小型四旋翼无人机组机方案
四旋翼无人机编队问题方案
多旋翼无人机协同编队飞行控制研究方案摘要：无人机协同编队飞行控制已经成为时代热题。
本文主要是对MMR之间、MMR与GCS之间的通信模式进行穷尽，并对CFF组织架构，3架MMR编队的几何结构进行总结概括，重点分析了CFF队形与所执行任务之间的内在关系。
在对CFF控制问题上主要总结了主-僚机控制方式及其常规问题和整体式飞行控制方案的研究。
并最终对MMR故障、GCS故障、编队阵型故障、其它应急情况下的容错机制、队形重构机制的研究MMR编队内部避障、整体避障问题研究进行了总结概括。
关键字：通信模式多旋翼无人机协同编队控制方式故障诊断与应急措施一、序言无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）是现代战争中重要的作战武器，能够代替有人机执行多种复杂危险的任务。
尽管如此,单架的UAV 执行任务时仍存在相应的问题,如执行侦察任务时,单架UAV可能会受到传感器的角度限制,不能从多个不同方位对目标区域进行观测,当面临大范围搜索任务时，不能有效地覆盖整个侦察区域;而如果是执行攻击任务,同样,单架UAV在作战范围、杀伤半径、摧毁能力以及攻击精度等方面受到的限制,会影响整个作战任务的成功率。
另外,一旦单架UAV中途出现故障，必须立即中断任务返回,在战争中有可能贻误战机而破坏整个战计划。
针对以上现状,多年来人们通过分析生物群体的社会性现象,如模仿群鸟迁徙过程中,其队形保持、节省能量以及协同对抗天敌等能力,来解决目所关注的问题,其目的是为了尽可能地发挥单架UAV的作用,实现多UAV协同编队飞行的控制、决策和管理,从而提高UAV完成任务的效率,拓宽UAV 使用范围,达到安全、高可靠性地执行多种任务的目的。
无人机技术经过几十年的发展已经相对成熟,在军事和民用中发挥了独特的作用。
为了适应未来的挑战,除了提高单机的功能和效用外,还需要考虑如何以现在的技术为基础,发展更加有效的无人机管理和组织模式。
无人机编队飞行是近年来提出的无人机合作化发展方向中的一个核心概念。
蝴蝶状四旋翼无人机设计说明
蝴蝶状四旋翼无人机设计说明1主控制器电路设计STM32F103RCT6是STM32家族中性能比较高端的单片机，将单片机作为基于视觉的四旋翼路径跟踪系统的主控控制器芯片，其内核主要是Cortex-M3。
处理速度快，工作效率高。
2. STM32F103最小系统其STM32F103RCT6、电源相关的模块、有关MCU的复位装置、对信号产生时钟周期的模块，以及下载调试电路都属于最小系统。
与其他型号的的MCU相比较而言，因为内部的通讯接口、I/O口以及高级定时器等设置则使工作更加快捷高效。
供电电路：官方公示的正常运行电压为2V至3.6V。
其正常工作必需的1.8V电源不但可以通过电池等提供还可从其MCU内部设置的调节器来调节得到，用来在应对突发断电的时候，使单片机依然能够正常工作，维持单片机的数据存储和RTC实时时钟的正常工作。
复位电路：按下按键，复位RESET引脚接地，复位引脚电平被拉低，单片机产生低电平复位。
按键松开后，电源通过上拉电阻给电容充电，RESET引脚电压逐渐增加，最终以电源达到3.3v以结束这一复位过程。
如上图所示的复位电路中电容的主要的功能是通过提供一定的脉冲信号以其宽度这一性质产生复位信号。
时钟电路：共有五个时钟源在 STM32中，分别为 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。
ST官方推荐的时钟信号来源是外接8M晶振,通过PLL进行9倍频，产生72M的时钟源，为单片机提供时钟信号，这个就是系统时钟。
3. 九轴姿态角输出模块JY-901JY-901模块内部了集成高精度的三轴陀螺仪、三轴加速度计、地磁场传感器，角度传感器，通过模块上的高性能单片机，配合卡尔曼滤波算法，，能够准确的，快速的解算出当前模块的运动状态。
且解算出的运动精度可达0.01度，且输出的数据稳定，可直接使用。
JY-90模块有着串口和IIC两种通讯接口，可以方便与各种型号的单片机链接。
其中串口的输出速率为标准的2400bps~921600bps之间，IIC接口速度最快可达400K。
四旋翼无人机设计与制作毕业论文
四旋翼无人机设计与制作毕业论文摘要：无人机作为一种重要的航空器，具有广泛的应用前景。
本论文以四旋翼无人机为研究对象，通过对其设计与制作的实践，在硬件和软件方面进行详细阐述。
主要包括无人机的结构设计、电路设计以及飞行控制系统的编程。
通过实际测试，验证了该无人机的飞行性能。
关键词：无人机、四旋翼、设计、制作、飞行控制系统第一章引言无人机是一种可以在没有人操控的情况下自主飞行的航空器。
其广泛应用于航拍、农业、交通、救援等领域。
四旋翼无人机作为一种应用广泛的无人机，具有结构简单、稳定性好的特点。
因此本论文以四旋翼无人机为研究对象，旨在通过具体的设计与制作过程探究其相关技术和原理。
第二章无人机的结构设计2.1无人机的基本组成部分2.2机身设计机身的设计要考虑到材料的轻量化和强度的要求。
一般使用轻质的碳纤维材料制作机身，同时增加机身的刚性，提高结构的强度和稳定性。
2.3电机和螺旋桨设计电机是驱动四旋翼无人机飞行的关键器件，其选型要根据负载和飞行需求来确定。
同时，螺旋桨的选择也要考虑到机身的尺寸和重量，以及飞行的稳定性。
第三章无人机的电路设计3.1电路原理图设计根据四旋翼无人机的功能要求，设计相应的电路原理图。
