四旋翼无人飞行器设计学习笔记
四旋翼无人飞行器设计
四旋翼⽆⼈飞⾏器设计分类号密级UDC学位论⽂四旋翼飞⾏器建模与控制⽅法的研究作者姓名：何嘉继指导教师：杨光红教授东北⼤学信息科学与⼯程学院申请学位级别：硕⼠学科类别：⼯学学科专业名称：导航、制导与控制论⽂提交⽇期：2012年6⽉论⽂答辩⽇期：2012年6⽉学位授予⽇期：2012年7⽉答辩委员会主席：井元伟教授评阅⼈：董久祥、常晓恒东北⼤学2012年6⽉A Thesis in Navigation Guidance and ControlModeling the Quad-rotor and ControlStrategy researchBy He JiajiSupervisor: Professor Yang GuanghongNortheastern UniversityJune 2012独创性声明本⼈声明，所呈交的学位论⽂是在导师的指导下完成的。
论⽂中取得的研究成果除加以标注和致谢的地⽅外，不包含其他⼈⼰经发表或撰写过的研究成果，也不包括本⼈为获得其他学位⽽使⽤过的材料。
与我⼀同⼯作的同志对本研究所做的任何贡献均⼰在论⽂中作了明确的说明并表⽰谢意。
学位论⽂作者签名：⽇期：学位论⽂版权使⽤授权书本学位论⽂作者和指导教师完全了解东北⼤学有关保留、使⽤学位论⽂的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论⽂的复印件和磁盘，允许论⽂被查阅和借阅。
本⼈同意东北⼤学可以将学位论⽂的全部或部分内容编⼊有关数据库进⾏检索、交流。
作者和导师同意⽹上交流的时间为作者获得学位后：半年□⼀年□⼀年半□两年□学位论⽂作者签名：导师签名：签字⽇期：签字⽇期：四旋翼飞⾏器建模与控制⽅法的研究摘要四旋翼飞⾏器是⼀种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式遥控⾃主飞⾏器。
它在总体布局形式上属于⾮共轴式碟形飞⾏器，与常规旋翼式飞⾏器相⽐，其特殊的机械结构与飞⾏动⼒学特性，在科技研究应⽤中有着重要意义。
本⽂以四旋翼飞⾏器为研究对象，主要在四旋翼飞⾏器的六⾃由度动⼒学建模，以及在此基础上实现系统⽋驱动控制的⾮线性控制⽅法的研究等两个⽅⾯展开了研究。
基于自适应控制的四旋翼飞行器设计与控制研究
基于自适应控制的四旋翼飞行器设计与控制研究随着现代科学技术的发展，基于自适应控制的四旋翼飞行器设计与控制研究已成为热门话题之一。
四旋翼飞行器作为一种无人机被广泛应用于救援、勘探、军事、电影等各个领域。
因此，研究如何设计合理的控制系统和提高飞行器的动态性能是非常关键的。
一、四旋翼飞行器结构四旋翼飞行器的结构非常简单，主要由四个电机、四个桨叶和一些基础电子器件组成。
四个电机各自控制一个桨叶，使得飞行器能够进行各种复杂的空中运动。
由于四旋翼飞行器的特殊安装方式，能够实现垂直起降，而不需要长距离滑跑。
然而，飞行器的运动性质以及它的空气动力学特性都是非常复杂的。
在飞行器飞行的时候，要具有很好的控制能力以及对各种复杂气流状况的适应能力。
这就要求我们设计出一种可以自适应控制的控制系统。
二、四旋翼飞行器控制系统而在现代无人机的设计中，控制系统的设计和表现是非常重要的。
四旋翼飞行器的控制系统主要分为两个部分:飞行器的运动控制和运动稳定。
飞行器的运动控制可以控制飞行器的位置、速度、姿态、平衡等。
运动稳定则可以保持飞行器在其所在的状态下，具备稳定性和不同的飞行模式。
基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统主要根据飞行器所处气流的不同状况进行各种调整和控制。
在这个过程中，程序会对飞行器的一些基本运动参数进行监控，如角速度、加速度和位置等。
当这些参数在特定范围内时，控制系统会自动调整以保持飞行器稳定。
