行并完成飞行任务[3]。
四旋翼无人机原理以及组装过程
四旋翼无人机原理以及组装过程1.硬件组成：机架，4个螺旋桨，4个电机，4个电调，1信号接收器，1个飞控板，1个稳压模块，一个电池•螺旋桨：四个螺旋桨都要提供升力，同时要抵消螺旋桨的自旋，所以需要正反桨，即对角的桨旋转反向相同，正反相同。
相邻的桨旋转方向相反，正反也相反。
有字的一面是向上的（桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致）•电机：电机的kv值：1v电压，电机每分钟的空转速度。
kv值越小，转动力越大。
电机与螺旋桨匹配：螺旋桨越大，需要较大的转动力和需要的较小的转速就可以提供足够大的升力，因此桨越大，匹配电机的kv值越小。
•电调：将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，控制电机的转速，同时给飞控板供电。
电调将电池提供的11.1v的电压变为3.3v为飞控板供电。
•信号接收器：接收遥控器的信号，给飞控板。
通过飞控板供电。
•遥控器：需要控制俯仰（y轴）、偏航（z轴）、横滚（x轴）、油门（高度），最少四个通道。
遥控器分为美国手和日本手。
美国手油门(摇杆不自动返回)，偏转在左，俯仰，横滚在右。
•飞控板：通过3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器控制飞行器的飞行姿态。
2.飞行原理1.1 PID控制（P:比例控制 I:积分控制 D:微分控制）：•比例控制：将控制器输入的误差按照一定比例放大•积分控制:但是处于稳态的系统也会有一定的误差，为了消除稳态下的误差，将稳态下的误差在时间上积分，积分项随着时间的增大会趋于0，因此积分减少了比例控制带来的稳态误差•微分控制：根据输入误差信号的变化率（微分）预测误差变化的趋势，避开被控对象的滞后特性，实现超前控制•参数调整：根据被控过程的特性不断调整PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小1.2运动原理四轴旋翼分为“+”和“x”型，“+”型飞控板的正前方是旋翼,“x”型飞控板正前方为夹角等分线。
如下图为“x”型四旋翼的飞行原理图。
•俯仰：绕y轴旋转，前低后高爬升,1,2转速减小，3,4转速增大，pitch 为负•横滚：绕x轴旋转，2,3转速增大，1,4转速减小，机体右滚，roll值为正•偏航：绕z轴旋转，假设2,4顺时针，1,3逆时针，当2,4转速增大，1,3转速减小时，机头右偏，yaw值为正•垂直：调节油门大小，四个旋翼的转速同时变大或者变小pitch yaw roll值分析：•俯仰角（pitch）：正半轴位于坐标原点的水平面之上（抬头）时，俯仰角为正，否则为负•滚转角（roll）: 机体向右滚为正，反之为负•偏航角（yaw）：机头右偏航为正，反之为负3.遥控器的使用•模式设置：固定翼模式/直升机模式（四轴飞行器为固定翼，靠螺旋桨提供升力）•解锁: 油门最低，方向舵最右，副翼（横滚）最右。
我国军用小型多旋翼无人机设计工艺
我国军用小型多旋翼无人机设计工艺一、引言军用小型多旋翼无人机在现代战争中扮演着重要的角色，具有侦察、目标定位、打击等多种功能。
设计一款高性能的军用无人机需要考虑到飞行性能、作战载荷、飞行稳定性等方面的要求。
本文将介绍我国军用小型多旋翼无人机的设计工艺。
二、需求分析1. 飞行性能：军用无人机需要具备较高的速度和操控性，以便快速响应作战需求。
2. 作战载荷：无人机需要携带各种传感器和武器装备，如红外相机、雷达系统、导弹等。
3. 飞行稳定性：无人机在飞行过程中需要保持良好的稳定性，以确保传感器和武器装备的准确运作。
三、初步设计1. 结构设计：根据需求分析，采用四旋翼结构，具有较好的操控性和稳定性。
2. 材料选择：采用轻质高强度材料，如碳纤维复合材料，以提升飞行性能和载荷能力。
3. 动力系统：选择高效的电动机和锂电池组合，以提供足够的动力和续航能力。
4. 控制系统：采用先进的飞行控制系统，包括惯性测量单元、姿态传感器和飞行控制器，以实现精准操控和稳定飞行。