主要包括电源供给电路、电机驱动电路和飞行控制系统。
3.2电路板制作将电路原理图转化为实际的电路板，并通过蚀刻和钻孔等工艺制作出来。
可使用CAD软件进行设计，选择合适的印刷电路板材料，然后通过化学方法蚀刻出电路线路图。
第四章无人机的飞行控制系统的编程4.1控制算法设计无人机的飞行控制系统是其能够自主飞行的关键。
通过对四旋翼无人机的姿态控制、高度控制和速度控制等方面进行算法设计。
4.2编程实现基于设计出的控制算法，利用C语言等编程语言进行实际代码的编写。
通过传感器采集到的数据以及飞行控制系统的指令进行相应的处理，并将处理结果发送给无人机的执行机构（电机）。
第五章实验与结果分析通过将设计好的无人机进行实际测试，对其飞行性能进行验证。
基于pixhawk飞控的四旋翼机械臂无人机设计
• 181•无人机技术的快速发展，在日常生活中越来越常见，目前人们主要是在无人机上装上相机，以航拍为主。
为了扩大无人机的应用我们采用了在无人机下面安装一个轻型机械臂来进行生活中的实际应用，实现了高空作业人们做不到的一些操作，例如高空电线的简单悬挂问题。
其中存在的缺点持续性不强。
其中优点也很明显轻便、可操作性强，机械臂能进行一些简单的作业增加了其实操性，提高了安全性。
1 四旋翼无人机飞行基本原理整体上旋翼对称分布在机体的4个轴上，四个旋翼要求处于同一高度平面，且四个旋翼的整体以及半径都要求相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，机架中间平台安装飞行控制器、外部设备和电子调速器。
通过计算机控制电子调速器来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。
然后再无人机上安装机械臂并且能够通过飞控进行控制。
在图1中，四旋翼无人机的电机1和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。
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。
图1 无人机4种运动图2 硬件部分我们采用的是以PIXHAWK2.4.8飞控为主的无人机的硬件设计。
飞控有极强的输出能力：可以对14个舵机输出PWN ，其中8个输出引脚带失效保护功能，可进行人工设定。
6个输出引脚可用于输入，并且全部支持高压舵机。
还拥有大量外设接口，如：UART ，I2C ，CAN 。
在飞翼模式中，可使用飞行中备份系统，可设置、可存储飞行状态等数据。
外置安全开关、全色LED 智能指示灯、外接式大音量智能声音指示器。
可插拔式microSD 卡控制器，可以进行高速数据记录。
在电源方面，所有外设输出带有功率保护，所有输入带有静电保护，多余度供电系统，可实现不间断供电。
如图2。
四旋翼飞行器设计资料
四旋翼飞行器的设计查重98%四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求.一．微小型四旋翼飞行器的发展前景根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预计它将有以下发展前景。
1 )随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用。
任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。
它未来的主要技术指标：任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。
2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。
随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 M E MS 技术的发展，四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。
它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、动力与能源、任务与通信等子系统) 的高度复杂ME M S系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。
此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。
3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。
单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。
组装多旋翼无人机的步骤
组装多旋翼无人机的步骤包括以下几点：
1.计算飞行重量。
根据飞行要求计算要添加的器材的重量，包括
电机、电调、电池、图传系统和云台等。
2.计算飞机所需要的升力。
升力需要稍微大于飞机自重，以使飞
机可以悬停。
3.寻找合适动力的动力系统。
根据计算得到的升力选择合适的电
机和螺旋桨。
4.机架的组装。
5.动力系统的组装。
6.飞控系统的组装。
7.遥控装置的组装和任务载荷的组装等。
在组装过程中，有些步骤可以适当的调整顺序，如动力系统和飞控系统的组装，这两个步骤可以并行进行。
无人机的组成部分
旋翼无人机的组成部分1、动力系统（1）电动机小型四旋翼无人机（轴距250mm左右）大都选用KV2000左右（配5-6寸桨）的电机。