如果飞行器遇到气流变化或者改变了飞行方向或高度，系统就需要根据不同的气流和飞行环境进行调整和控制。
三、基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统的设计基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统的设计非常关键，因为成功的飞行需要一个强大且自适应的控制系统。
为了达到这个目标，在设计时需要注意以下几点：1. 传感器选择：传感器用于测量飞行器的加速度、角速度和位置等参数，因此它们的准确性和精度非常重要。
2. 控制算法选择：控制算法是决定整个控制系统性能的关键因素。
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。
浅谈基于SolidWorks和ANSYS的一种四旋翼飞行器旋翼的设计及分
浅谈基于SolidWorks 和ANSYS 的一种四旋翼飞行器旋翼的设计浅谈基于SolidWorks 和ANSYS 的一种四旋翼飞行器旋翼的设计及分1、前言四旋翼无人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, 因其起飞降落所依赖空间小, 及姿态保持能力强等优点, 在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景。
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，四个旋翼的设计对四旋翼无人飞行器的最大载重和平衡性有着重要关系，由于我们无法直观的用肉眼分析旋翼设计是否能够满足要求，所以笔者采用ANSYS 对一种四旋翼飞行器的螺旋桨进行设计及分析，由于ANSYS 三维建模效率低，因此采用SolidWorks 进行设计后，再导入ANSYS 进行相关分析和处理。
2、旋翼模型建立及调用四旋翼飞行器螺旋桨主要是由SolidWorks 软件建立三维模型。
将模型体在SolidWorks 中另存为X_T 格式，然后启动ANSYS 软件，在对话框中导入四旋翼飞行器旋翼模型X_T 文件。
定义单元类型，采用三维实体单元，然后定义材料属性，定义弹性模量为 8.3 GPa，泊松比为0.28，密度为1180 kg/m3，接下来对旋翼模型进行网格划分。
再在模型上添加面1、面2 为固定面。
同时在xcomponent、y component、z component 三栏分别输入0。
在inertial中Rotation Velocity 栏中的magnitude 中输入参数60，即角速度60rad/s。
以螺旋桨中心孔的轴线为旋转轴。
在后处理阶段选择solution 工具栏的stress 中的Equivalent, 以观察等效应力。
选择solution 工具栏的strain 中的Equivalent, 以观察等效应变。
基于STM32的四旋翼飞行器设计
基于STM32的四旋翼飞行器设计四旋翼无人机是一种多轴飞行器，由四个电机驱动四个旋翼产生升力来进行飞行。
它具有简单结构、灵活机动、携带能力强等特点，被广泛应用于航空航天、电力、农业、测绘和娱乐等领域。
本文将基于STM32微控制器，设计一个基本的四旋翼飞行器。
首先，我们需要选用一款合适的STM32微控制器作为核心控制单元。
根据不同需求，可以选择不同型号的STM32芯片。
需要考虑的因素包括处理器性能、输入输出接口、通信接口等。
接下来，我们需要选用合适的电机和电调。
电机和电调是四旋翼飞行器的动力系统，直接影响飞行器的性能。
选择电机时需要考虑电机功率、转速、扭矩等参数。
而选择合适的电调则需要考虑电流容量、控制方式等因素。