5. 通信系统：配备高速、稳定的数据链路，以便与地面指挥中心进行实时通信和数据传输。
四、详细设计1. 结构设计（1）机身设计：采用轻质材料制造机身，具有良好的强度和刚性。
考虑到作战载荷需求，机身应具备一定的承载能力，并设置适当的安装接口。
（2）旋翼设计：根据飞行性能要求，确定旋翼直径和叶片数目。
选用高效推进器和可调节叶片角度，以提升飞行效率和操控性能。
2. 动力系统设计（1）电动机选择：根据无人机整体重量和预期速度要求选择合适的电动机。
考虑到军用需求，电动机应具备高功率输出和可靠性。
（2）电池组合选择：根据无人机的续航需求和电动机功率要求选择合适的锂电池组合。
考虑到军用环境，电池组合应具备高能量密度和安全性。
3. 控制系统设计（1）姿态传感器：采用陀螺仪、加速度计等传感器，实时监测无人机的姿态变化。
（2）飞行控制器：根据姿态传感器的数据，实时计算控制指令，并通过电调控制电动机转速，以保持无人机的稳定飞行。
微型四旋翼控制系统设计
微型四旋翼控制系统设计0 前言无人飞行器（UAV）自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如：侦察与营救任务，科学数据收集，地质、林业勘探，农业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等。
通过无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。
无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。
而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。
由国际无人运输系统协会(International Association for Unmanned Vehicle Systems）组织的一年一度的国际空中机器人竞赛(International Aerial Robotics Competition),为自主旋翼式飞行器的应用潜力研究提供了一个很好的展示平台。
该竞赛吸引了来自全世界不同国家研究团队的参与，来完成预先设定的自主飞行任务。
在无人飞行器自主飞行的众多技术当中，飞行器自主飞行控制算法的设计一直是控制领域众多研究者最关心的问题之一。
经典的控制策略在飞行器系统的某个特定作用点上往往首先将系统模型线性化，然后在此基础上运用经典控制理论对系统进行分析和控制，控制精度和控制能力偏弱。
相比之下，运用现代非线性控制理论设计的控制算法，其性能明显优于经典控制算法。
小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制，且飞行机动能力更加灵活。
另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有在小区域范围内起飞，盘旋，飞行，着陆的能力。
飞行器可以飞至离目标更近的区域，而不像传统直升机由于其巨大的单旋翼而不能近距离靠近目标。
同时，小型四旋翼飞行器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。
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小型四旋翼无人机组机
方案
公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
一、小型四旋翼无人机总体架构
典型的小型四旋翼无人机，一般由机械部分（机架），动力部分（包括电机、电子调速器、电调连接板、桨叶、电池），电子部分（包括飞控板、通信模块、遥控器接收机、PPM编码板）组成。
（一）机械部分
机架
考虑到编队飞行对实验室空间的要求，希望机架能够尽量的小。
根据与蔡国伟老师对电机与桨叶（后文提到）的搭配进行讨论后，决定将机架的大小设定为轴距255mm，边距180mm（由6寸桨的大小决定）。
1，底板 2，中间机架板
3，顶板