（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，当前市场上的大部分电子调速器的刷新频率都大于400hz。
（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。
（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。
（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。
如：ACE格瑞普2200mAh锂电池，充电倍率20C，重量186g，尺寸25mm*34mm*105mm2、支撑和外观系统支撑和外观系统（机架）是指无人机的承载平台，所有设备都是用机架承载起来飞上天上的，所以无人机的机架好坏，很大程度上决定了这部无人机的使用寿命。
衡量一个机架的好坏，可以从坚固程度、使用方便程度、元器件安装是否合理等等方面考察。
现在常见的无人机，多数指多轴飞行器的形式，机架的组成大同小异，主要由中心板、力臂、脚架组成，有结构简单的特点。
多轴飞行器的轴数，从两轴开始，到十多轴都有，但常见的还是以4、6、8轴为主。
轴数越多、螺旋桨越多、机架的负载就越大，但相对地结构也就变得越复杂。
3、飞控制系统（1）飞控原理四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分：飞行控制系统和无刷直流电机调速系统。
飞行控制系统通过IMU惯性测量单位（由陀螺传感器和加速度传感器组成）检测飞行姿态，通过无线通讯模块与地面遥感器通讯。
4个无刷直流电机调速系统总线与飞行控制器通信，通过4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，整个系统采用低压电池供电。
四旋翼飞行器是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。
由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。
四旋翼无人机控制方法研究
四旋翼无人机控制方法研究随着科技的不断发展，无人机已经成为了现代航空技术的一个重要组成部分。
四旋翼无人机由于其灵活性和易于操控的特点，已经成为了航拍、物流、农业、应急等领域的重要工具。
然而，四旋翼无人机的控制问题一直是无人机研究的热点之一。
本文将从四旋翼无人机的基本结构、运动模型和控制方法三个方面来探讨四旋翼无人机的控制方法研究。
一、四旋翼无人机的基本结构四旋翼无人机是一种翼展非常小的无人机，其基本结构包括四个旋翼、机身和飞控系统。
四个旋翼均匀分布在机身四个角落，通过无刷电机驱动旋翼快速旋转产生升力和推力。
机身部分包含电池、航空电子设备、传感器等。
飞控系统负责控制四旋翼无人机的姿态、定位和航线飞行等。
二、四旋翼无人机的运动模型为了更好地控制四旋翼无人机，需要首先了解其运动模型。
四旋翼无人机可以看作是一个刚体，其运动状态可以用欧拉角（俯仰角、翻滚角、偏航角）来描述。
四旋翼无人机的运动可以分为三个方向：竖直方向、水平方向和偏航方向。
其中，竖直方向的运动由四个旋翼同时产生的升力控制；水平方向的运动由旋翼的扭矩和倾斜控制实现；偏航方向的运动由旋翼的产生的气流的方向控制。
三、四旋翼无人机的控制方法1. 经典PID控制方法PID控制器是一种经典的控制器，其输出信号取决于误差信号（当前值与目标值之间的差异）、偏差信号（当前误差与前一次误差的差额）和积分信号（误差信号的总和）等。
经过连续地调节PID控制器的参数，可以实现四旋翼无人机的稳定控制。
2. 自适应控制方法自适应控制方法能够根据环境和被控对象的变化自动调整控制参数，适应各种不同情况。
这种方法可以提高系统的适应性和鲁棒性，但是需要较为复杂的算法和模型。
3. 模型预测控制方法模型预测控制方法是一种较为新颖的控制方法，其基本思想是通过构建四旋翼无人机的运动模型来预测其未来的运动轨迹，并通过优化预测结果来进行控制。
这种方法可以提高四旋翼无人机的控制精度和效率，但需要较高的计算能力和精确的运动模型。
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小型四旋翼无人机组机
方案
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
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
类别 型号 数量 单价
无人机部分
机械部分 机械加工费 3K碳纤板 1 ￥450
动力部分
电机 飓风D2206 KV1900 4 ￥100
电子调速器 好盈XRotor-10A 4 ￥40
电调连接板 XT60连接头 1 ￥35
桨叶 6045/6030 8 ￥5
电池 2200mAh 1 ￥120
电子部分
飞控板 Pixhawk 1 ￥1680
Xbee模块 Xbee Pro S2B 2 ￥328
Xbee适配器 Xbee Adapter 2 ￥75
遥控器接收机 天地飞遥控器接收机 1 ￥160
PPM编码板 8通道 1 ￥42
总计 ￥3893
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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