小型四旋翼无人机组机方案设计
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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）： 实用文档
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27.5g。 实用文档
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。 实用文档
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 实用文档
（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 实用文档
（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。
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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
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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
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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
https://store.dji./
4. 淘宝上比较好的店家
(1) newmo.taobao./search.htm?spm=a1z10.1.0.0.FWWVVn&search=y
(2)item.taobao./item.htm?spm=a1z10.5.w4002-3175348337.19.9wvFqX&id=35256007454
(3)
jfrc.taobao./category-744283915.htm?spm=a1z10.5.w4010-1881011693.21.hGPTyT&search=y&parentCatId=744283913&parentCatName=Hurricane-%BE%AB%C6%B7%CF%B5%C1%D0%B6%AF%C1%A6&catName=%26gt%3B+D2206#bd
四旋翼无人机系统设计
《工业控制计算机》2021年第34卷第6期87
四旋翼无人机系统设计
Des ign of Quadrotor UAV System
覃江德 岳 敏 王敏涛 王 泽
（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海201620
）
摘要
：四旋翼无人机是一种结构简单
，操作灵活的垂直起降无人机
。首先分析了四旋翼无人机控制系统设计
，接着详细
介绍油门值遥控开环实现方案以及无人机遥控器信号处理和低电压保护方案
，引入负反馈通过陀螺仪将无人机的当前姿态
角反馈到单片机
。通过程序检测
,所设计飞行控制系统满足预期控制效果
。
关键词
：无人机
;单片机
;无线遥控器
Abstract:Quadrotor UAV is a kind of vert ical take-off and land i ng UAV with s i mple structure and flex ible operat ion.Th i s
paper firstly analyzes the control system des i gn of the quadrotor UAV,and then introduces the real izat ion scheme of the
throttle value remote control open-loop and the remote control s i gnal process i ng and low-voltage protect ion scheme of the
UAV in detail.The current att itude Angle of the UAV is feedback to the SCM through the negat ive feedback through the gy-
roscope.Through program test i ng,the fl i ght control system des i gned in th i s paper meets the expected control effect.
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；PID
1 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
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。
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
小型四旋翼无人机组装步骤
小型四旋翼无人机组装步骤
一、前言
小型四旋翼无人机是一种越来越受欢迎的玩具和工具，它可以用于拍摄照片、录制视频、进行航空摄影和测量等任务。组装一个小型四旋翼无人机并不难，只需按照以下步骤进行即可。
二、准备工作
在开始组装之前，您需要准备以下材料和工具：
1.四个无刷电机
2.四个电调
3.一个飞控板
4.一个遥控器
5.一个接收机
6.一块电池
7.螺旋桨（每个电机需要两个）
8.螺丝刀
9.扳手
三、安装电机和电调
1.将四个电机安装在四个臂上。每个电机应该有两根螺丝固定。
2.将每个电调连接到相应的电机上，并使用扳手将其固定在臂上。
3.将每个电调连接到飞控板上。确保连接正确。
四、安装飞控板和接收器
1. 将飞控板固定在无人机中心。
2. 将接收器连接到飞控板上，并确保连接正确。
五、安装遥控器
1. 打开遥控器，并将其与接收器配对。
2. 调整遥控器的油门、方向和其他设置，以确保无人机可以准确响应。
六、安装电池和螺旋桨
1. 将电池安装在无人机上，并连接到飞控板。
2. 安装螺旋桨。确保每个螺旋桨的方向正确，并使用扳手将其固定在电机上。
七、测试和调整
