四轴飞行器设计

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项目结题报告

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二、指导教师意见

三、项目专家组意见

四、项目成果

四轴飞行器设计

摘要

四轴飞行器具备垂直起降飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。因此，四轴飞行器的研究意义重大。

本文主要讨论四轴飞行器的设计实现。首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的发展以及研究成果，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理论进行的研究方法和所取得成果。其次给出本项目所设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。着重从机械结构与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的样机设计。文中详细分析了机械结构设计中的选材以及元器件选型，实现了一个切实可用，能够满足应用研究的四轴飞行器样机模型。一个稳定可用的样机模型是实现四轴飞行器的基础。之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，分析其飞行姿态原理。对控制器中需要用到姿态角求解部分进行了详细论述。姿态角的求解在整个四轴飞行器设计中也是核心内容之一。通过软件设计实现飞行控制器方案。最后对飞行器各性能指标进行考察，进行实地飞行、调试优化飞行器软件控制器设计

关键词：四轴飞行器，飞行控制器，无人机。

一.课题背景

1.1背景：四轴飞行器，一个陌生新奇的东西慢慢地走入我们小组的生活。四轴飞行器现在是科学家想要完成突破的重要课题，但是不免遇到了很多实用性的技术难题，研究与实践应用之间还是有一定的距离的。但普通的四轴飞行器在现在已经不是我们触不可及的高精尖的科技，它现在已经成为大学生进行科技创新的一个训练，成为我们提高自身科技技术水平的桥梁；对于研究人员，他们在微电子领域不断地提高四轴飞行器的质量，增强它的功能；而很多电子爱好者也已经能够熟练地掌控四轴飞行器。

虽然现在研发的四轴飞行器有尺寸较小，运动灵活等优势，但是四轴飞行器也遇到了一些技术上的难题如载重量小，续航时间较短，产生恼人的噪音等等。对四轴飞行器的设计与优化，需要空气动力学与自动控制等方面的人才，而现在我们的小组没有对这些方面的涉猎，但我们可以在网络上获取大量的相关资源与技术支持，虽然我们有时找不到思路，但是我们并不是在未知中探索。慢慢地我们的困难会一点点被克服。四轴飞行器已经作为新兴的遥控航拍机进入了人们的生活，与其他的电子产品相同，它会逐渐开始普及，变得越来越先进。解决现在遇到的种种问题，并实现现在人们提出的假想。

当然，四轴飞行器在商业，农业，军事，消防，工业方面的前景是非常广阔的，例如商业上，技术人员可以通过增大其载重降低其噪音来使用四轴飞行器发放快递，传递信息；农业上可以进行田地的勘测，而装有太阳能电池板的四轴飞行器可以节能的进行种子的播撒；对于军事，四轴飞行器有着可怕的前景，四轴飞行器可以制作成与小型鸟类一样的大小，并使用透明机体，这样就可以达到一系列军事目的，如果在四轴飞行器携带炸弹或更恐怖的武器，后果不堪设想；关于消防，四轴飞行器由于动作灵活可已进行快速地勘测与救援；而在工业方面四轴飞行器可以在大型化工厂，高压输电线，地震后山区等人工不易到达的区域进

行勘察与检测。无人机可以在工人的操控下进行工作，可以代替人工对巡检对象实施接近检测，减少工人的劳动强度。小型化的无人机可以携带传感仪器、摄像机等设备，对巡检对象进行数据收集、分析和存储，而正因为小型无人机具有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用等特点，在安全巡检领域小型化无人机已经成为研究热点。

1.2 国内外研究现状：飞行器设计起源于美国莱特兄弟，在1903年他们成功研制出世界上拿第一家能真正载人飞行的动力飞机。在二十世纪二十年代法国标致汽车公司的年轻工程师设计出最早的能够悬停的拥有四个旋翼的飞行器。早期的四轴飞行器中都有设置额外的垂直于主旋翼的旋翼，并将其设置于飞行器的前方和后方以提供拉力或推力，用以驱动飞行器前进，所以说这并不能算是真正意义上的四轴飞行器。在1956年，covertawings公司纽约制造了第一架原型机，取得巨大成功。近年来，随着新材料科技、MEMS等一些学科的蓬勃发展，小型四轴飞行器的开发和研制又出现了新的方法，也使得四轴飞行器的研究有了新的方向。当今世界上对四轴飞行器的研究主要集中在自主飞行以及多机协调编队等方面的研究。

