关于四旋翼飞行器的心得

第一篇：关于四旋翼飞行器的心得

关于四旋翼飞行器的心得

对于飞行器或者航模之类的映像，是在高中时期，学校有航模小组，经常可以看到拿着航模的学生在进行试飞，当时心中感觉“航模”是非常有意思并且“高科技”。如今已经历高考进入大学，在学校的为我们安排的导师制计划中，非常幸运的加入无人机航拍飞行器小组，关于四旋翼飞行器，在查阅了相关资料后，有了一定的了解。

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。Seraphi 是一款可用于空中拍摄的一体化多旋翼飞行器，它外观时尚精美，做工精湛，还拥有集成了自身研发的飞行动力系统，并配置专业的无线电遥控系统。Seraphi集成易作、易维护的稳定设计，在出厂前已经设置并调试所有的飞行参数及功能，具有免安装、免调试的快速飞行模式。Seraphi 携带方便，可以搭配GoPro或者其它微型相机录制空中视频。

记得在TED的讲座中，有一期叫做“TED-红遍全球的的炫酷飞行器”，这个讲座说明了四旋翼飞行器的一些特点。1.时尚精美、做工精湛。Seraphi外观时尚精美，做工精湛，还拥集成了自身研发的飞行动力系统，并配置专业的无线电遥控系统。2.集成易作、易维护的稳定设计。Seraphi集成易作、易维护的稳定设计。Seraphi 携带方便，可以搭配GoPro或者其它微型相机录制空中视频。3.自由切换多种飞行模式。Seraphi内置自身研发的飞行控制系统，具备多种飞行模式，可以根据不同的飞行需要以及不同的飞行环境进行实时的智能切换以达到不一样的飞行体验。4.方向控制灵活。Seraphi具备自身研发飞控系统，方向控制灵活。在通常飞行过程中，可以根据需要，进行灵活纵。

制作航拍飞行器能够让培养我们的团队合作意识，拓宽我们的知识领域，同时让我们动手实践的能力得到提升，相信这次经历肯定能成为我的大学生活中最值得回忆的事情之一。

第二篇：动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告

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

学生姓名

任课教师

2011年

X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：

Ø

重力mg，机体受到重力沿-Zw方向

Ø

四个旋翼旋转所产生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向

Ø

旋翼旋转会产生扭转力矩Mi

(i=1,2,3,4)，Mi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

Ø

力模型

（1.1）

旋翼通过螺旋桨产生升力。是电机转动力系数，可取，为电机转速。

Ø

力矩模型

旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依据右手定则确定。

（1.2）

是电机转动力系数，可取为电机转速。

Ø

转速模型

当给定期望转速后，电机的实际转速需要经过一段时间才能达到。实际转速与期望转速之间的关系为一阶延迟：

（1.3）

响应延迟时间可取0.05s(即)。期望转速则需要限制在电机的最小转速和最大转速之间，范围可分取[1200rpm，7800rpm]。

（3）运动方程

飞行器受到外界力和力矩的作用，形成线运动和角运动。线运动由合外力引起，符合牛顿第二定律，如公式(1.4)所示：

（1.4）

r为飞机的位置矢量。注意：公式（1.4）是在地平面坐标系中进行描述的。

角运动由合力矩引起。四旋翼飞行器所受力矩来源于两个方面：1）旋翼升力作用于质心产生的力矩；2）旋翼旋转产生的扭转力矩。角运动方程如公式（1.5）所示。其中，L

为旋翼中心建立飞行器质心的距离，I

为惯量矩阵。

（1.5）

III．控制回路设计

控制回路包括内外两层。外回路由Position

Control

模块实现。输入为位置误差，输出为期望的滚转、俯仰和偏航角。内回路由Attitude

Control

模块实现，输入为期望姿态角，输出为期望转速。Motor

Dynamics

模块模拟电机特性，输入为期望转速，输出为力和力矩。Rigid

Body

Dynamics

是被控对象，模拟四旋翼飞行器的运动特性。如图1-3

图1-3

包含内外两个控制回路的控制结构

（1）内回路：姿态控制回路

对四旋翼飞行器，我们唯一可用的控制手段就是四个旋翼的转速。因此，这里首先对转速产生的作用进行分析。假设我们希望旋翼1的转速达到，那么它的效果可分解成以下几个分量：

