第一篇：關(guān)于四旋翼飛行器的心得

關(guān)于四旋翼飛行器的心得

對于飛行器或者航模之類的映像，是在高中時期，學(xué)校有航模小組，經(jīng)?？梢钥吹侥弥侥５膶W(xué)生在進行試飛，當(dāng)時心中感覺“航?！笔欠浅Ｓ幸馑疾⑶摇案呖萍肌?。如今已經(jīng)歷高考進入大學(xué)，在學(xué)校的為我們安排的導(dǎo)師制計劃中，非常幸運的加入無人機航拍飛行器小組，關(guān)于四旋翼飛行器，在查閱了相關(guān)資料后，有了一定的了解。

四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。Seraphi 是一款可用于空中拍攝的一體化多旋翼飛行器，它外觀時尚精美，做工精湛，還擁有集成了自身研發(fā)的飛行動力系統(tǒng)，并配置專業(yè)的無線電遙控系統(tǒng)。Seraphi集成易作、易維護的穩(wěn)定設(shè)計，在出廠前已經(jīng)設(shè)置并調(diào)試所有的飛行參數(shù)及功能，具有免安裝、免調(diào)試的快速飛行模式。Seraphi 攜帶方便，可以搭配GoPro或者其它微型相機錄制空中視頻。

記得在TED的講座中，有一期叫做“TED-紅遍全球的的炫酷飛行器”，這個講座說明了四旋翼飛行器的一些特點。1.時尚精美、做工精湛。Seraphi外觀時尚精美，做工精湛，還擁集成了自身研發(fā)的飛行動力系統(tǒng)，并配置專業(yè)的無線電遙控系統(tǒng)。2.集成易作、易維護的穩(wěn)定設(shè)計。Seraphi集成易作、易維護的穩(wěn)定設(shè)計。Seraphi 攜帶方便，可以搭配GoPro或者其它微型相機錄制空中視頻。3.自由切換多種飛行模式。Seraphi內(nèi)置自身研發(fā)的飛行控制系統(tǒng)，具備多種飛行模式，可以根據(jù)不同的飛行需要以及不同的飛行環(huán)境進行實時的智能切換以達到不一樣的飛行體驗。4.方向控制靈活。Seraphi具備自身研發(fā)飛控系統(tǒng)，方向控制靈活。在通常飛行過程中，可以根據(jù)需要，進行靈活縱。

制作航拍飛行器能夠讓培養(yǎng)我們的團隊合作意識，拓寬我們的知識領(lǐng)域，同時讓我們動手實踐的能力得到提升，相信這次經(jīng)歷肯定能成為我的大學(xué)生活中最值得回憶的事情之一。

第二篇：動態(tài)系統(tǒng)建模（四旋翼飛行器仿真）實驗報告

動態(tài)系統(tǒng)建模（四旋翼飛行器仿真）

實驗報告

院（系）名稱

大飛機班

學(xué)號

學(xué)生姓名

任課教師

2011年

X月

四旋翼飛行器的建模與仿真

一、實驗原理

I．四旋翼飛行器簡介

四旋翼飛行器通過四個螺旋槳產(chǎn)生的升力實現(xiàn)飛行，原理與直升機類似。四個旋翼位于一個幾何對稱的十字支架前、后、左、右四端，如圖1-1所示。旋翼由電機控制；整個飛行器依靠改變每個電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。

在圖1-1中，前端旋翼1

和后端旋翼3

逆時針旋轉(zhuǎn)，而左端旋翼2

和右端的旋翼4

順時針旋轉(zhuǎn)，以平衡旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭轉(zhuǎn)矩。由此可知，懸停時，四只旋翼的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相等，以相互抵消反扭力矩；同時等量地增大或減小四只旋翼的轉(zhuǎn)速，會引起上升或下降運動；增大某一只旋翼的轉(zhuǎn)速，同時等量地減小同組另一只旋翼的轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生俯仰、橫滾運動；增大某一組旋翼的轉(zhuǎn)速，同時等量減小另一組旋翼的轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)生偏航運動。

圖1-1

四旋翼飛行器旋翼旋轉(zhuǎn)方向示意圖

從動力學(xué)角度分析，四旋翼飛行器系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的，因此，使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制算法的設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。由于四旋翼飛行器為六自由度的系統(tǒng)（三個角位移量，三個線位移量），而其控制量只有四個（4

個旋翼的轉(zhuǎn)速），這就意味著被控量之間存在耦合關(guān)系。因此，控制算法應(yīng)能夠?qū)@種欠驅(qū)動（under-actuated）系統(tǒng)足夠有效，用四個控制量對三個角位移量和三個線位移量進行穩(wěn)態(tài)控制。本實驗針對四旋翼飛行器的懸浮飛行狀態(tài)進行建模。

II．飛行器受力分析及運動模型

（1）整體分析

如圖1-2所示，四旋翼飛行器所受外力和力矩為：

?