二.课题研究内容及方法

2.1研究内容

本文主要任务是设计四轴飞行器样机，并简单的了解飞行控制器算法。实现稳定、受控的飞行的四轴飞行器，为后期的研究奠定基础。四轴飞行器是一个前驱动系统，具有非线性和时变动力学特性，这使得精确建模非常的困难，通过查阅大量的文献资料，最终选择使用开源飞行控制器。

本文主要从以下几个方面入手对四轴飞行器的设计进行详细的研究：

①四轴飞行器样机结构的搭建。

②飞行控制器的软件设计了解与调试。

③飞行测试。

2.2元件的选择

（1）pixhawk：由于飞行器的程序过于复杂，现有知识有限，因此选择已经较为成熟的PIX飞控板，四轴飞行器在有限的载重基础上要实现复杂的控制，在系统硬件选型上应考虑低密度、低功耗、高性价比的产品。鉴于在飞行过程中，飞行器易于受外界的干扰，因此在飞行控制器的设计中应能实现受控飞行与自主飞行的模式切换，使得地面操控人员能够在紧急的情况下对飞行器实现控制，避免因外界的干扰使得飞行器失控造成事故。而在自主飞行模式中，飞行器应能够按照给定任务，自主实现飞行器的姿态的控制；在受控飞行中，飞行器的姿态与飞行路径应受控于地面控制站。

（2）电调，电机，桨叶，锂电池：

根据各自的性质配套购买，选择了30A的电调，980kv的电机，1010的桨叶，3S、11.1V 的锂电池。无刷直流电机的转速控制是通过改变电机电枢电压接通时间与通电时间周期的比

例值（占空比）来改变平均电压的大小实现的。每一个电机都需要单独的控制逻辑，对于飞行控制器来说是比较大的负担，因此采用电子调速器对其转速进行调节，飞行控制器只需将控制信号给每个电机的电子调速器即可。

（3）机架：由于初学四轴飞行器，所以选择结构简单、易于安装的F450机架。其热膨胀系数小、耐高温、耐磨损、等特点，尺寸稳定，不易变形。

（4）遥控器：

根据经费使用情况和对遥控器的初步了解，选择较低价格的富斯遥控器。其原理不做深入了解。

2.2元电路设计

忽略各个器件的内部电路，四轴飞行器分为驱动模块，控制模块，接收模块。

（1）驱动模块：由锂电池对电调，电机以及飞控供电；电调通过转化为电机提供适宜的电压。

（2）控制模块：飞行控制器通过内部的算法调整飞行器的姿态，保持飞行的安全及稳定。

（3）接收模块：通过飞控与接收机的连接，实现遥控器对飞行器的控制。

三.研究结果

本文将从一下几个方面论述四轴飞行器设计的研究结果：

①飞行器结构搭建。通过对飞行器机械架构与飞行原理的分析，初步完成一个能够

满足应用研究的四轴飞行器的初步搭建。

②初步了解四轴飞行器动力学模型。分析四轴飞行器的空气动力学特性和飞行姿态

控制原理。准确的分析与建模是四轴飞行器控制算法设计的基础。

③初步了解四轴飞行器飞行控制算法。通过git软件了解开源代码，着重了解姿态

角算法与PID算法。姿态角的求解在整个四轴飞行器的控制算法设计中是核心内容之一。

四.结束语

经过一学年的努力，项目化终于接近尾声，虽然最终结果并不好，但是制作过程中，项目化小组带给了我很多，让我明白责任心，克服困难的勇气和团队合作意识。同时感谢的教导与对项目态度的影响。

五.参考文献

[1]. Marc T. Thompson 实用模拟电路设计张乐峰译，出版社:人民邮电出版社出版

时间:2009-2-1

[2].蔡国玮无人驾驶旋翼飞行器系统，清华大学出版社，出版时间：2012年7月

[3].孙海等人空中机器人（四旋翼）专项教育教材，出版社：哈尔滨工程大学出版社，

出版时间：2013年3月

[4].祝丽小型四轴飞行器控制器的设计研究，电子世界，2014（22）：260-261

[5].宫琛四轴飞行器的研究与设计安徽理工大学出版社，出版时间：2015

[6].万俊四轴飞行器的研究与制作华中师范大学出版社，出版时间：2014