四旋翼飞行器建模、控制与仿真
基于STM32的四旋翼飞行器设计
摘要 四轴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，与普通飞行器相比，具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，所以在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。 本设计采用stm32f103zet6作为主控芯片，3轴加速度传感器mpu6050作为惯性测量单元，通过2.4G无线模块和遥控板进行通信，最终使用PID控制算法以PWM方式控制电子调速器驱动电机实现了四轴飞行器的设计。 关键词：四轴飞行器,stm32;mpu6050,2.4G无线模块.PID.PWM
Abstract Quadrocopter has broad application prospect in the area of military and civilian because of its advantages of simple structure. Small size, low failure rate, taking off and landing ertically . etc. it is suitable for having task in narrow space. This design uses STM32f103zet6 as the master chip, and triaxial accelerometer mpu6050 inertial measurement unit, via 2.4G wireless module and remote control panel for communication. Finally using pid control algorithm with pwm drives the electronic speed controller to change moto to realize the design of quadrocopter. Key word : quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4G wireless module ;pid; pwm
四旋翼飞行器的建模与控制外文翻译
译文 四旋翼飞行器的建模与控制 摘要 迄今为止，大多数四旋翼空中机器人有是基于飞行玩具。虽然这样的系统可以作为原型，它们是不够健全，作为实验机器人平台。我们已经开发出了X-4传单，采用四旋翼机器人定制底盘和航空电子设备与现成的，现成的电机和电池，是一个高度可靠的实验平台。车用调谐厂带有板载嵌入式姿态动力学控制器以稳定飞行。线性单输入单输出系统控制器旨在规范传单态度。 1介绍 直升机的主要限制是需要广泛的，和昂贵，维护可靠的飞行。无人驾驶航空飞行器（无人机）和微型飞行器（MAV）旋翼机也不例外。简化了机械飞行机的结构产生明显的福利操作这些设备的物流。四转子是强大和简单的直升机，因为他们没有复杂的旋转倾转盘和联系在传统的旋翼机发现。多数四转子的飞行器从遥控玩具构建组件。其结果是，缺少必要的这些工艺可靠性和性能是切实可行的实验平台。 1.1现有的四旋翼平台 几个四转子工艺最近已开发用作玩具或进行研究。许多研究旋翼飞行器开始了生活作为市售的玩具，如作为HMX -4和Rctoys的Draganflyer 。未经修改的，这些工艺通常由光机身塑料转子。它们是由镍镉电池或锂聚合物电池供电，使用速度反馈的微机电系统陀螺仪。这些四转子一般没有稳定的稳态。 研究四旋翼添加自动稳定及使用各种硬件和控制方案。澳大利亚联邦科学与工业研究组织的如图1 ：X-4传单型号2的。四旋翼飞行器，例如，是一个Draganflyer衍生使用视觉伺服和惯性测量单元（IMU ），以稳定的工艺在一个被做成动画的目标。其他四转子包括Eidgenossische TECHNISCHE Hochschule的苏黎世' OS4 '[ Bouabdallah等，2004 ] ，皮带驱动飞与低纵横比的叶片; CEA的“X4- flyer'1 ，小四转子电机每四个刀片[ Guenard等，2005 ]。和康奈尔大学的自治飞行器，采用的爱好飞机螺旋桨的大型工艺。
四旋翼飞行器论文(原理图 程序)..
四旋翼自主飞行器(B题) 摘要 系统以R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心，由电源模块、电机调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF模块，瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。
目录 1 系统方案论证与控制方案的选择............................................................................................. - 2 - 1.1 地面黑线检测传感器............................................................................................................. - 2 - 1.2 电机的选择与论证................................................................................................................. - 2 - 1.3 电机驱动方案的选择与论证................................................................................................. - 3 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计............................................................................................. - 3 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型..................................................................................................... - 3 - 2.2 PID控制算法结构分析.......................................................................................................... - 3 - 3 硬件电路设计与实现................................................................................................................. - 5 - 3.1飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 - 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 - 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 - 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 - 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 - 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 - 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 - 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 - 6 总结........................................................................................................................................... - 10 - 附录A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -
四旋翼飞行器建模与仿真Matlab
四轴飞行器的建模与仿真 摘要 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。 关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference
最高效的四旋翼无人机数据采集建模
最高效的四旋翼无人机 数据采集建模 CKBOOD was revised in the early morning of December 17, 2020.