：使飞行器保持悬停的转速分量；

：除悬停所需之外，产生沿ZB轴的净力；

：使飞行器负向偏转的转速分量；

：使飞行器正向偏航的转速分量；

因此，可以将期望转速写成几个分量的线性组合：

（1.6）

其它几个旋翼也可进行类似分析，最终得到：

（1.7）

在悬浮状态下，四个旋翼共同的升力应抵消重力，因此：

（1.8）

此时，可以把旋翼角速度分成几个部分分别控制，通过“比例-微分”控制律建立如下公式：

（1.9）

综合式（1.7）、（1.8）、（1.9）可得到期望姿态角-期望转速之间的关系，即内回路。

（2）外回路：位置控制回路

外回路采用以下控制方式：

Ø

通过位置偏差计算控制信号（加速度）；

Ø

建立控制信号与姿态角之间的几何关系；

Ø

得到期望姿态角，作为内回路的输入。

期望位置记为。可通过PID

控制器计算控制信号：

（1.10）

是目标悬停位置是我们的目标悬停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信号。注意：悬停状态下线速度和加速度均为0，即。

通过俯仰角和滚转角控制飞行器在XW和YW平面上的运动，通过控制偏航角，通过控制飞行器在ZB轴上的运动。对（1.4）进行展开，可得到：

（1.11）

根据上式可按照以下原则进行线性化：

（1）将俯仰角、滚转角的变化作为小扰动分量，有，，（2）偏航角不变，有，其中初始偏航角，为期望偏航角（3）在悬停的稳态附近，有

根据以上原则线性化后，可得到控制信号（期望加速度）与期望姿态角之间的关系：

（1.12）

根据式(1.10)已经通过PID

控制器得到了作为控制信号的期望加速度，因此，将（1.12）式反转，由期望加速度计算期望姿态角，作为内回路的输入：

（1.13）

二、实验步骤

I．搭建Simulink仿真控制回路

根据实验原理中运动方程及控制回路设计，搭建Simulink控制回路，如图2-1所示。主要分为五个部分：Position

Control（由期望的位置误差通过控制律设计计算出期望的姿态角），Attitude

Control（由姿态角信息和各轴角速度信息通过控制律计算出给电机的控制信号），Motor

Dynamics（通过给电机的控制信号由电机模型计算出每个电机的输出力和力矩），Rigid

Body

Dynamics为四旋翼飞行器的仿真模型，由产生的力和力矩计算出仿真模型的姿态和位置信息，VR

Sink为四旋翼飞行器的虚拟显示模型。

图2-1

仿真Simulink模型

下面给出每个子系统的仿真结构图及控制律设计部分。

图2-2

Position

Control子系统

图2-3

位置PID控制器结构

图2-4

Attitude

Control子系统

图2-5

姿态角和三轴角速度之间的转换关系

图2-6

Motor

Dynamics子系统输出力及力矩模型

图2-7

Rigid

Body

Dynamics子系统

II．利用V-Realm

Builder建立四旋翼飞行器的虚拟模型

利用V-Realm

Builder建立四旋翼飞行器的大致虚拟模型，并建立四个父类分别为Simulink输入提供质心位移信息和机体姿态信息，如图2-8所示。

图2-8

四旋翼飞行器虚拟模型

III．利用MATLAB

GUI建立四旋翼飞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图2-9所示。