重力mg，機體受到重力沿-Zw方向

?

四個旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向

?

旋翼旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩Mi

(i=1,2,3,4)，Mi垂直于葉片的旋翼平面，與旋轉(zhuǎn)矢量相反。

圖1-2

四旋翼飛行器受力分析

（2）電機模型

?

力模型

（1.1）

旋翼通過螺旋槳產(chǎn)生升力。是電機轉(zhuǎn)動力系數(shù)，可取，為電機轉(zhuǎn)速。

?

力矩模型

旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依據(jù)右手定則確定。

（1.2）

是電機轉(zhuǎn)動力系數(shù)，可取為電機轉(zhuǎn)速。

?

轉(zhuǎn)速模型

當(dāng)給定期望轉(zhuǎn)速后，電機的實際轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過一段時間才能達到。實際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為一階延遲：

（1.3）

響應(yīng)延遲時間可取0.05s(即)。期望轉(zhuǎn)速則需要限制在電機的最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速之間，范圍可分取[1200rpm，7800rpm]。

（3）運動方程

飛行器受到外界力和力矩的作用，形成線運動和角運動。線運動由合外力引起，符合牛頓第二定律，如公式(1.4)所示：

（1.4）

r為飛機的位置矢量。注意：公式（1.4）是在地平面坐標(biāo)系中進行描述的。

角運動由合力矩引起。四旋翼飛行器所受力矩來源于兩個方面：1）旋翼升力作用于質(zhì)心產(chǎn)生的力矩；2）旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。角運動方程如公式（1.5）所示。其中，L

為旋翼中心建立飛行器質(zhì)心的距離，I

為慣量矩陣。

（1.5）

III．控制回路設(shè)計

控制回路包括內(nèi)外兩層。外回路由Position

Control

模塊實現(xiàn)。輸入為位置誤差，輸出為期望的滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角。內(nèi)回路由Attitude

Control

模塊實現(xiàn)，輸入為期望姿態(tài)角，輸出為期望轉(zhuǎn)速。Motor

Dynamics

模塊模擬電機特性，輸入為期望轉(zhuǎn)速，輸出為力和力矩。Rigid

Body

Dynamics

是被控對象，模擬四旋翼飛行器的運動特性。如圖1-3

圖1-3

包含內(nèi)外兩個控制回路的控制結(jié)構(gòu)

（1）內(nèi)回路：姿態(tài)控制回路

對四旋翼飛行器，我們唯一可用的控制手段就是四個旋翼的轉(zhuǎn)速。因此，這里首先對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的作用進行分析。假設(shè)我們希望旋翼1的轉(zhuǎn)速達到，那么它的效果可分解成以下幾個分量：

：使飛行器保持懸停的轉(zhuǎn)速分量；

：除懸停所需之外，產(chǎn)生沿ZB軸的凈力；

：使飛行器負(fù)向偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速分量；

：使飛行器正向偏航的轉(zhuǎn)速分量；

因此，可以將期望轉(zhuǎn)速寫成幾個分量的線性組合：

（1.6）

其它幾個旋翼也可進行類似分析，最終得到：

（1.7）

在懸浮狀態(tài)下，四個旋翼共同的升力應(yīng)抵消重力，因此：

（1.8）

此時，可以把旋翼角速度分成幾個部分分別控制，通過“比例-微分”控制律建立如下公式：

（1.9）

綜合式（1.7）、（1.8）、（1.9）可得到期望姿態(tài)角-期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即內(nèi)回路。

（2）外回路：位置控制回路

外回路采用以下控制方式：

?

通過位置偏差計算控制信號（加速度）；

?

建立控制信號與姿態(tài)角之間的幾何關(guān)系；

?

得到期望姿態(tài)角，作為內(nèi)回路的輸入。

期望位置記為?？赏ㄟ^PID

控制器計算控制信號：

（1.10）

是目標(biāo)懸停位置是我們的目標(biāo)懸停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信號。注意：懸停狀態(tài)下線速度和加速度均為0，即。

通過俯仰角和滾轉(zhuǎn)角控制飛行器在XW和YW平面上的運動，通過控制偏航角，通過控制飛行器在ZB軸上的運動。對（1.4）進行展開，可得到：

（1.11）

根據(jù)上式可按照以下原則進行線性化：

（1）將俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的變化作為小擾動分量，有，，（2）偏航角不變，有，其中初始偏航角，為期望偏航角（3）在懸停的穩(wěn)態(tài)附近，有