1. 确保所有连接都正确，然后打开遥控器和电源。
2. 小心地将无人机放在地面上，然后尝试起飞。如果无人机不能起飞，请检查连接并进行必要的调整。
3. 调整无人机的姿态和稳定性，以确保它可以平稳飞行。
八、总结
组装小型四旋翼无人机并不难，只需按照以上步骤进行即可。但是，在组装之前，请确保您已经准备好了所有所需材料和工具，并且仔细阅读了相关说明书。此外，在测试和调整时一定要小心谨慎，以防止任何意外情况的发生。
毕业设计论文——基于模糊PID算法的小型四旋翼无人飞行器控制系统设计
摘要
Ⅰ
摘 要
四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直起降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，可以应用到航拍、考古、边境巡逻、反恐侦查等多个领域，具有重要的军用和民用价值。四旋翼飞行器同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性，对其建模和控制是当今控制领域的难点和热点话题。
本次设计对小型四旋翼无人直升机的研究现状进行了细致、广泛的调研，综述了其主要分类、研究领域、关键技术和应用前景，然后针对圆点博士的四旋翼飞行器实际对象，对其建模方法和控制方案进行了初步的研究。
首先，针对四旋翼飞行器的动力学特性，根据欧拉定理以及牛顿定律建立四旋翼无人直升机的动力学模型，并且考虑了空气阻力、转动力矩对于桨叶的影响，建立了四旋翼飞行器的物理模型；根据实验数据和反复推算，建立系统的仿真状态方程；在Matlab环境下搭建了四旋翼飞行器的非线性模型。选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象，借助Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则；通过仿真和实时控制验证了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了输入输出数据；利用单片机编写模糊PID算法控制程序，实现对圆点博士四旋翼飞行器实物的姿态控制。本设计同时进行了Matlab仿真和实物控制设计，利用模糊PID算法，稳定有效的对四旋翼飞行器的姿态进行了控制。
关键词：四旋翼飞行器；模糊PID；姿态控制
目录
Ⅱ
Abstract
Quadrotor UAV is a four propeller driven, vertical take-off and landing aircraft, this
无人机组装与调试技术 四旋翼无人机装配步骤
四旋翼无人机装配步骤
微型及以下多旋翼无人机的内部结构相对简单，组装的过程有很多相似性，建议一般的组装步骤为机架的组装、动力系统的组装、飞控系统的组装、遥控装置的组装和任务载荷的组装等。
在不影响飞行性能的前提下，部分组装顺序可适当调整。不同的多旋翼无人机产品，其组装步骤可能会要求两个或两个以上的系统并行组装。
注意事项：
为了获得更好的性能，在组装过程中，要特别注意如下几点：
1. 所有焊接触点上加热熔胶，保证绝缘；螺纹上螺纹胶，保证稳固。
2. 安装的设备尽量对称，保证飞行器的重心居中。
3. 为了避免干扰，线材不能跨越飞控表面，要从飞控旁边走线；有些电磁转换较大的设备可加上锡纸，避免干扰。
4. 能够不加的设备尽量不要加（比如蜂鸣器等），多余的电线尽量剪掉，减轻重量。
DF飞享屋小型四旋翼无人机结构图
无人机相关知识比较复杂，涉及到数学模型，姿态控制，位置导
航等。无人机实物部件不少，有一定复杂性。
开始阶段如果能够形成一些直观的感受，就比较容易对全局有所
掌控。而获得直观感受的途径莫过于从系统的角度对四旋翼无人机的
结构进行理解。
下面是我对四旋翼无人机电气结构和控制结构的基本理解：四旋翼无人机电气结构（省略电源）：
从电气结构中可得出DIY该系统所需的基本模块：
遥控信号收发模块（遥控器+接收机），控制模块（本处为开源
飞控板），执行器模块（电调+无刷电机），机身模块（机身+桨叶），
反馈模块（传感器），电源模块（注：此处将桨叶归入机身模块，因
为桨叶虽作为动力部分的最终输出部分，但其空气动力结构对机身响
应构成影响，尤其在直升机无人机系统中。）
同时可以看到模块之间的信号流通过程。四旋翼无人机控制结构：
可根据控制结构图进行控制器设计或开源控制器修改。
在此省略机械结构，因四旋翼机械结构不复杂，从电气结构中可
以得到。
看上去复杂繁琐的概念通过两个结构分析就变得明晰起来。
快递无人机设计方案
快递无人机设计方案
随着科技的发展和人们生活节奏的加快，快递行业逐渐成为现代生活中不可或缺的一部分。然而，传统的快递配送方式在某些情况下可能不够快速、便捷，因此，快递无人机应运而生，成为快递行业的一大创新。
一、设计理念
快递无人机的设计理念主要是以高效、便捷、环保为主。在设计中，我们考虑了以下几个方面：
1、安全性：在飞行过程中，无人机的稳定性、导航系统和降落装置等安全性能是至关重要的。我们采用了先进的导航系统和稳定的飞行控制系统，确保无人机在飞行过程中的安全性。
2、载荷能力：考虑到快递的重量和尺寸，我们需要设计一个具有足够载荷能力的无人机。这需要我们在材料选择和结构设计上做出优化，以确保无人机的载荷能力满足要求。
3、续航能力：为了确保快递的及时送达，无人机的续航能力也是一个重要的考虑因素。我们采用了高效的动力系统和能量密度高的电池，以延长无人机的飞行时间。 4、环境适应性：在复杂的环境下，如风雨天气、城市环境等，无人机需要具有一定的环境适应性。我们采用了先进的传感器和控制系统，以应对各种环境挑战。
二、设计方案
以下是我们的快递无人机设计方案：
1、飞行器设计：采用四旋翼无人机设计，具有稳定的飞行性能和足够的载荷能力。在材料选择上，我们采用了高强度碳纤维材料，既轻便又耐用。
2、导航系统：采用GPS和视觉导航相结合的方式，确保无人机在飞行过程中的精确导航。同时，我们还配备了避障系统，以防止无人机在飞行过程中遇到障碍物。
3、控制系统：采用先进的控制系统，可以实现远程遥控和自动飞行两种操作模式。自动飞行模式下，无人机可以根据预设的航线自动完成配送任务。
4、动力系统：采用高效的动力系统，配备高能量密度的电池，可以保证较长的飞行时间。同时，我们还配备了能量管理系统，以延长无人机的续航能力。 5、载荷装置：在无人机下部安装一个载荷装置，可以容纳快递物品。考虑到重量和平衡问题，我们设计了一个可调节的载荷装置，可以根据快递物品的大小和重量进行调节。