图2-9

MATLAB

GUI仿真控制界面

界面主要分为四个部分，Struct

Parameters

Panel设置飞行器的结构参数和外部变量，Desired

Position

Panel设置期望控制飞行器所到达的位置，Control

Parameters

Panel设置PID控制律所需的增益参数和仿真时间，Plot

Panel显示仿真结果图形并对图形效果进行简单的控制。

三、仿真结果

运行GUI，输入所需参数或者采用默认参数，点击load

data按钮分别将三组参数载入，点击Start按钮，仿真开始运行。跳出VR显示，并在仿真结束后绘制飞行器三方向的坐标信息曲线和飞行器位置曲线。VR显示过程中某一时刻如图3-1所示，仿真结束后控制界面显示的曲线如图3-2所示。期望达到的目标点设置为（10,15,20）。

图3-1

VR显示四旋翼飞行器运动状态

图3-2

四旋翼飞行器控制平台

四、总结与体会

由仿真结果可以看出，四旋翼飞行器最终位置达到了期望给定的位置，三个方向的响应曲线最终平稳，对应飞行器悬停在期望位置，达到了控制要求。本次试验收获很多，学习到了很多知识，熟悉了SIMULINK由简至繁搭建系统的过程，学习了利用V-Realm

Builder建立虚拟模型，并在SIMULINK中连接，也熟悉了MATLAB

GUI界面的编写和搭建过程。

第三篇：四旋翼产品说明书最终稿（范文）

2012年辽宁省普通高等学校大学生 机械设计大赛参赛作品说明书

参赛单位：辽东学院 设计课题：四轴碟形飞行器

参赛学生：吴家帅、李成祥、石 岩、祁 勇、杨惠麟 指导教师：刘 瀛、刘广达

-***782这款四轴飞行器适合多种型号的飞控板配合使用。有利于批量生产，四轴飞行器又一亮点是成本远远低于功能相同的航模价格。此外，工人易操作，使用简单，维护方便，用途多样。1.2国内外相关研究现状

在微型飞行器的研究方面,目前欧美等发达国家远远走在全球的前列,且成功研究了固定翼式、旋翼式和扑翼式各类微型飞行器。相比较之下，我国研究所和各大高校的研究人员虽然也开始展开了相关研究,但更多停留在理论设计阶段，实践的成功案例较为少见。产品说明书

2.1设计方案

现有的四轴飞行器存在着操作困难、安全保障低、价格昂贵等原因，受人们的喜爱程度较低，而且最主要原因是不能解决人员的安全问题。但是，性能好的四轴飞行器的价格比较昂贵，这种因素的限制之下，航模的市场很难满足飞行操作者的欲望要求。本产品恰恰从这个角度出发，为航模爱好者量身打造具有价格低廉，操作简单，维护方便，人身伤害比较小，有较为广泛的应用的四轴碟形飞行器。

为了实现安全飞行的目的我们小组起初设想了以下几种方案： 方案一：机架“十字形”方案

方案二：碟形外壳“十字镶嵌”方案

方案三：模具制作外壳、将电机、桨、电路板嵌在壳体内方案 通过反复的实验，我们小组决定采用第三种方案。

首先，与方案一相比较，方案三在外壳制作及组合安装上更容易，可以完成批量生产。从具体实施以及可行性角度分析，方案三更加具体完整。由于螺旋桨、电池、电路板等都是内镶的，根据空气动力学可知，碟形外壳更加有利于飞行稳定性，大大提高安全系数。

其次，与方案二相比较，方案三壳体较轻，负载比较小，容易固定，协调性也有了很大的改善。最后，与前两个方案相比较，方案三飞行效果及安全性更好，动作灵敏度更高，飞行动力更加持久，抗风抗干扰性能力更强，能够有效的完成各种动作。