最高效的四旋翼无人机数据采集建模 一、简介 近年来，微小型四翼无人机已经成为了无人飞行器研究领域的一个热点。它结构简单、机动性强、便于维护，能够在空中悬停、垂直起飞和降落。在军用和民用方面具有较大的潜在应用价值，国内外许多研究单位纷纷致力于四旋翼无人机飞行控制的架构设计与飞行控制研究，以实现四旋翼无人机的自主飞行。机载传感器系统是四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分，它为机载控制系统提供可靠的飞行状态信息，是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备。 现在无人机应用最广的是倾斜摄影技术优势或者说最吸引用户的，就是利用倾斜摄影技术可以全自动、高效率、高精度、高精细的构建地表全要素三维模型。 二、四旋翼无人机特点 1、机动性能灵活，低空性能出色。能在城市、森林等复杂环境下完成各种任务。可完成空中悬停监视侦查。实现对动力要地低，能在狭小空间穿行，能垂直起降，对起降环境要求低。 2、对动力要求较小，产生的噪音低，隐蔽性能高，安全性能出色。四旋翼无人机采用四个马达提供动力，可使飞行更加稳定和精确。 3、结构简单，运行、控制原理相对容易掌握。 4、成本较低，零件容易更换，维护方便。
三、飞行软件 目前无人机种类繁多，针对无人机开发的飞控软件也有很多，目前比较好用的是DJI GS Pro、DJI GO4、Litchi Vue、Pix4d等。 四、数据采集，使用DJI GS pro 1、打开DJI GS pro软件，点击新建任务 2、点击测绘航拍区域模式 3、点击地图选点（飞行定点比较耗飞机电量，无特殊情况建议不使用） 4、点击屏幕就会出现一个航测区域，手动拖拽四个定点可以改变航测的面积和形状，同时也可以手动增加拐点，让航测面积更加的灵活多样。并且在右边的菜单栏里选择好对应的云台相机；设置好任务的高度，任务的高度和拍摄的清晰度，成图的分辨率有很大的关系；大面积的时候尽量选择等时间拍照，因为能上传的航点是有限的。 5、点击进入右侧菜单的高级选项之中，重新设置一下航测的重叠了，一般航向和旁向重叠率是700%和70%（最好不要低于70%）；设置好云台俯仰角，正射影像图一般为-90°，拍摄3D立体时一般为-45°；设置好返航高度，确保返航时不会碰撞到障碍物。 6、点击右上角飞机左边更多选项，点击高级设置（地图优化限中国大陆地区使用打开）；这点也是最关键的一点，这时候一定要点开中国大陆这个选项，不然飞行器的位置是偏移的。会导致航测任务区域整体偏移，有一部分任务没有拍摄到。
2015年全国大学生电子设计大赛四旋翼飞行器论文
2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题） 2015年8月15日
摘要 本文对四旋翼碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先，对飞行器各旋翼的电机选择做了论证，分析了实际升力效率与PWM的关系并选择了此样机的最优工作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。 本飞行器采用瑞萨R5F100LEA单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6000采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。整个控制系统包括电源模块、传感器检测模块、电机调速模块、飞行控制模块及微处理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。关键字：R5F100LEA单片机、传感器、PWM、PID控制。
目录 1系统方案 (1) 1.1电机的论证与选择 (1) 1.2红外对管检测传感器的论证与选择 (1) 1.3电机驱动方案的论证与选择 (2) 2系统控制理论分析 (2) 2.1控制方式 (2) 2.2 PID模糊控制算法 (2) 3控制系统硬件与软件设计 (4) 3.1系统硬件电路设计 (4) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2 飞行控制电路原理图 (4) 3.1.3电机驱动模块子系统 (5) 3.1.4电源 (5) 3.1.5简易电子示高模块电路原理图 (6) 3.2系统软件设计 (6) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (6) 3.2.2程序流程图 (6) 4测试条件与测试结果 (7) 4.1 测试条件与仪器 (7) 4.2 测试结果及分析 (7) 4.2.1测试结果(数据) (7) 4.2.2测试分析与结论 (8) 附录1：电路图原理 (9) 附录2：源程序 (10)
四旋翼飞行器智能控制(A题)
2016年吉林省大学生电子设计竞赛 参赛注意事项 （1）2016年8月31日8:00竞赛正式开始。 （2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 （3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。 （4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 （5）参赛队必须在学校指定的竞赛场地内进行独立设计和制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。 （6）2016年9月3日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 四旋翼飞行器智能控制（A） 一、任务 设计并制作一个四旋翼飞行器控制系统，能够按照相应设定要求，实现四旋翼飞行器的自主飞行（为安全起见，要在飞行器底部系上一安全绳）。 二、要求 1.基本要求 （1）自主定点悬停 在地面上设置一个标志点，飞行器在20cm高度上自主定点悬停时间不低于20秒；悬停期间，飞行器中心点横向偏离标志点位移不超过10cm（即要求飞行器上的垂直激光器光点落在以地面标志点为圆心，半径为10cm的圆内），示意图如图1所示。 图1 自主定点悬停示意图