根據(jù)以上原則線性化后，可得到控制信號（期望加速度）與期望姿態(tài)角之間的關(guān)系：

（1.12）

根據(jù)式(1.10)已經(jīng)通過PID

控制器得到了作為控制信號的期望加速度，因此，將（1.12）式反轉(zhuǎn)，由期望加速度計算期望姿態(tài)角，作為內(nèi)回路的輸入：

（1.13）

二、實驗步驟

I．搭建Simulink仿真控制回路

根據(jù)實驗原理中運動方程及控制回路設(shè)計，搭建Simulink控制回路，如圖2-1所示。主要分為五個部分：Position

Control（由期望的位置誤差通過控制律設(shè)計計算出期望的姿態(tài)角），Attitude

Control（由姿態(tài)角信息和各軸角速度信息通過控制律計算出給電機的控制信號），Motor

Dynamics（通過給電機的控制信號由電機模型計算出每個電機的輸出力和力矩），Rigid

Body

Dynamics為四旋翼飛行器的仿真模型，由產(chǎn)生的力和力矩計算出仿真模型的姿態(tài)和位置信息，VR

Sink為四旋翼飛行器的虛擬顯示模型。

圖2-1

仿真Simulink模型

下面給出每個子系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖及控制律設(shè)計部分。

圖2-2

Position

Control子系統(tǒng)

圖2-3

位置PID控制器結(jié)構(gòu)

圖2-4

Attitude

Control子系統(tǒng)

圖2-5

姿態(tài)角和三軸角速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

圖2-6

Motor

Dynamics子系統(tǒng)輸出力及力矩模型

圖2-7

Rigid

Body

Dynamics子系統(tǒng)

II．利用V-Realm

Builder建立四旋翼飛行器的虛擬模型

利用V-Realm

Builder建立四旋翼飛行器的大致虛擬模型，并建立四個父類分別為Simulink輸入提供質(zhì)心位移信息和機體姿態(tài)信息，如圖2-8所示。

圖2-8

四旋翼飛行器虛擬模型

III．利用MATLAB

GUI建立四旋翼飛行器仿真的控制界面

利用MATLAB

GUI建立仿真控制界面，所建立的控制界面如圖2-9所示。

圖2-9

MATLAB

GUI仿真控制界面

界面主要分為四個部分，Struct

Parameters

Panel設(shè)置飛行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部變量，Desired

Position

Panel設(shè)置期望控制飛行器所到達的位置，Control

Parameters

Panel設(shè)置PID控制律所需的增益參數(shù)和仿真時間，Plot

Panel顯示仿真結(jié)果圖形并對圖形效果進行簡單的控制。

三、仿真結(jié)果

運行GUI，輸入所需參數(shù)或者采用默認(rèn)參數(shù)，點擊load

data按鈕分別將三組參數(shù)載入，點擊Start按鈕，仿真開始運行。跳出VR顯示，并在仿真結(jié)束后繪制飛行器三方向的坐標(biāo)信息曲線和飛行器位置曲線。VR顯示過程中某一時刻如圖3-1所示，仿真結(jié)束后控制界面顯示的曲線如圖3-2所示。期望達到的目標(biāo)點設(shè)置為（10,15,20）。

圖3-1

VR顯示四旋翼飛行器運動狀態(tài)

圖3-2

四旋翼飛行器控制平臺

四、總結(jié)與體會

由仿真結(jié)果可以看出，四旋翼飛行器最終位置達到了期望給定的位置，三個方向的響應(yīng)曲線最終平穩(wěn)，對應(yīng)飛行器懸停在期望位置，達到了控制要求。本次試驗收獲很多，學(xué)習(xí)到了很多知識，熟悉了SIMULINK由簡至繁搭建系統(tǒng)的過程，學(xué)習(xí)了利用V-Realm

Builder建立虛擬模型，并在SIMULINK中連接，也熟悉了MATLAB

GUI界面的編寫和搭建過程。

第三篇：四旋翼產(chǎn)品說明書最終稿（范文）

2012年遼寧省普通高等學(xué)校大學(xué)生 機械設(shè)計大賽參賽作品說明書

參賽單位：遼東學(xué)院 設(shè)計課題：四軸碟形飛行器

參賽學(xué)生：吳家?guī)?、李成祥、?巖、祁 勇、楊惠麟 指導(dǎo)教師：劉 瀛、劉廣達

-***782這款四軸飛行器適合多種型號的飛控板配合使用。有利于批量生產(chǎn)，四軸飛行器又一亮點是成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于功能相同的航模價格。此外，工人易操作，使用簡單，維護方便，用途多樣。1.2國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

在微型飛行器的研究方面,目前歐美等發(fā)達國家遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在全球的前列,且成功研究了固定翼式、旋翼式和撲翼式各類微型飛行器。相比較之下，我國研究所和各大高校的研究人員雖然也開始展開了相關(guān)研究,但更多停留在理論設(shè)計階段，實踐的成功案例較為少見。產(chǎn)品說明書