整个机体由底板、中间机架板、顶板连接而成（通过尼龙螺柱和螺丝）；底板安置电池、xbee模块、遥控器接收机、电调连接板，中间机
架板安置4个电调、pixhawk飞控板，顶板用于安置定位系统标记点（同时起到保护、隐藏pixhawk飞控板及走线的作用）；为便于安装，所有开孔、镂空均根据拟选器件匹配设计；拟采用碳2mm厚3K纤维板加工。
另设计四个保护罩如下（可用于避免桨叶受损或伤人）：
4，保护罩
（二）动力部分
（1）电机
一般而言，小型四旋翼无人机（轴距250mm左右）选用KV2000左右（配5-6寸桨）的电机。
经过对比讨论后，拟选用飓风D2206 KV1900无刷直流电机（配6寸桨）。
之所以选用这款电机是因为这款电机能够提供较大的拉力，同时该电机的工作电流处在一个比较小的区间，单个电机重量仅为。
飓风D2206 KV1900参数表
飓风D2206 KV1900实物图
（2）电子调速器
电子调速器用于驱动无刷直流电机，比较重要的参数是工作电流，刷新频率，重量。
一般而言，市面上可售的大部分电子调速器的刷新频
率都大于400hz，符合要求。
根据上文所选电机的工作电流，综合考虑重量要求，与蔡国伟老师沟通后，拟选用好盈XRotor-10A电子调速器。
好盈XRotor系列电子调速器参数表
好盈XRotor-10A电子调速器实物图
（3）电调连接板
电调连接板，其本质为一块电源配电板，用于简化电池与电调、电调与飞控之间的电气连接，同时可以避免导线拆装时的反复焊接。
电调连接板
电调连接板与电调连接图
（4）桨叶
桨叶与电机的搭配主要是从机架大小、能否提供足够动力这两方面进行考虑。
由于希望设计体型较小的机架（以便给室内编队飞行提供更大的机动空间），因此只考虑5寸桨、6寸桨。
经过调研，发现搭配5寸桨时，整机起飞重量在500g以下时较为合适。
考虑到本次将要设计组装的小型四旋翼无人机的起飞重量在600g左右，在与蔡国伟老师交流后，决定选用6寸桨。
根据蔡老师建议，桨叶的调衡和材质直接决定性能，因此需要多购入几款桨叶进行测试。
6寸桨
（5）电池
现在几乎所有的四旋翼无人机都使用锂电池，主要考量电池的容量、放电速率、自身重量。
综合考虑后，电池拟选用ACE格瑞普2200mAh 锂电池，充电倍率20C，重量186g，尺寸25mm*34mm*105mm。
ACE格瑞普2200mAh锂电池
（三）电子部分
（1）飞控板
飞控板是四旋翼无人机的核心电子部件。
考虑到嵌入算法的需要，拟选用开源飞控板。
开源飞控领域影响比较大的就是3d robotics公司生产的APM和Pixhawk。
其中APM的由开源社区设计与维护（硬件与软件均为开源），Pixhawk是由苏黎世联邦理工学院牵头的一个开源项目（硬
件与软件均为开源），致力于为学术研究、业余爱好、工业用途提供低成本、高性能的自动驾驶仪。
Pixhawk的硬件部分明显地要比APM强大，同时其软件部分采用了Nuttx实时操作系统，专业性更强，因此拟选用Pixhawk飞控板。
Pixhawk与APM硬件对比
（2）通信模块
在对比了数传电台、蓝牙、zigbee以及wifi这四种通信机制后，摒弃了蓝牙、数传电台（组网比较困难），留下zigbee和wifi作为预选。
其中zigbee的延时较短，因此优先选用zigbee。
拟选zigbee模块为xbee Pro S2B。
xbee Pro S2B
（3）遥控器接收机
为了便于调试，需要在无人机在上安装一个遥控器接收机，用于实现无人机的手动/自动切换，因为实验室现有一个天地飞WLFY的遥控器发射机，所以拟选用对应的遥控器接收机。
遥控器接收机的输出信号要传递给飞控板；但其输出信号有8路，而飞控板只有一个PPM接口，因此需要用到PPM编码板将8路信号合成1路，再传递给飞控板，飞控板本身具有解码功能。
遥控器接收机 PPM 编码板
二、预算表
由上述部件组装成的无人机
三、其它
1．还没算遥控器发射机，我们用的是“天地飞8通道遥控器”，好像得七百多块钱吧
2．机架是找人加工的
3．中国做四旋翼无人机比较有名的一家公司
4. 淘宝上比较好的店家
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