四旋翼飞行器还需要传感器来获取飞行状态和环境信息。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计和气压计等。
这些传感器将实时提供飞行器的姿态、加速度、地理位置和气压等数据，用于飞行控制。
在飞行控制方面，我们需要实现飞行器稳定的控制算法。
PID控制器是常用的控制算法之一，通过调节电机转速来控制飞行器的姿态。
PID控制器的参数需要根据实际情况进行调整，以实现稳定的飞行。
此外，四旋翼飞行器还需要通信功能，以便与地面站进行数据传输。
常见的通信方式有蓝牙、Wi-Fi和无线电调制解调器等。
通信功能可以实现飞行器的遥控和数据传输，使飞行器具备更广阔的应用空间。
最后，为了实现全自动飞行，还可以加入GPS导航系统和图像处理系统。
GPS导航系统可以提供精准的飞行位置和速度信息，通过编程实现预设航点飞行。
图像处理系统可以通过摄像头获取实时图像，并进行目标识别和跟踪，实现智能飞行等功能。
综上所述，基于STM32的四旋翼飞行器设计需要考虑微控制器选型、电机电调选择、传感器使用、飞行控制算法、通信功能等方面。
通过合理的设计和编程，可以实现一个功能齐全、性能稳定的四旋翼飞行器。
四轴飞行器的设计
四轴飞行器的设计随着电子技术的快速发展，四轴飞行器被越来越多的人们喜欢和使用，特别是用于航拍和军事领域，在不久的将来必然也会应用于越来越多的其他领域。
文章设计一款基于STM32F103C8T6为主控系统的小型四轴飞行器，采用keil5为软件开发环境，用MPU6050芯片进行姿态采集，根据采集到的数据进行姿态分析，进而控制其稳定飞行。
标签：四轴飞行器；单片机；PID1 无人机的发展历史及意义无人飞行器是指具有动力装置，而不要求有专业操纵人员的飞行器。
它利用螺旋桨通过转动形成向地面的气流来抵消机身的质量，可实现独立飞行或者远程控制飞行。
相对于固定翼无人机，旋翼无人飞行器的发展就较为缓慢，这是因为旋翼无人飞行器的控制系统较为复杂，早期的技术不能满足飞行要求。
然而旋翼机具备所有飞机和固定翼无人机的优点，其成本低，结构简单，无大机翼的限制，具有自主起飞及下降功能，事故代价低等特点。
四轴飞行器是多旋翼飞行器中结构最简单的一种，由于其应用前景广泛，很快就吸引了众多研究者的注意，特别是以美国等西方国家为主的大学在无人机的控制算法研究以及导航等方面取得了不少成果。
在我国，北京理工大学在基于PID控制算法，姿態控制方面也取得一定的成果。
国防科技大学从2004年开始对四轴飞行器相关技术展开研究，并自主设计了四轴飞行器的原型样机。
但四轴飞行器真正的进入公众视野却是2012年2月，美国宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出四旋翼飞行器里程碑式的演讲[2]。
2 四轴飞行器的动力分析2.1 四轴飞行器的飞行模式四轴飞行器的飞行模式主要包括十字模式和X字模式两种，如图1所示。
十字模式下的飞行方向与其中一个电机的安装方向一致，而X模式下的四轴飞行器前进方向指向两个电机中间。
由于十字模式可以直接明了的分清四个电机在四轴飞行器飞行过程的作用，所以操纵简单，但动作灵活性差。
X模式飞行模式复杂，但动作灵活。
本次课题的四旋翼飞行器设计采用X模式。
四旋翼飞行器PID控制器的设计
四旋翼飞行器PID控制器的设计引言：1.PID控制器原理：PID控制器是由比例、积分和微分三个控制基元组成的。
其中比例控制器根据偏差的大小调整控制量；积分控制器根据偏差的积累调整控制量；微分控制器根据偏差的变化率调整控制量。
PID控制器根据实际值和期望值的偏差以及偏差变化率和积累量来调整控制量，以达到稳定目标。
2.四旋翼飞行器PID控制器参数调整：PID控制器的性能取决于三个控制基元的参数调整。
参数调整不当会导致飞行器姿态不稳定，甚至发生震荡。