（2）自主定点、定高悬停 如图2所示，第一步从地面标志点飞到离地高20cm 处，稳定悬停10s ；第二步从20cm 处自主提升到离地高60cm 处，稳定悬停10s ；第三步从离地60cm 处自主下降到离地高40cm 处，稳定悬停10s 。悬停期间，飞行器横向偏离地面标志点位移不超过10cm 。高度偏差在5cm 以内。 图2 自主定点、定高悬停示意图 （3）跟踪飞行 如图3所示，由地面A 点起飞，跟随地面标志（标志可移动）或者自主飞至距离A 点2m 处的任意地面B 点降落，降落点（飞行器中心点）距离B 点偏差小于15cm ，完成时间小于30s 。 15cm 图3 跟踪飞行示意图 2.发挥部分 （1）在飞行器的某个单臂上悬挂重物（重物质量不小于飞行器整体质量的10%），悬挂点位置在飞行器中心到最外端的1/2以外的任意位置。完成基本要求（1）的内容； （2）在飞行器的某个单臂上悬挂重物（重物质量不小于飞行器整体质量的10%），悬挂点位置在飞行器中心到最外端的1/2以外的任意位置。完成基本要求（2）的内容；
四旋翼无人机毕业设计
渤海大学本科毕业论文（设计）四旋翼无人机设计与制作 The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle 学院（系）： 专业： 学号： 学生姓名： 入学年度： 指导教师： 完成日期：
摘要 四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet 单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理，之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计，实现精确的姿态测量。最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。在制作四旋翼飞行器的过程中，进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。 关键词：姿态传感器；四元数姿态解算；STM32微型处理器；数据融合；PID
The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle Abstract Quad-rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure, and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four-rotor aircraft, including Quad-rotor UAV aircraft flight principle, hardware introduction and selection, implementation and realization of derivation attitude reference algorithm, the system software . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontroller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal posture, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimposed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the existing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft. Key Words：MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID
四旋翼飞行器实验报告
实验报告 课程名称：《机械原理课内实验》 学生姓名：徐学腾 学生学号：1416010122 所在学院：海洋信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 报导教师：宫文峰 2016年6 月26 日
实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架； 2. 苹果手机一部； 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构； 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线； 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作； 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理； 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损； 3、安装电沲并装好安全罩； 4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面； 5、软件启动，设备连通，即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制； 2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉； 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部； 4. 电量不足时，不可强制启动飞行； 5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上； 6. 飞行器不得触水； 7. 飞行器最大续航时间10分钟。
四旋翼飞行器仿真-实验报告
动态系统建模仿真实验报告（2） 四旋翼飞行器仿真 姓名： 学号： 指导教师： 院系： 2014.12.28