2.1設(shè)計方案

現(xiàn)有的四軸飛行器存在著操作困難、安全保障低、價格昂貴等原因，受人們的喜愛程度較低，而且最主要原因是不能解決人員的安全問題。但是，性能好的四軸飛行器的價格比較昂貴，這種因素的限制之下，航模的市場很難滿足飛行操作者的欲望要求。本產(chǎn)品恰恰從這個角度出發(fā)，為航模愛好者量身打造具有價格低廉，操作簡單，維護方便，人身傷害比較小，有較為廣泛的應(yīng)用的四軸碟形飛行器。

為了實現(xiàn)安全飛行的目的我們小組起初設(shè)想了以下幾種方案： 方案一：機架“十字形”方案

方案二：碟形外殼“十字鑲嵌”方案

方案三：模具制作外殼、將電機、槳、電路板嵌在殼體內(nèi)方案 通過反復(fù)的實驗，我們小組決定采用第三種方案。

首先，與方案一相比較，方案三在外殼制作及組合安裝上更容易，可以完成批量生產(chǎn)。從具體實施以及可行性角度分析，方案三更加具體完整。由于螺旋槳、電池、電路板等都是內(nèi)鑲的，根據(jù)空氣動力學(xué)可知，碟形外殼更加有利于飛行穩(wěn)定性，大大提高安全系數(shù)。

其次，與方案二相比較，方案三殼體較輕，負(fù)載比較小，容易固定，協(xié)調(diào)性也有了很大的改善。最后，與前兩個方案相比較，方案三飛行效果及安全性更好，動作靈敏度更高，飛行動力更加持久，抗風(fēng)抗干擾性能力更強，能夠有效的完成各種動作。

綜上所述，我們改進方案

一、方案

二、決定采用方案三為最終的作品方案。理論設(shè)計計算

3.1作品內(nèi)部重要零部件介紹

四軸碟形飛行器中各參數(shù)說明表

標(biāo)準(zhǔn)配置 總體 螺旋槳 電子調(diào)速器

電機 遙控器 攝像頭 四軸飛行器

描述 700*700

正反2對90*50槳；尺寸在200mm至300mm之間；總體載重量在600g至1000g之間

好贏2212 10A 新西達2212 KV980 天地飛6通道2.4GHz

300萬像素

總體質(zhì)量在1500g至2500g之間

表1

圖1電機

圖2螺旋槳

圖3 電池

圖5 飛行控制主板

圖7 接收設(shè)備

圖4 電調(diào)

圖6 電壓測試器

圖8 拍攝設(shè)備

動力源提供裝置：

采用直流電源3S鋰電池，該電池的容量大，有充放電的保護，電池的質(zhì)量輕，其質(zhì)量為191.9克。電子調(diào)速器：

由于我們需要四軸碟形飛行器在空中完成各種動作，所以需要一個調(diào)速的裝置進行調(diào)速，當(dāng)操作者想要改變方向時，電子調(diào)速器會將從接收器得來的信號進行處理將直流電源轉(zhuǎn)換成交流帶信號，這樣電機就會接收到信號，自動將速度進行改變，進而改變飛行器的姿態(tài)及位置。

拍攝及接收裝置：

拍攝的攝像頭采用可以發(fā)射出模擬信號，將拍攝到的流暢彩色視頻及聲音進行無線傳輸，調(diào)制模式采用AM調(diào)制，有效傳輸距離120m，工作時間可達2小時。其質(zhì)量為32克。

接收裝置采用支持帶UHF波段模擬電視接收功能的多種電子設(shè)備終端,包括手機,電視,筆記本電腦,MP4,數(shù)碼相框等電子設(shè)備，我們的作品采用的是手機。

遙控器及接收器

遙控器采用天地飛六通道2.4GHz，有效傳輸范圍在200m左右。接收器是天地飛遙控器配套的接收器，其質(zhì)量為8克。

工作流程圖 飛行流程圖：

飛行前的準(zhǔn)備→遙控器及飛行器解鎖→起飛→操作遙控器慢慢退下油門使飛行器慢慢減速降落 左右轉(zhuǎn)彎流程圖：

起飛→向左（右）旋轉(zhuǎn)→遙控器方向舵向左（右）打→飛行器實現(xiàn)向左（右）飛行 前后流程圖：

起飛→向前（后）飛行→遙控器方向舵向前（后）打→飛行器實現(xiàn)向前（后）飛行 其他的動作（翻滾、俯仰、橫滾）參考以上的流程圖即可實現(xiàn)。創(chuàng)新點及應(yīng)用

