搜档网
当前位置:搜档网 › 四轴飞行器的基本相关知识

四轴飞行器的基本相关知识

四轴飞行器的基本相关知识
四轴飞行器的基本相关知识

四轴飞行器的基本相关知识:

四轴,顾名思义就是有四根轴的飞行器,它可以垂直起降,但与直升机又大不相同,是这几年来迅速兴起的一种飞行器

本教程制作的是轴距550mm的1kg级别四轴飞行器,可以满足航拍(平民级别)等一系列需求,载重余量较大,扩展性也高。

组成部分:

无刷电机*4

无刷电调*4

飞控板*1

电池

遥控器

四轴机架

名词解释:

无刷电机:

指航模用的三相交流无刷电机,低端品牌有新西达,好一点的有朗宇等;

在这里我们选择2212级别kv850-1050之间的无刷电机

(想知道具体是什么样的电机?TB一下“2212 kv1000”)

很多人会问为什么不用直流电机?

第一马力不够;第二自重太大;第三寿命太短;第四转速太高;第五效率低下;第六实践证明直流电机不适合做四轴动力。

不要和我说空心杯,那是玩具四轴用的。

无刷电调:

即输出三相交变电流的电子调速器因为我们用电池供电,输出的是直流,需要经电子调速器(简称电调)转换成三相交流电。同时电子调速器可以接受遥控信号从而调整电机转速。

这里我们选用20A ~30A 的电调,同样也有低端电调比如新西达,建议入门的话采用好盈20A电调。(想了解更多有关电调?TB一下“无刷电调20A”)

飞控板:即飞行控制板,是飞行器的灵魂!!

飞控板的基本功能就是协调四个电机的转速,比如要悬停,它就不停修正各个电机转速达到悬停,此时你不需要手动修正就可以问问地悬停了(我们称为自稳模式);要前进,则四轴后方的电机转速增加,四轴被“顶”向前;后退,左移,右移同理;要旋转,则通过调整对角两个电机转速实现,这个以后再说。

一般飞控板除了自稳之外,还各自支持不同功能,如航拍云台控制、led夜航灯、gps模块等。

入门可以选择玉兔飞控、mmc10(FF)飞控等,价格便宜,也相对容易调试。友情提醒:千万不要贪便宜去买KK飞控,你会后悔死的;也不要买MWC!!

图为玉兔飞控

接下来讲讲电池。

我们用锂聚合物电池,而且是大容量锂聚合物,而且是20倍放电电池,而且是三片电芯串联,也就是3.7*3=11.1V电压!

哪里去买到这样的电池,还要自己串联?

淘宝已经给你准备好了。。。。直接搜“2200mah 11.1V 20C”吧,这就是我们需要的电池了

这个型号的电池,放电能力可达到44A(也就是2.2A*20C=44A),而我们四轴的悬停功率大概在100多瓦,足够了

为什么用2200mah 11.1V 20C 锂聚合物电池?

1.锂电池是能普及使用的比能量密度最大的电池

2.放电能力大

3.充放次数多,保养得好的话可以用个几百次

放电池图

说到电池,就不得不说说充电器

锂聚合物电池是个傲娇的东西

它不像镍氢电池有很好的耐充性,随便加个稍微大一点的电压就能撒手不管。锂电池充电需要使用专门的平衡充,新手入门,可以使用“301平衡充”。

何谓平衡充?不告诉你。。。。自行百度。。

遥控器

四轴,一台专业的航模遥控器是必须的

买遥控器有几点要注意的:

通道数(也就是你能控制的信号个数):必须在4通道或以上,要我说至少得六通道

频率:选择2.4G的(也就是天线短的那种),2.4G是主流,稳定性好,也很成熟,当然你也可以选72(或者其它30—80之间的数字)MHZ的,不过你将会碰到很多麻烦。。。。

美国手/日本手:大多数遥控器都会有美国手(左手控制油门)和日本手(右手

控制油门)之分,飞四轴,我们选择美国手,符合一般人的控制方式。如果你选择日本手。。。。祝你成功呵呵

遥控距离:可能是新人最关心的东西,一般都会在400米以上,但是等你发现你的四轴飞了超过100米远后,你就看不清它的姿态了!所以盲目追求遥控距离是不可取的!更何况飞的越远,炸机的风险越大!