1实验容 基于Simulink建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制； 建立GUI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹； 基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹。 2实验目的 通过在 Matlab 环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，使掌握以下容： 四旋翼飞行器的建模和控制方法 在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。 3实验器材 硬件：PC机。 工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。 4实验原理 4.1四旋翼飞行器 四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图 1 所示。旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。 图1四旋翼飞行器旋转方向示意图
在图 1 中， 前端旋翼 1 和后端旋翼 3 逆时针旋转， 而左端旋翼 2 和右端的旋翼 4 顺时针旋转， 以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。 由此可知， 悬停时， 四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。 4.2建模分析 四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示 图2四旋翼飞行器受力分析示意图 旋翼机体所受外力和力矩为： 重力mg , 机体受到重力沿w z -方向； 四个旋翼旋转所产生的升力i F (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿b z 方向； 旋翼旋转会产生扭转力矩i M (i= 1 , 2 , 3 , 4)。i M 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。 力模型为：2i F i F k ω= ，旋翼通过螺旋桨产生升力。F k 是电机转动力系数， 可取826.1110/N rpm -?，i ω为电机转速。旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4)，
四旋翼飞行器仿真 实验报告
动态系统建模仿真 实验报告（2）四旋翼飞行器仿真 姓名： 学号： 指导教师： 院系： 2014.12.28
1实验内容 基于Simulink建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制； 建立GUI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹； 基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹。 2实验目的 通过在Matlab 环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，使掌握以下内容：四旋翼飞行器的建模和控制方法 在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。 3实验器材 硬件：PC机。 工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。 4实验原理 4.1四旋翼飞行器 四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图 1 所示。旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。 图1四旋翼飞行器旋转方向示意图
在图 1 中， 前端旋翼 1 和后端旋翼 3 逆时针旋转， 而左端旋翼 2 和右端的旋翼 4 顺时针旋转， 以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。 由此可知， 悬停时， 四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。 4.2建模分析 四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示 图2四旋翼飞行器受力分析示意图 旋翼机体所受外力和力矩为： 重力mg , 机体受到重力沿w z -方向； 四个旋翼旋转所产生的升力i F (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿b z 方向； 旋翼旋转会产生扭转力矩i M (i= 1 , 2 , 3 , 4)。i M 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。 力模型为：2i F i F k ω= ，旋翼通过螺旋桨产生升力。F k 是电机转动力系数， 可取826.1110/N rpm -?，i ω为电机转速。旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4)，
四旋翼飞行器 设计报告
大学生电子设计竞赛 设计报告 摘要：本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时，解算出相应电机需要的的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，超声波传感器进行测距，起飞后悬停在一定高度，打靶后降落。 关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制