综上所述，我们改进方案

一、方案

二、决定采用方案三为最终的作品方案。理论设计计算

3.1作品内部重要零部件介绍

四轴碟形飞行器中各参数说明表

标准配置 总体 螺旋桨 电子调速器

电机 遥控器 摄像头 四轴飞行器

描述 700*700

正反2对90*50桨；尺寸在200mm至300mm之间；总体载重量在600g至1000g之间

好赢2212 10A 新西达2212 KV980 天地飞6通道2.4GHz

300万像素

总体质量在1500g至2500g之间

表1

图1电机

图2螺旋桨

图3 电池

图5 飞行控制主板

图7 接收设备

图4 电调

图6 电压测试器

图8 拍摄设备

动力源提供装置：

采用直流电源3S锂电池，该电池的容量大，有充放电的保护，电池的质量轻，其质量为191.9克。电子调速器：

由于我们需要四轴碟形飞行器在空中完成各种动作，所以需要一个调速的装置进行调速，当操作者想要改变方向时，电子调速器会将从接收器得来的信号进行处理将直流电源转换成交流带信号，这样电机就会接收到信号，自动将速度进行改变，进而改变飞行器的姿态及位置。

拍摄及接收装置：

拍摄的摄像头采用可以发射出模拟信号，将拍摄到的流畅彩色视频及声音进行无线传输，调制模式采用AM调制，有效传输距离120m，工作时间可达2小时。其质量为32克。

接收装置采用支持带UHF波段模拟电视接收功能的多种电子设备终端,包括手机,电视,笔记本电脑,MP4,数码相框等电子设备，我们的作品采用的是手机。

遥控器及接收器

遥控器采用天地飞六通道2.4GHz，有效传输范围在200m左右。接收器是天地飞遥控器配套的接收器，其质量为8克。

工作流程图 飞行流程图：

飞行前的准备→遥控器及飞行器解锁→起飞→操作遥控器慢慢退下油门使飞行器慢慢减速降落 左右转弯流程图：

起飞→向左（右）旋转→遥控器方向舵向左（右）打→飞行器实现向左（右）飞行 前后流程图：

起飞→向前（后）飞行→遥控器方向舵向前（后）打→飞行器实现向前（后）飞行 其他的动作（翻滚、俯仰、横滚）参考以上的流程图即可实现。创新点及应用

1）操作和控制简便。集合了原有四轴飞行器的优点，碟形的设计更加美观，在平衡方面更加有优势。可以进行危险作业的同时还具有很强的趣味性，自主研发和独到的设计理念给航模爱好者耳目一新的感觉，与此同时在娱乐方面也增长了知识。

2）安全指数高。相对简单的机械构造，使安全指数大幅度提高，无论是作为航空模型还是作为遥控平台，安全永远是第一位的。

3）成本低廉。飞行器外壳采用的是模具成型技术，为工业开发其商业用途奠定了必要的基础。4）适用于进行危险性系数比较大的作业。在发生震后塌方和泥石流等自然灾害的时候，监控室的监控人员可以实现对飞行器无线的遥控，当飞行器飞行到灾后现场上空时，通过所携带的摄像头将图像资料无线传输给监控室,给现场决策提供帮助，减少伤害的发生。

5）适用于航测，军事应用等。足够的稳定性和抗风性，可以满足很多要求悬停能力的测量及军事应用。

目前在国内，四轴碟形飞行器的发展尚未成熟，很多不足都需要改进，因此我们独到的设计可以引领四轴碟形飞行器进入一个创新领域。

参考文献

[1] JOEL M.,MATTHEW T.Development of the Black Widow Micro Air Vehicle[R].AIAA-01-0127,2001.[2] WILSON J.R.MicroSAR Meets MAV[J].Aerospace American,1999,10(2):32-35.[3] PORNSIN-SISIRAK T.N.,LEE S.W.,NASSEF H.,GRASMEYER J.,etc.MEMS Wing Technology for A Battery-Powered Ornithopter.Micro Electro Mechanical Systems,2000,MEMS 2000,IEEE[C].2000,1:799-804.[4]刘晓杰.基于视觉的微小型四旋翼飞行器位姿估计研究与实现[D].长春:吉林大学,2009.[5]范承志,王字峰,林小娥等.一种位置无传感器无刷直流电动机驱动电路[J].微电机,2001(3):19-20,24.[6]曹杰,史金飞,戴敏.基于MEGA8单片机的无传感器无刷直流电动机控制系统设计[J].自动化仪表,2005,26(12):13-16.[7]刘焕晔.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[D].上海:上海交通大学,2009.