遥控器可能是新人们觉得最烧钱的部分(本来关于钱的问题想在后面一起讲的,想想看遥控器这块还是单独拎出来吧)

高端的遥控器可以卖到两万,低端的遥控器也要200起步,但是——————这笔钱是值的!有了遥控器,你可以玩遍飞机、车、船。也就是说你买的是一个通用遥控器,而不仅仅是和四轴配套使用的!

新手,米少的可以买天地飞6A 2.4G或者华科尔devo7,再好一点的就买天地飞6 二代或者天地飞7或者devo10.想一步到位的,请TB搜索“18MZ”开个玩笑

四轴机架:

顾名思义也就是飞行器的载体,可以DIY机架,也可以淘宝上买成品机架。

机架上有安装无刷电机的位置,有安装飞控板和电池的位置,一般都会有降落脚架。

材料么,有塑料(高强度的,图中的风火轮机架就是塑料机臂),铝合金(强度高),碳纤维(强度高,轻,贵)

新人建议先买一个几十元便宜的成品机架练习用,再根据需要DIY或者买更高端的机架。

好了,假设我们现在手头已经有4个参数相同的无刷电机,4个参数相同的无刷电调,一块飞控板,一套机架,一块电池,一套遥控器,我们可以开始做四轴了吗?

当然!。。。。。不能

大件东西我们都买齐了,不过小螺丝小配件这些也不能少:

1.螺旋桨(窝巢!没螺旋桨你飞个球)

“1045 正反桨”2套别买那种几块钱一对的,可以买“仿Apc 1045 正反桨”

正反桨是神马?为什么要用正反桨?

正反桨就是呈镜面对称的一对螺旋桨。如果我们使用四个一模一样的螺旋桨,那么,四个电机的转向相同,电机产生的旋转力矩就会朝着同一个方向,四轴就开始疯狂自旋。为了抵消旋转力矩,直升机采用了尾桨抵消的方法,即向反方向吹气,不让你旋转;而四轴则采用了正反桨设计,也就是说两个电机顺时针转,两个逆时针转,这样就抵消了自旋。由于顺时针转的电机搭配正桨,逆时针转的电机搭配反桨,所以四个电机还是会向下吹气!

2.接收机-飞控连接使用的公对公信号线

这个连接线需要至少五条,多备几条最好。有些机架套装里面会有,有些飞控里面会有,买之前询问一下就好了,没有的话就要单独买

3.电量报警器(俗称BB响)

新手必备,防止锂电池过放而损伤电池用4. 3.5mm香蕉头和T插

香蕉头用来方便地连接无刷电机和电调,T插则用来连接电池

5。分线板

就是一块可以承受大电流的电路板,用来连接电源和四个电调

6.电烙铁螺丝刀什么的我就不说啦必备工具

必须要用的就是这些了,不过后来肯定还要买一些其它配件满足需求啦

关于费用的问题

分为低端级和入门级两档,如果你不屑于这两档————请与我联系

需要说明的是,调的好,低端级照样爽飞,入门级也有可能飞不上天。四轴这东西,一般得靠技术。

先说说低端配置

新西达2212 kv1000 或者朗宇A2212 kv980 四个50*4=200元

新西达30A 无刷电调四个35*4=170元

mmc10(FF)飞控板一块200元

入门机架一套100元

天地飞6A 2.4G 带控电和模拟300元

2200mah 20C 11.1V电池一块70元

301平衡充一个30元

仿APC正反桨4对10*4=40元(多买几对,新手容易坏桨)

总计1110元

入门配置

朗宇X2212 kv980 或银燕2213 kv 930无刷电机四个90*4=360

好盈天行者20A无刷电调四个45*4=180

玉兔二代飞控带gps一套700

200元左右的机架一套200

天地飞7或者devo10遥控器一套600

dupu 2600mah 20C 11.1V 电池两块110*2=220

301平衡充一个30

仿apc桨1045 四对10*4=40

总计两千多一点

这么大一笔钱

对谁来说都不是小数字

但是!楼主是学生党!

对于省钱!自有一套方法!

今天无私奉献了

想要低成本玩四轴,则要开源+节流

开源:

每个月省下个两三百生活费,四个月就可以买一套入门配置!楼主高三的时候每个月生活费一千,不乱花钱,扣除吃饭的四五百,其它乱七八糟的一两百,每月可以省下400!