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目录 1系统方案 (1) 1.1控制系统选择方案 (1) 1.2飞行姿态控制方案论证 (1) 1.3角度测量模块的方案论证 (2) 1.4高度测量模块方案论证.............................................. 错误！未定义书签。2理论分析与计算 (2) 2.1控制模块 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.2机翼电机 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.3飞行姿态控制单元 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1系统总体设计思路 (4) 3.2主要元器件清单......................................................... 错误！未定义书签。 3.3系统框图 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1系统硬件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。 3.3.2系统软件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.. (5) 5结论 (6) 3
四旋翼飞行器建模、控制与仿真
万方数据
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四旋翼飞行器建模、控制与仿真 作者：杨庆华， 宋召青， 时磊， YANG Qing-hua， SONG Zhao-qing， SHI Lei 作者单位：杨庆华,YANG Qing-hua(海装驻西安地区军事代表局,西安,710054)， 宋召青,SONG Zhao-qing(海军航空工程学院,控制工程系,山东,烟台264001)， 时磊,SHI Lei(防空兵指挥学院 作战指挥系,郑州,450052) 刊名： 海军航空工程学院学报 英文刊名：JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL ENGINEERING INSTITUTE 年，卷(期)：2009，24(5) 被引用次数：0次 参考文献(6条) 1.张天光.王秀萍.王丽霞捷联惯性导航技术 2007 2.钱杏芳.林瑞雄.赵亚男导弹飞行力学 2006 3.BOUABDELLAH S.SIEGWART R Backstepping and sliding mode techniques applied to an indoor micro quadrotor 2005 4.MOKHTARI A.BENALLEGUE A.BELAIDI A Polynomial linear quadratic Gaussian and sliding mode observer for a quadrotor unmanned aerial vehicle 2005(04) 5.BOUADI H.BOUCHOUCHA M.TADJINE M Sliding Mode Control based on Backstepping 2008(01) 6.BENCHAIB A.BOUDJEMA F.RACHID A Sliding mode flux observer based on backstepping approach for induction motor 1998 相似文献(2条) 1.学位论文周权四旋翼飞行平台飞行控制和惯性导航研究2008 微小型四旋翼飞行器是一种外型新颖，可垂直起降，通过改变四个桨的转速来进行飞行控制的特殊无人机。但它是一个非线性、多变量、高度耦合的欠驱动（四个PWM输入，六个自由度）系统，在其飞行时，受到气流、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等的影响，因此，要想实现稳定控制是比较困难的。为了研究四旋翼飞行器的控制规律，本文构建了四旋翼飞行试验平台，就悬停和低速水平飞行状态下的飞行控制和惯性导航进行了探索性研究。
首先选择合适的材料与元器件，制作了一架四旋翼飞行平台，测试了关键部件的性能。分别采用合适的试验方案测试转子升力、转速与PWM信号之间的关系，并对单通道进行系留试验，取得了较好的结果。
本文利用四旋翼飞行平台动力学原理，建立了基于VC++语言仿真的动力学模型。对飞行平台的高度阶跃响应和水平位移阶跃响应进行了仿真。根据仿真结果，分析了四个PWM的变化与飞行平台加速度的变化。根据单通道的受力分析，建立了单通道复数域数学模型。通过SIMULINK仿真研究，得到了各控制参数对控制系统的影响。然后将欧拉法应用于惯性导航，并试验验证了欧拉法计算姿态。简单分析了GPS定位原理与GPS/INS组合导航的方法。
最后对四旋翼飞行平台进行多次飞行试验，根据试验结果，调整控制参数和改进飞行平台结构，最终取得了初步的飞行成功。 2.学位论文黄牧基于反步法的微型四旋翼无人飞行器非线性自适应控制研究2009 无人机通常指无人驾驶、可以自主飞行或遥控操作、利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器，主要包括固定翼式和旋翼式两类。
固定翼无人飞行器的技术已经比较成熟，并在实际应用中取得重大成功；和固定翼飞行器相比较，旋翼无人飞行器具有很多优势：比如能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化：能以悬停、前飞、侧飞和倒飞等各种姿态飞行；但是旋翼无人飞行器因动力学特性远比固定翼飞行器复杂，发展就相对缓慢得多。近年来，旋翼无人机因其巨大的军用和民用价值，迅速成为控制领域内的研究热点。
四旋翼无人飞行器是一种常见的旋翼飞行器，其模型具有高度非线性、状态耦合、欠驱动等特点，飞行控制设计比较困难。本文的主要任务是在分析四旋翼无人飞行器动态特性的基础上，采用反步法结合非线性自适应控制进行控制器设计，使四旋翼飞行器保持稳定的飞行状态，并且位置输出和偏航角能够跟踪期望轨迹；主要内容如下：
第一，本文对四旋翼无人飞行器进行了建模；但是四旋翼无人飞行器动力学特性复杂，空气动力学系数容易变化，系统可能包含未知信息和噪声，所以其动力学模型中存在不确定性；这使控制器的设计变的更加困难。
第二，本文采用反步法和自适应控制设计控制器，使四旋翼飞行器系统保持了稳定。为了便于反步设计，本文把四旋翼模型划分为四个子系统；第一个是欠驱动子系统，表示系统关于水平位置，滚动角和偏航角的动力学方程；第二个和第三个是全驱动子系统，表示系统关于偏航角和垂直位置的动力学方程；第四个子系统是关于推进力的动力学方程。在完成控制设计之后，本文利用基于Lyapunov稳定性理论的分析方法，证明了论文中提出的非线性自适应控制能够保证闭环系统的稳定，并在飞行器质量参数未知条件下，实现了水平位置、垂直位置以及偏航角的渐近稳定轨迹跟踪。