第四篇：浅谈基于SolidWorks 和ANSYS 的一种四旋翼飞行器旋翼的设计及分

1、前言

四旋翼无人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, 因其起飞降落所依赖空间小, 及姿态保持能力强等优点, 在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1 和旋翼3 逆时针旋转，旋翼2 和旋翼4 顺时针旋转，四个旋翼的设计对四旋翼无人飞行器的最大载重和平衡性有着重要关系，由于我们无法直观的用肉眼分析旋翼设计是否能够满足要求，所以笔者采用ANSYS 对一种四旋翼飞行器的螺旋桨进行设计及分析，由于ANSYS 三维建模效率低，因此采用SolidWorks 进行设计后，再导入ANSYS 进行相关分析和处理。

2、旋翼模型建立及调用

四旋翼飞行器螺旋桨主要是由SolidWorks 软件建立三维模型。将模型体在SolidWorks 中另存为X_T 格式，然后启动ANSYS 软件，在对话框中导入四旋翼飞行器旋翼模型X_T 文件。定义单元类型，采用三维实体单元，然后定义材料属性，定义弹性模量为 8.3 GPa，泊松比为 0.28，密度为 1180 kg/m3，接下来对旋翼模型进行网格划分。再在模型上添加面1、面2 为固定面。同时在xcomponent、y component、z component 三栏分别输入0。在inertial中Rotation Velocity 栏中的magnitude 中输入参数60，即角速度60rad/s。以螺旋桨中心孔的轴线为旋转轴。在后处理阶段选择solution 工具栏的stress 中的Equivalent, 以观察等效应力。选择solution 工具栏的strain 中的Equivalent, 以观察等效应变。选择solution 工具栏的Deformation 中的total, 以观察总应变。

3、ANSYS 分析

结合四旋翼飞行器螺旋桨以60rad/s 转动时的应力图、应变图及总的应变。我们可以看出螺旋桨螺旋桨的应力分布，其中颜色有蓝色到红色逐渐增加。我们可以看出螺旋桨螺旋桨的应变分布，其中颜色有蓝色到红色逐渐增加，应变可以看出与应力大致吻合。我们可以看出螺旋桨螺旋桨的总应变分布，其中颜色有蓝色到红色逐渐增加。分析可以得出旋翼设计安全可靠。

4、结束语

本文以四旋翼飞行器螺旋桨为研究对象，先用SolidWorks 软件对四旋翼飞行器螺旋桨进行建模，然后将SolidWorks 模型导入ANSYS中进行螺旋桨的受力分析，最后得出四旋翼飞行器螺旋桨的所受的应力图、应变图及总的应变，为螺旋桨的结构优化提供了必要的参数。

第五篇：四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计论文

四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。下面由学术堂为大家整理出一篇题目为“四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计”的航天工程论文，供大家参考。

原标题：四旋翼控制系统的设计

摘要：在充分考虑四旋翼飞行器功能及性能的基础上，给出了微型四旋翼飞行器的实现方案，采用RL78G13为核心处理器，采用MPU6050实现飞行姿态数据的采集，利用nRF24L01无线模块实现参数的无线传输，并进行了驱动电路、电源稳压电路、电池电压检测电路的设计。针对四旋翼飞行器在工作过程中供电电压不断降低导致控制不稳的问题，采用电池电压反馈的控制策略有效解决了该问题。在搭建的硬件平台上，编写了相应的控制程序，经过测试，实现了四旋翼飞行器的稳定控制。