常用的参数调整方法包括手动调整和自适应调整。
手动调整需要通过观察飞行器的响应来调整参数，而自适应调整则是根据系统的动态特性自动调整参数。
3.四旋翼飞行器PID控制器设计步骤：（1）确定控制目标和输入变量：控制目标即所要控制的飞行器姿态或高度，输入变量即传感器测得的实际值。
（2）传感器数据处理：通过传感器获得飞行器姿态或高度相关的信息，并进行滤波和校正，以减小误差。
（3）误差计算：计算实际值与目标值之间的误差，作为PID控制器的输入。
（4）参数调整：根据实际情况选择手动或自适应调整方法，逐步调整PID控制器的参数。
（5）控制量计算：根据误差和PID控制器的参数计算控制量。
（6）控制执行：将控制量传输给四旋翼飞行器的执行机构，使其根据控制量进行相应的动作，以实现飞行器的稳定。
4.PID控制器应用拓展：PID控制器作为一种简单有效的控制方法，广泛应用于四旋翼飞行器以外的许多领域，如汽车、工业控制和机器人等。
在实际应用中，还可以根据具体需求进行改进和优化，比如引入模糊控制或自适应控制等。
结论：四旋翼飞行器PID控制器是实现飞行器姿态和高度控制的关键部件。
通过合适的参数调整和控制策略设计，可以实现飞行器的稳定飞行。
PID 控制器在实际应用中具有广泛的适用性和可拓展性，为飞行器控制提供了一种简单而有效的解决方案。
四旋翼无人机原理
四旋翼无人机原理
四旋翼无人机是一种通过四个螺旋桨提供推力和悬停能力的飞行器。
它的原理
基于空气动力学和电子控制系统的相互作用，能够实现多种飞行动作和任务。
本文将介绍四旋翼无人机的原理，包括结构设计、飞行原理和控制系统。
首先，四旋翼无人机的结构设计包括机身、四个螺旋桨和电子设备。
机身通常
采用轻质材料制成，以提高飞行效率和稳定性。
四个螺旋桨分布在机身的四个角落，通过电机提供动力。
电子设备包括飞行控制器、遥控器、电池和传感器，用于控制飞行和获取环境信息。
其次，四旋翼无人机的飞行原理基于空气动力学。
螺旋桨产生的推力使飞机获
得升力，从而实现垂直起降和悬停。
通过调节四个螺旋桨的转速和倾斜角度，可以实现前进、后退、转向和侧飞等飞行动作。
飞行控制器通过接收遥控器指令和传感器反馈，实时调整螺旋桨的工作状态，保持飞机的稳定飞行。
最后，四旋翼无人机的控制系统是实现飞行的关键。
飞行控制器是无人机的大脑，负责处理飞行指令和传感器数据，计算控制量并发送给电机。
遥控器是操作员与飞行控制器之间的桥梁，通过无线信号传输指令。
电池提供能量，传感器获取环境信息，如气压、温度、湿度和陀螺仪、加速度计等。
综上所述，四旋翼无人机的原理是基于空气动力学和电子控制系统的相互作用。
它的结构设计、飞行原理和控制系统共同实现了飞行功能，具有广泛的应用前景。
在农业、测绘、救援、物流等领域都有着重要的作用，未来将会有更多的创新和发展。
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1、互补滤波算法
互补滤波器作为 一种频域滤波器，常用于融合来自不同传感器测量得到的数据。一般地，
互补滤波器包含至少两种频率特性互补的输入信号。例如，对于 陀螺仪和加速度计解算姿
态这一双输入系统，两个输入量都能分别对姿态角进行解算，其中加速度计输入量包含高频，
应通过低通滤波器来滤除；陀螺仪则包含低频噪声（积分漂移），应采用高频滤波器滤队。
两者的频率特性互补，可用互补滤波思想进行姿态解算，最终输出较准确信号。
2、四元数表示姿态角
运用互补滤波与卡尔曼滤波思想进行姿态整合的过程归根结底都是利用加速度计解算出的
姿态角去修正陀螺仪积分 的漂移误差.
这两种方法在姿态融合过程中姿态角的表示形式都是欧拉角表示.但是用欧拉角进行姿态解
算在大角度计算时会出现万向节锁(角度为90度时加速度计进行姿态解算的反三解函数无
解),为了避免该问题,可采用四元数来解算姿态.