1）操作和控制簡便。集合了原有四軸飛行器的優(yōu)點，碟形的設(shè)計更加美觀，在平衡方面更加有優(yōu)勢?？梢赃M行危險作業(yè)的同時還具有很強的趣味性，自主研發(fā)和獨到的設(shè)計理念給航模愛好者耳目一新的感覺，與此同時在娛樂方面也增長了知識。

2）安全指數(shù)高。相對簡單的機械構(gòu)造，使安全指數(shù)大幅度提高，無論是作為航空模型還是作為遙控平臺，安全永遠(yuǎn)是第一位的。

3）成本低廉。飛行器外殼采用的是模具成型技術(shù)，為工業(yè)開發(fā)其商業(yè)用途奠定了必要的基礎(chǔ)。4）適用于進行危險性系數(shù)比較大的作業(yè)。在發(fā)生震后塌方和泥石流等自然災(zāi)害的時候，監(jiān)控室的監(jiān)控人員可以實現(xiàn)對飛行器無線的遙控，當(dāng)飛行器飛行到災(zāi)后現(xiàn)場上空時，通過所攜帶的攝像頭將圖像資料無線傳輸給監(jiān)控室,給現(xiàn)場決策提供幫助，減少傷害的發(fā)生。

5）適用于航測，軍事應(yīng)用等。足夠的穩(wěn)定性和抗風(fēng)性，可以滿足很多要求懸停能力的測量及軍事應(yīng)用。

目前在國內(nèi)，四軸碟形飛行器的發(fā)展尚未成熟，很多不足都需要改進，因此我們獨到的設(shè)計可以引領(lǐng)四軸碟形飛行器進入一個創(chuàng)新領(lǐng)域。

參考文獻

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第四篇：淺談基于SolidWorks 和ANSYS 的一種四旋翼飛行器旋翼的設(shè)計及分

1、前言

四旋翼無人飛行器是一種結(jié)構(gòu)緊湊、飛行方式獨特的垂直起降式飛行器, 因其起飛降落所依賴空間小, 及姿態(tài)保持能力強等優(yōu)點, 在軍事和民用多個領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼1 和旋翼3 逆時針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼4 順時針旋轉(zhuǎn)，四個旋翼的設(shè)計對四旋翼無人飛行器的最大載重和平衡性有著重要關(guān)系，由于我們無法直觀的用肉眼分析旋翼設(shè)計是否能夠滿足要求，所以筆者采用ANSYS 對一種四旋翼飛行器的螺旋槳進行設(shè)計及分析，由于ANSYS 三維建模效率低，因此采用SolidWorks 進行設(shè)計后，再導(dǎo)入ANSYS 進行相關(guān)分析和處理。

2、旋翼模型建立及調(diào)用

四旋翼飛行器螺旋槳主要是由SolidWorks 軟件建立三維模型。將模型體在SolidWorks 中另存為X_T 格式，然后啟動ANSYS 軟件，在對話框中導(dǎo)入四旋翼飛行器旋翼模型X_T 文件。定義單元類型，采用三維實體單元，然后定義材料屬性，定義彈性模量為 8.3 GPa，泊松比為 0.28，密度為 1180 kg/m3，接下來對旋翼模型進行網(wǎng)格劃分。再在模型上添加面1、面2 為固定面。同時在xcomponent、y component、z component 三欄分別輸入0。在inertial中Rotation Velocity 欄中的magnitude 中輸入?yún)?shù)60，即角速度60rad/s。以螺旋槳中心孔的軸線為旋轉(zhuǎn)軸。在后處理階段選擇solution 工具欄的stress 中的Equivalent, 以觀察等效應(yīng)力。選擇solution 工具欄的strain 中的Equivalent, 以觀察等效應(yīng)變。選擇solution 工具欄的Deformation 中的total, 以觀察總應(yīng)變。

3、ANSYS 分析

結(jié)合四旋翼飛行器螺旋槳以60rad/s 轉(zhuǎn)動時的應(yīng)力圖、應(yīng)變圖及總的應(yīng)變。我們可以看出螺旋槳螺旋槳的應(yīng)力分布，其中顏色有藍色到紅色逐漸增加。我們可以看出螺旋槳螺旋槳的應(yīng)變分布，其中顏色有藍色到紅色逐漸增加，應(yīng)變可以看出與應(yīng)力大致吻合。我們可以看出螺旋槳螺旋槳的總應(yīng)變分布，其中顏色有藍色到紅色逐漸增加。分析可以得出旋翼設(shè)計安全可靠。

4、結(jié)束語

本文以四旋翼飛行器螺旋槳為研究對象，先用SolidWorks 軟件對四旋翼飛行器螺旋槳進行建模，然后將SolidWorks 模型導(dǎo)入ANSYS中進行螺旋槳的受力分析，最后得出四旋翼飛行器螺旋槳的所受的應(yīng)力圖、應(yīng)變圖及總的應(yīng)變，為螺旋槳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了必要的參數(shù)。