关键词：四旋翼飞行器；姿态数据；无线传输

四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。军方利用四旋翼飞行器进行侦查、监视、诱饵与通信中继，解决了人为操作困难的问题，甚至减免了人员的伤亡；而在民用上，四旋翼飞行器能够实现大气监测、交通监控、森林防火等功能，有效预防了危机的产生，而促使四旋翼飞行器得到广泛应用的前提，是实现其平稳飞行及自主运行[1].本设计以实现四旋翼飞行器的稳定悬停与按照预定轨道自主飞行为目标，旨在探索四旋翼飞行器的硬件结构与飞行原理，并通过实际调试，理解四旋翼飞行器的相关控制理论，并解决四旋翼飞行器在工作过程中由于供电电压不断降低导致控制不稳的问题。

1设计原理方案

四旋翼飞行器的核心是利用MPU6050对其飞行过程中的三轴加速度与三轴角速度值进行采集，主控制器采用四元数方法及PID算法对姿态数据进行解算，并将计算后的PWM控制信号施加到电机上，进而实现对四旋翼飞行器的控制。

通过调研及综合目前四旋翼飞行器系统的特点及要求，确定了设计的性能及指标如下。

（1）通信功能：具有无线接口，实现飞行功能的无线设定。

（2）飞行功能：①自主空中悬停于60cm处；②垂直升起至30cm处，水平飞行60cm后稳定降落；③垂直升起至60cm处，水平飞行1m后稳定降落；④由无线设定高度及飞行距离，完成起飞及降落功能。

基于对需要实现功能的理解，确定该设计的核心控制器为16位MCU芯片RL78G13,主要完成飞行数据的处理、PID运算及PWM的输出。系统由RL78G13最小系统、无线收发模块、飞行数据采集模块、电池电压检测模块、高度检测模块、电源电路模块、电机驱动模块等构成，总体结构框图如图1所示。

各模块的功能如下：RL78G13最小系统作为四旋翼飞行器的主控；飞行数据采集模块，用于对四旋翼飞行器飞行姿态的相关数据进行采集；高度检测模块，实现定位追踪四旋翼飞行器实际高度信息的功能；无线收发模块，实现数据的无线收发；电池电压检测模块，用于消除由于电池电量消耗对四旋翼飞行器造成的影响；电源电路模块，为整个四旋翼飞行器提供电能；电机驱动模块，用于提高I/O口的驱动带载能力。

2硬件设计

2.1电机驱动电路设计

RL78G13单片机I/O口输出电流为10mA,3.7V空心杯电机的空载电流为80mA,显然采用RL78G13单片机I/O口作输出，无法驱动起四路空心杯电机，因此设计了驱动电路以提高I/O口的驱动带载能力。设计中采用SI2302N沟道CMOS管进行电流的驱动放大，单路电机驱动电路如图2所示。测试表明，经过SI2302驱动电路放大后，RL78G13能够稳定驱动四路空心杯电机，且长时间工作时，驱动电路元件自身发热不明显。

图2中稳压二极管D1起到续流及保护SI2302的作用，电机停转过程中，电机内部线圈产生的反电动势经D1形成放电通路，避免因无放电通路而击穿驱动电路中SI2302的问题。

2.2无线收发电路设计

当采用功能开关对四旋翼飞行器飞行方式进行设定时，随着其飞行功能越来越多，对功能开关的使用也将增多，使得四旋翼飞行器的硬件设计复杂，而且会增加其自身的重量，同时在实际调试中，通过功能开关切换飞行方式，又使得调试较为繁琐，工作量较大。故在设计中引入无线参数给定的思想，设计了无线收发电路，采用nRF24L01无线模块实现数据的无线收发。nRF24L01在使用时所需的外部元件较少，仅需1个16MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，相比于其他无线收发电路而言，该电路设计简单且成本较低。nRF24L01无线收发电路如图3所示。