最后，本文用MATLAB对四旋翼无人飞行器控制系统进行了仿真；仿真结果验证了使用反步法结合自适应控制能够使系统的位置输出和偏航角追踪期望轨迹，同时保持了滚动角和俯仰角的稳定。
本文的创新之处是设计了基于反步法的自适应控制器，解决了质量未知的情况下四旋翼无人飞行器的轨迹追踪问题，并保证了系统稳定和跟踪误差收敛。 本文链接：https://www.360docs.net/doc/f411528269.html,/Periodical_hjhkgcxyxb200905006.aspx 授权使用：李建平(wfnchkdx)，授权号：e7083126-c414-4535-9e0d-9e9e00bddb36
最新动态系统建模实验——四旋翼仿真
动态系统建模实验——四旋翼仿真
动态系统建模（四旋翼飞行器仿真） 实验报告 院（系）名称大飞机班 学号ZY11DF120 学生姓名叶心宇 任课教师马耀飞 2011年 12月
四旋翼飞行器的建模与仿真 一、实验原理 I．四旋翼飞行器简介 四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前、后、左、右四端，如图1-1所示。旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。 在图1-1中，前端旋翼1 和后端旋翼3 逆时针旋转，而左端旋翼2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。 图1-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图 从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4 个旋翼的转速），这就意味
着被控量之间存在耦合关系。因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated ）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。 II ．飞行器受力分析及运动模型 （1）整体分析 如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为： ? 重力mg ，机体受到重力沿-Z w 方向 ? 四个旋翼旋转所产生的升力F i (i=1,2,3,4)，旋翼升力沿Z B 方向 ? 旋翼旋转会产生扭转力矩M i (i=1,2,3,4)， M i 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转 矢量相反。 图1-2 四旋翼飞行器受力分析 （2）电机模型 ? 力模型 2i F i F k ω= （1.1） 旋翼通过螺旋桨产生升力。 F k 是电机转动力系数，可取82 6.1110/N rpm -?， i ω为电机转速。 ? 力矩模型
大型四旋翼飞行器的建模与控制外文翻译资料
大型四旋翼的建模与控制 摘要：在研究中使用的典型的四旋翼飞行器重量小于3千克，并且携带数百克测量有效载荷。 在设计和控制中几个障碍必须克服，以应付这推动现有的四旋翼性能的界限预期行业需求。 X-4飞行器，拥有1千克有效载荷的4千克重的四旋翼，旨在成为典型的商用四转子。调整设备的动态与板载嵌入式姿态控制器的定制工艺采用以稳定飞行。独立的线性SISO控制器 设计来调节飞行器的姿态。该系统的性能在室内和室外的飞行中被证明。 1■介绍 直升机的主要限制是需要广泛，成本高，维护运行可靠。无人机（UAV）旋翼机也不例外。明显简化这种工艺的机械结构产生了效益的物流。四旋翼是旋翼航空器不具有复杂的旋转斜 盘和联系在常规设计中，而是使用不同的转子速度以机动飞行的另一种形式。由于大大降低 了机械复杂性和磨损，因此预计精心设计四旋翼将证明本身更健壮和可靠的。然而，对于四 旋翼要想在实际应用方面与直升机具有竞争力，它理想的是最大限度地发挥其动态性能和空 气动力学性能。 自从在21世纪初取得的机器人技术研究人员的关注，四旋翼已经成为重大课题的主题，并且许多关于用来调节他们飞行的动力学和描述方法的论文已经被写。最早期的四旋翼研究是 基于小型飞行爱好工艺，如HMX-4和Draganfly创新公司（2009年）。他们是由镍镉或锂聚合物电池供电，使用速度反馈MEMS陀螺仪的阻尼，但没有侧倾或俯仰角稳定性。研究 四旋翼添加自动稳定性并且使用各种硬件和控制方案。四旋翼的一个例子，一个具有低宽高 比叶片的轮带驱动飞行器。CEA的X4飞行器，一个每个马达上有四个叶片的小型四旋翼， 康奈尔大学的自主飞行器，使用了飞机螺旋桨的大型工艺。 由于其固有的耐用性和紧凑的布局，在工业使用中很有吸引力，但是使四旋翼无人机规模化 的工业使用毫无进展。以前曾试图构建大的，重的四旋翼无人飞行器（例如43千克或41米），如Hoverbot （鲍仁斯坦，1992年）和美国康奈尔自主飞行车辆'AFV'，是由所需的操作（尼斯，2004年）的外部附件和系绳所限制。这个6千克的哈弗机器人由在尾部加入4 个爱好直升机建造。它可以把自己升到空中，但是从不能飞离其传感器的测试框架。该6.2公斤AFV是定制与爱好螺旋桨，电机，电子调速控制器和锂电池。它用于轴编码器闭环转子速度控制，和卡尔曼滤波器来执行惯性传感器偏差估计。它飞行具有束缚力，但飞行的伤害阻碍了进一步的测试。在商业领域，几个小组宣布，计划向4-6kg 设备市场进军，但这些并没有体现在产品上，而次级2公斤工艺的许多例子，现在一应俱全。大于3公斤的四旋翼无人机比较稀有可以归因于所遇到作为车辆的重量增加了无数的设计挑战，并且随之而来的，必须严谨保障比例更脆 弱的硬件。 作者确定了实际飞行机的下一个挑战之一是旋翼气动力和控制性能，满足运营商的 需求增长的最大化。虽然许多任务可以用小的有效载荷和飞行时间短，更大的负荷 和更长的飞行时间是一个商用车更实用。 这种挑战可以通过增加车辆的尺寸和功率。由转子产生的推力是它的半径的第四 的功率和角速度的平方成正比。所需的输入功率，在悬停的半径成反比，使得使用 更大的车辆和提高性能的更高功率的转子。直升机大小的主要限制是结构，转子大 得垂向地面。转子的重量和动态的控制性能，可以实现的后果。