第五篇：四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計論文

四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。下面由學(xué)術(shù)堂為大家整理出一篇題目為“四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計”的航天工程論文，供大家參考。

原標(biāo)題：四旋翼控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：在充分考慮四旋翼飛行器功能及性能的基礎(chǔ)上，給出了微型四旋翼飛行器的實現(xiàn)方案，采用RL78G13為核心處理器，采用MPU6050實現(xiàn)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，利用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)參數(shù)的無線傳輸，并進行了驅(qū)動電路、電源穩(wěn)壓電路、電池電壓檢測電路的設(shè)計。針對四旋翼飛行器在工作過程中供電電壓不斷降低導(dǎo)致控制不穩(wěn)的問題，采用電池電壓反饋的控制策略有效解決了該問題。在搭建的硬件平臺上，編寫了相應(yīng)的控制程序，經(jīng)過測試，實現(xiàn)了四旋翼飛行器的穩(wěn)定控制。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；姿態(tài)數(shù)據(jù)；無線傳輸

四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。軍方利用四旋翼飛行器進行偵查、監(jiān)視、誘餌與通信中繼，解決了人為操作困難的問題，甚至減免了人員的傷亡；而在民用上，四旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)大氣監(jiān)測、交通監(jiān)控、森林防火等功能，有效預(yù)防了危機的產(chǎn)生，而促使四旋翼飛行器得到廣泛應(yīng)用的前提，是實現(xiàn)其平穩(wěn)飛行及自主運行[1].本設(shè)計以實現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與按照預(yù)定軌道自主飛行為目標(biāo)，旨在探索四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)與飛行原理，并通過實際調(diào)試，理解四旋翼飛行器的相關(guān)控制理論，并解決四旋翼飛行器在工作過程中由于供電電壓不斷降低導(dǎo)致控制不穩(wěn)的問題。

1設(shè)計原理方案

四旋翼飛行器的核心是利用MPU6050對其飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度值進行采集，主控制器采用四元數(shù)方法及PID算法對姿態(tài)數(shù)據(jù)進行解算，并將計算后的PWM控制信號施加到電機上，進而實現(xiàn)對四旋翼飛行器的控制。

通過調(diào)研及綜合目前四旋翼飛行器系統(tǒng)的特點及要求，確定了設(shè)計的性能及指標(biāo)如下。

（1）通信功能：具有無線接口，實現(xiàn)飛行功能的無線設(shè)定。

（2）飛行功能：①自主空中懸停于60cm處；②垂直升起至30cm處，水平飛行60cm后穩(wěn)定降落；③垂直升起至60cm處，水平飛行1m后穩(wěn)定降落；④由無線設(shè)定高度及飛行距離，完成起飛及降落功能。

基于對需要實現(xiàn)功能的理解，確定該設(shè)計的核心控制器為16位MCU芯片RL78G13,主要完成飛行數(shù)據(jù)的處理、PID運算及PWM的輸出。系統(tǒng)由RL78G13最小系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊、飛行數(shù)據(jù)采集模塊、電池電壓檢測模塊、高度檢測模塊、電源電路模塊、電機驅(qū)動模塊等構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

各模塊的功能如下：RL78G13最小系統(tǒng)作為四旋翼飛行器的主控；飛行數(shù)據(jù)采集模塊，用于對四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集；高度檢測模塊，實現(xiàn)定位追蹤四旋翼飛行器實際高度信息的功能；無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)；電池電壓檢測模塊，用于消除由于電池電量消耗對四旋翼飛行器造成的影響；電源電路模塊，為整個四旋翼飛行器提供電能；電機驅(qū)動模塊，用于提高I/O口的驅(qū)動帶載能力。

2硬件設(shè)計

2.1電機驅(qū)動電路設(shè)計

RL78G13單片機I/O口輸出電流為10mA,3.7V空心杯電機的空載電流為80mA,顯然采用RL78G13單片機I/O口作輸出，無法驅(qū)動起四路空心杯電機，因此設(shè)計了驅(qū)動電路以提高I/O口的驅(qū)動帶載能力。設(shè)計中采用SI2302N溝道CMOS管進行電流的驅(qū)動放大，單路電機驅(qū)動電路如圖2所示。測試表明，經(jīng)過SI2302驅(qū)動電路放大后，RL78G13能夠穩(wěn)定驅(qū)動四路空心杯電機，且長時間工作時，驅(qū)動電路元件自身發(fā)熱不明顯。

圖2中穩(wěn)壓二極管D1起到續(xù)流及保護SI2302的作用，電機停轉(zhuǎn)過程中，電機內(nèi)部線圈產(chǎn)生的反電動勢經(jīng)D1形成放電通路，避免因無放電通路而擊穿驅(qū)動電路中SI2302的問題。