四元数的优点：
·四元数不会存在欧拉角的万向节死锁的问题
·四元数由4个数组成2个四元数之间更容易插值
·对四元数规范化正交化计算更加容易
3、MPU6050 DMP内部四元数解算功能
运动控制传感器MPU6050提供了DMP内部四元数解算功能，可以直接输出四元数数据。它
除了提供三轴陀螺仪和三轴加速度计传感器的16位ADC信号采集功能之外，还集成了数字
低通滤波器和数字运动处理DMP，可以直接输出经低通滤波处理和四元数姿态解算后的四
元数数据。将该四元数转换为欧拉角，可以得到准确的俯仰角和橫滚角。
4、PID 控制
由自动控制原理可知，采用角速度反馈闭环控制可有效增加系统稳定性，因此，在进行状态
角控制之前需设计姿态角速度增稳内环控制。同时，系统最终控制量为空间位置，因此需要
增加外环位置控制。由此得到四轴飞行器俯仰角方向整体控制结构：
4.1、PID 控制
比例控制指的是使用一个比例系数对输入量与期望量的差进行放大或缩小。不过单纯的比例
控制会产生静态误差（误差不会收敛于0），所以这时要加入积分 控制，对误差进行积分 再
乘以积分系数，误差累计越大积分控制的比重越大。其优点是可以消除静态误差；其缺点是
不稳定，会使系统产生振荡。微分控制是预测系统的变化趋势。当输入的数据缓慢变化时微
分项不起作用，当产生一个阶跃响应瞬间发生变化时，微分项发挥作用，做“超前控制”。
4.2串级PID
当将两个PID串联起来,用第一个PID的输出量作为第二个PID的输入量,第一个PID的期望量
为期望达到的角度,第二个PID的期望量为此时该轴的角速度,角度环为1级PID为外环,角速
度环为2级PID为内环
串级PID较单级PID的优点是,作为内环的角速度由陀螺仪采集数据输出,采集值一般不存在
受外界影响的情况,抗干扰能力强,并且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速,这样使四
轴在飞行时抗干扰能力强,飞行更稳定.
4.3PID调试过程详解 --P64
5、姿态传感器
MPU6050: 内部集成3轴陀螺仪、3轴加速度计
MPU9250:内部集成3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计。
6、无刷电机
无刷电机是采用无刷电子调速器实现电子换向，具有可靠性高、无换向中火花、机械噪声低。
电机产品 的型号一般以KV值为准、KV值是指r/(min .V)，指的是当输入电压增加1V时，
无刷电机空转转速增加的转速值。对于同尺寸规格的无刷电机来说，绕线匝数多，KV值低，
最高输出电流小，但是扭力大；绕线匝数少，KV值高，最高输出电流大，但是扭力小。
7、无刷电子调速器
无刷电调输入的是直流，可以接稳压电源或电池。输出是三相交流，直接与电机的三相输入
端连出，用来与接收机连接，控制电机的运转。当上电时，电机反转，需要 把电机输入 端
三根导线的任意两根对换位置。
8、气压计的设计 P85
高度传感器可以考虑使用超声波模块，气压计模块和GPS模块。对于超声波模块输出的数
值能精确到0.1cm，输出间隔小、精度高是其优点；其缺点是要求地面平整无障碍物，有高
度限制，太高时超声波就失去作用。气压计是采集当前的气压值和温度通过换算能够得到当
前的海拨高度，从而可以进一步地计算出地面和窜的相对高度。使用气压计的优点是没有高
度的限制，在室内室外都可以使用。其缺点是气压计模块的精度普遍不高。比如MS5611的
精度为10cm。在气压计模块中精度算是较高的。还有一个就是GPS模块，GPS可以提供很
多实用的数据，但是精度有限，还有一个致使的缺陷就是室内无法在使用辅助手段下收到有
效良好的信号，只适合在室外使用，这点使其在室内调试大不方便。
9、定高的实现 P95
如果获取了高度值，以及Z轴的速度值。使用气压计结算出的高度值作为高度串级PID控制
的外环输入，使用气压计结算出的高度速度变化量作为串级PID的内环输入，使用串级PID
作为控制方法使可调参数比单级PID增加，鲁捧性更好，使控制性能较单级PID有所提高。