2.3TPS63001稳压电路设计

四旋翼飞行器在飞行过程中，随着电机转速的增加，会造成控制电路电压大幅波动，进而导致各功能模块无法工作，为了避免此类情况发生，设计了TPS63001稳压电路，TPS63001在1.8~5.5V输入时，均稳压输出3.3V,保证系统各控制电路电压处于稳定状态。TPS63001稳压电路如图4所示。

2.4电池电压检测电路设计

四旋翼飞行器运行时，电池处于持续耗电状态，实验中发现电量的持续消耗成为影响四旋翼飞行器飞行稳定性的重要因素。为了消除其对四旋翼飞行器的影响，因此设计了电池电压检测电路，利用RL78G13自带的AD实时检测电池电压，并通过适时调整PWM输出信号的方式对飞行姿态进行补偿，以确保四旋翼飞行器始终处于稳定状态。

2.5其他功能模块电路设计

其他功能模块包括RL78G13最小系统、MPU6050数据采集电路、高度检测模块、功能开关电路。RL78G13最小系统包括复位电路及晶振电路；MPU6050用来采集飞行过程中的三轴加速度与三轴角速度信息；高度检测则由GP2Y0A02YK0F模块实现，其工作原理是发射的红外线经过地面反射回来，并由模块输出电压信号，输出的电压值会对应相应的探测距离，RL78G13通过测量电压值就可以得出所探测的距离。设计的硬件实物图如图5所示。

3软件设计

四旋翼飞行器在空间上具有6个自由度，分别为载体坐标系X、Y、Z轴上的加速度与角速度。核心控制器RL78G13利用MPU6050采集这些参数，然后进行姿态解算，最终以PWM控制信号的方式施加到4路空心杯电机上，通过调整各路PWM信号完成相应的飞行控制功能。

3.1控制算法

（1）飞行姿态数据：RL78G13通过MPU6050采集载体坐标系下的三轴加速度与三轴角速度，分别用axB、ayB、azB、ωxB、ωyB、ωzB表示。

（2）数据更新：由于设计中采用四元数进行欧拉角的计算，而欧拉角将随着四元数的变化而变化，设计中采用四元数的自补偿算法进行数据的更新，如式（1）~（4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元数，Δt为MPU6050的采样时间。

（3）姿态角的计算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X欧拉角（分别称为偏航角、俯仰角和横滚角）。ψ、θ和φ的计算如式（5）~（7）所示。

（4）补偿零点漂移：由于存在陀螺零点漂移和离散采样产生的累积误差，由载体坐标系下的三轴角速度计算得到的四元数只能保证短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片内部的加速度计对其进行矫正。式（8）~（10）为axB、ayB、azB的数据归一化。

式（11）~（13）中的vx、vy、vz分别为利用四元数方法估计的四旋翼飞行器载体质心的速度在载体坐标系三轴上的分量。然后利用式（14）~（16）求出陀螺零点漂移和离散采样产生的累积误差ex、ey、ez.再对所得到的误差进行比例与积分，式（17）~（19）中的gx、gy、gz即为对零点漂移的补偿。

（5）PID计算：式（20）~（22）中θd、φd、ψd分别表示下一次解算出来的俯仰角、横滚角及偏航角的值，eθ、eφ、eψ分别用来表示两次解算的俯仰角、横滚角、偏航角的误差。

kp、ki、kd为PID的控制参数，利用PID算法通过式（23）~（25），分别求出施加在4个电机上的可调变量uψ、uθ、uφ。

（6）输出整合：令motor1、motor2、motor3、motor4为控制4个电机的PWM输出参数，Moto_PwmMin为PWM基础量（根据不同情况设定，一般为0）。根据理论计算，施加在4个电机上的PWM输出信号如式（26）~（29）所示。