2.2無線收發(fā)電路設(shè)計

當(dāng)采用功能開關(guān)對四旋翼飛行器飛行方式進行設(shè)定時，隨著其飛行功能越來越多，對功能開關(guān)的使用也將增多，使得四旋翼飛行器的硬件設(shè)計復(fù)雜，而且會增加其自身的重量，同時在實際調(diào)試中，通過功能開關(guān)切換飛行方式，又使得調(diào)試較為繁瑣，工作量較大。故在設(shè)計中引入無線參數(shù)給定的思想，設(shè)計了無線收發(fā)電路，采用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。nRF24L01在使用時所需的外部元件較少，僅需1個16MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，相比于其他無線收發(fā)電路而言，該電路設(shè)計簡單且成本較低。nRF24L01無線收發(fā)電路如圖3所示。

2.3TPS63001穩(wěn)壓電路設(shè)計

四旋翼飛行器在飛行過程中，隨著電機轉(zhuǎn)速的增加，會造成控制電路電壓大幅波動，進而導(dǎo)致各功能模塊無法工作，為了避免此類情況發(fā)生，設(shè)計了TPS63001穩(wěn)壓電路，TPS63001在1.8~5.5V輸入時，均穩(wěn)壓輸出3.3V,保證系統(tǒng)各控制電路電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。TPS63001穩(wěn)壓電路如圖4所示。

2.4電池電壓檢測電路設(shè)計

四旋翼飛行器運行時，電池處于持續(xù)耗電狀態(tài)，實驗中發(fā)現(xiàn)電量的持續(xù)消耗成為影響四旋翼飛行器飛行穩(wěn)定性的重要因素。為了消除其對四旋翼飛行器的影響，因此設(shè)計了電池電壓檢測電路，利用RL78G13自帶的AD實時檢測電池電壓，并通過適時調(diào)整PWM輸出信號的方式對飛行姿態(tài)進行補償，以確保四旋翼飛行器始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.5其他功能模塊電路設(shè)計

其他功能模塊包括RL78G13最小系統(tǒng)、MPU6050數(shù)據(jù)采集電路、高度檢測模塊、功能開關(guān)電路。RL78G13最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路及晶振電路；MPU6050用來采集飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度信息；高度檢測則由GP2Y0A02YK0F模塊實現(xiàn)，其工作原理是發(fā)射的紅外線經(jīng)過地面反射回來，并由模塊輸出電壓信號，輸出的電壓值會對應(yīng)相應(yīng)的探測距離，RL78G13通過測量電壓值就可以得出所探測的距離。設(shè)計的硬件實物圖如圖5所示。

3軟件設(shè)計

四旋翼飛行器在空間上具有6個自由度，分別為載體坐標(biāo)系X、Y、Z軸上的加速度與角速度。核心控制器RL78G13利用MPU6050采集這些參數(shù)，然后進行姿態(tài)解算，最終以PWM控制信號的方式施加到4路空心杯電機上，通過調(diào)整各路PWM信號完成相應(yīng)的飛行控制功能。

3.1控制算法

（1）飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)：RL78G13通過MPU6050采集載體坐標(biāo)系下的三軸加速度與三軸角速度，分別用axB、ayB、azB、ωxB、ωyB、ωzB表示。

（2）數(shù)據(jù)更新：由于設(shè)計中采用四元數(shù)進行歐拉角的計算，而歐拉角將隨著四元數(shù)的變化而變化，設(shè)計中采用四元數(shù)的自補償算法進行數(shù)據(jù)的更新，如式（1）~（4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元數(shù)，Δt為MPU6050的采樣時間。

（3）姿態(tài)角的計算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X歐拉角（分別稱為偏航角、俯仰角和橫滾角）。ψ、θ和φ的計算如式（5）~（7）所示。

（4）補償零點漂移：由于存在陀螺零點漂移和離散采樣產(chǎn)生的累積誤差，由載體坐標(biāo)系下的三軸角速度計算得到的四元數(shù)只能保證短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片內(nèi)部的加速度計對其進行矯正。式（8）~（10）為axB、ayB、azB的數(shù)據(jù)歸一化。

式（11）~（13）中的vx、vy、vz分別為利用四元數(shù)方法估計的四旋翼飛行器載體質(zhì)心的速度在載體坐標(biāo)系三軸上的分量。然后利用式（14）~（16）求出陀螺零點漂移和離散采樣產(chǎn)生的累積誤差ex、ey、ez.再對所得到的誤差進行比例與積分，式（17）~（19）中的gx、gy、gz即為對零點漂移的補償。

（5）PID計算：式（20）~（22）中θd、φd、ψd分別表示下一次解算出來的俯仰角、橫滾角及偏航角的值，eθ、eφ、eψ分別用來表示兩次解算的俯仰角、橫滾角、偏航角的誤差。

kp、ki、kd為PID的控制參數(shù)，利用PID算法通過式（23）~（25），分別求出施加在4個電機上的可調(diào)變量uψ、uθ、uφ。

（6）輸出整合：令motor1、motor2、motor3、motor4為控制4個電機的PWM輸出參數(shù)，Moto_PwmMin為PWM基礎(chǔ)量（根據(jù)不同情況設(shè)定，一般為0）。根據(jù)理論計算，施加在4個電機上的PWM輸出信號如式（26）~（29）所示。

3.2參數(shù)整定與調(diào)試

設(shè)計中采用PID控制算法進行四旋翼飛行器的控制，I是積分項，積分項會隨著時間的增加而增大，能夠消除系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后存在的穩(wěn)態(tài)誤差，但是在實際調(diào)試過程中，通過增大P值可以抑制穩(wěn)態(tài)誤差[2],因此主要是采用PD的控制方式。調(diào)試過程中，對P、D值的同時調(diào)整會產(chǎn)生的兩種控制效果的疊加，以致無法進行每一控制參數(shù)的影響分析，故先使D值為零，P值由0增加，初次調(diào)試時，四旋翼飛行器自身不存在調(diào)節(jié)，當(dāng)P值增加時，根據(jù)式（23）~（25）計算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再經(jīng)式（26）~（29）后，施加在4個空心杯電機上的PWM控制信號均有所變化。調(diào)試中，為了防止四旋翼飛行器控制出錯而損壞硬件，故將四旋翼飛行器以X字型倒掛固定在一根活動的長桿上，當(dāng)P值由0增加到4時，四旋翼飛行器出現(xiàn)了翻滾的飛行狀態(tài)，表明P開始對整體系統(tǒng)起作用，逐漸增大P值，四旋翼飛行器開始產(chǎn)生大幅度的等幅振蕩，當(dāng)P值增大到14時，振蕩幅度減至最低，四旋翼飛行器幾乎穩(wěn)定，再增加P值，四旋翼飛行器又開始進行等幅振蕩，說明P值為14時為系統(tǒng)自穩(wěn)的一個分界點。根據(jù)查閱的大量資料了解到D值是通過預(yù)測系統(tǒng)誤差的變化來減少系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3].調(diào)試過程中，逐漸增加D值，當(dāng)D值增加至0.8時，四旋翼飛行器的自身調(diào)節(jié)更快，穩(wěn)定性更高。同時D值的增加會對P值有一定的影響，最終確定P值為13.8、D值為0.8時，系統(tǒng)穩(wěn)定飛行于長桿上方。當(dāng)去掉長桿時，四旋翼飛行器能夠穩(wěn)定飛行，但隨著飛行時間增加，飛行穩(wěn)定性越來越差，因此考慮了姿態(tài)補償問題。

3.3姿態(tài)補償

在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，電池處于滿電狀態(tài)與大幅度消耗狀態(tài)下，四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)存在較大差異：滿電狀態(tài)下，各部分電路工作穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)速正常，當(dāng)電池的電量持續(xù)消耗時，電機的轉(zhuǎn)速不斷降低，因此四旋翼飛行器的整體性能處于下降趨勢，為了消除這一影響，利用RL78G13實時檢測電池電壓，并適時調(diào)整PWM輸出信號來實現(xiàn)四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)補償。由式（26）~（29）知，通過增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路電機上的PWM信號，進而增大電機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)對飛行姿態(tài)進行補償[4].經(jīng)調(diào)試知，當(dāng)RL78G13檢測到3.7V的電壓降到3.5V時，將Moto_PwmMin增至100對飛行姿態(tài)的補償最佳，隨后電壓值的下降與Moto_PwmMin值的增加基本呈非線性的關(guān)系，經(jīng)大量實驗驗證，補償系數(shù)符合式（30）的規(guī)律，式中u1代表電池當(dāng)前的電壓值。

當(dāng)檢測到的電壓值低于2.6V時，飛行姿態(tài)將無法得到補償，必須停止飛行。將式（30）分別代入式（26）~（29），得到（31）~（34），此4式則為最終施加到4路電機的PWM控制信號。

4結(jié)論

實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡易、飛行姿態(tài)靈活，實現(xiàn)了空中穩(wěn)定懸停及按預(yù)設(shè)路線飛行等兩種飛行功能，并實現(xiàn)了無線參數(shù)的給定，滿足了設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)與功能要求，解決了因供電電壓不斷降低而導(dǎo)致的控制不穩(wěn)的問題。為推動四旋翼飛行器技術(shù)的發(fā)展提供了很好的參考設(shè)計方案。

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