3.2参数整定与调试

设计中采用PID控制算法进行四旋翼飞行器的控制，I是积分项，积分项会随着时间的增加而增大，能够消除系统进入稳态后存在的稳态误差，但是在实际调试过程中，通过增大P值可以抑制稳态误差[2],因此主要是采用PD的控制方式。调试过程中，对P、D值的同时调整会产生的两种控制效果的叠加，以致无法进行每一控制参数的影响分析，故先使D值为零，P值由0增加，初次调试时，四旋翼飞行器自身不存在调节，当P值增加时，根据式（23）~（25）计算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再经式（26）~（29）后，施加在4个空心杯电机上的PWM控制信号均有所变化。调试中，为了防止四旋翼飞行器控制出错而损坏硬件，故将四旋翼飞行器以X字型倒挂固定在一根活动的长杆上，当P值由0增加到4时，四旋翼飞行器出现了翻滚的飞行状态，表明P开始对整体系统起作用，逐渐增大P值，四旋翼飞行器开始产生大幅度的等幅振荡，当P值增大到14时，振荡幅度减至最低，四旋翼飞行器几乎稳定，再增加P值，四旋翼飞行器又开始进行等幅振荡，说明P值为14时为系统自稳的一个分界点。根据查阅的大量资料了解到D值是通过预测系统误差的变化来减少系统的响应时间，提高系统的稳定性[3].调试过程中，逐渐增加D值，当D值增加至0.8时，四旋翼飞行器的自身调节更快，稳定性更高。同时D值的增加会对P值有一定的影响，最终确定P值为13.8、D值为0.8时，系统稳定飞行于长杆上方。当去掉长杆时，四旋翼飞行器能够稳定飞行，但随着飞行时间增加，飞行稳定性越来越差，因此考虑了姿态补偿问题。

3.3姿态补偿

在实际调试过程中发现，电池处于满电状态与大幅度消耗状态下，四旋翼飞行器的飞行姿态存在较大差异：满电状态下，各部分电路工作稳定，电机转速正常，当电池的电量持续消耗时，电机的转速不断降低，因此四旋翼飞行器的整体性能处于下降趋势，为了消除这一影响，利用RL78G13实时检测电池电压，并适时调整PWM输出信号来实现四旋翼飞行器的飞行姿态补偿。由式（26）~（29）知，通过增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路电机上的PWM信号，进而增大电机转速，可以实现对飞行姿态进行补偿[4].经调试知，当RL78G13检测到3.7V的电压降到3.5V时，将Moto_PwmMin增至100对飞行姿态的补偿最佳，随后电压值的下降与Moto_PwmMin值的增加基本呈非线性的关系，经大量实验验证，补偿系数符合式（30）的规律，式中u1代表电池当前的电压值。

当检测到的电压值低于2.6V时，飞行姿态将无法得到补偿，必须停止飞行。将式（30）分别代入式（26）~（29），得到（31）~（34），此4式则为最终施加到4路电机的PWM控制信号。

4结论

实验结果表明，本文所设计的四旋翼飞行器结构简易、飞行姿态灵活，实现了空中稳定悬停及按预设路线飞行等两种飞行功能，并实现了无线参数的给定，满足了设计的技术指标与功能要求，解决了因供电电压不断降低而导致的控制不稳的问题。为推动四旋翼飞行器技术的发展提供了很好的参考设计方案。

参考文献：

[1]胡从坤，余泽宇，陈曦晨。四旋翼飞行器控制系统研究[J].科技广场，2014（6）：50-56.[2]宿敬亚，樊鹏辉，蔡开元。四旋翼飞行器的非线性PID姿态控制[J].北京航空航天大学学报，2011,37（9）：1054-1058.[3]阮旭日，王史春。新型四旋翼飞行器设计与制作[J].科技视界，2015（3）：21.[4]易先军，周敏，谢亚奇。四旋翼飞行器控制系统的设计与实现[J].武汉工程大学学报，2014,36（11）：59-62.