另外也可以去找些工作做,兼职什么的一天一百,半个月四轴就有了!(撸主才没有暑假做家教赚了五千呢)

节流:

挑选价格比较便宜的店家是肯定的,但是还有更牛的方式——淘二手

多关注我爱模型和模型中国论坛的相应版块,会有不少人出二手的四轴材料,比如上次就有人500元出低端配置整套!至于质量基本不用担心。第一玩航模的人素质都比较高,不会骗你;第二车子到手打汽车,何况天上飞的东西,很多时候你买到的二手其实是很新的,和你自己买新的然后用一次后的状况没什么差别。

在动手之前,你需要了解,四轴飞行器是十分危险的!

且不说高空坠落砸人(1公斤的东西掉下来砸人的效果YY吧),更多的事故发生在地面调试时!

我们使用的无刷电机,每一个的功率可以达到150瓦甚至更多!而普通吊扇的功率才70瓦!转速则有一万多转!一不小心,你会被打的皮开肉绽!这不是危言耸听!

另外锂电池也有一定的危险性!尤其是充电时,千万不要插上电就撒手不管了,也就是充电时间不能太久!另外不要贪便宜选择低质量的锂电池!

so如何保护自己?

在正式飞行之前,不要给电机装螺旋桨!这样随你怎么失控都不会有高速旋转的桨打到你了!

在调试的时候,一定要小心,小心再小心!

锂聚合物电池要妥善保管,具体请问度娘。

选择在人少(最好没人),地点开阔的地方试飞,要是试飞时砸到人。。。。。切忌心急!没调好就开始飞万万要不得!

第一步,你可以先把机架组装完成,再一点点往机架上装组件

1.有的飞控板分为X模式和+模式,建议直接选X模式

差别:给四轴定义的前进方向不同

不同点就是:X模式动力充沛一些,+模式容易辨认前进方向

2.电路的连接:

组装需要的零件,机架和电机都会给你配好的,基本不需要另外再买了

飞控板线路连接,买飞控的时候会有说明,按说明来就可以了

组装时注意,飞控板前进方向右手边的电机及对角的电机是逆时针转的,其余两个是顺时针转的,再各自搭配能使风向下吹的螺旋桨。如果要使电机转向反向,调换电机的三根线中的任意两根即可。

就是这个意思:

上一张组装完成图

这是撸主去年暑假做的!很挫!对了有人可能会问为什么会有两种不同颜色的桨,那是为了在空中飞行是辨认前进方向!比如这样

等你的四轴组装完成后,已经具有了升空的潜质了!接下来你要做的,就是按照你买的飞控说明书,和你的遥控器,调试你的四轴!

据说mmc10(FF)可以不调试就开飞!

玉兔的话可能相对麻烦一点,但是功能也多,无向CF自动返航什么的都有。可以去找一下泡泡的教学视频,简单易懂。

调试的部分,每种飞控,每种遥控器操作不一样,按照说明书进行就可以了。调试到什么程度呢?至少可以平稳悬停在离地面2米的高度吧

接下来就是飞行了。

首先还是注意安全!选择人少,开阔的地点试飞!

试飞时,就保持你面对的方向和四轴前进方向一致!这样容易控制!

试飞不要飞太远,尽量保持在20米距离以内!远了你看不清方向,会导致炸鸡!不要理会围观群众,藐视他们的问题和起哄。

新手先练习悬停、降落,然后再联系对头飞(此时四轴前进方向对着你,你打遥控杆都得反着打),侧飞(方向杆和副翼杆一起打)

上一个别人的试飞视频吧

四轴飞行器运动分析

四轴飞行器运动分析 一、飞行原理 四轴飞行器的结构形如图所示,其中同一对角线上的电机转向应该相同,不同对角线上的电机转向应该相反。这样,当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。 与传统的直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时,电机2和电机4顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。其基本运动状态可分为: (1)垂直运动; (2)俯仰运动; (3)滚转运动; (4)偏航运动; (5)前后运动; (6)侧向运动;

下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态: 垂直运动——在图中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。 俯仰运动——在图(b)中,电机1的转速上升,电机3的转速下降,电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转(方向如图所示),同理,当电机1的转速下降,电机3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。

轴飞行器毕业设计论文

毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 夏纯 吉林建筑大学 2015年6月

毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 学生:夏纯 指导教师:许亮 专业:电子信息工程 所在单位:电气与电子信息工程学院答辩日期: 2015 年6月

目录 摘要.......................................................... I ABSTRACT ...................................................... II 第1章绪论. (1) 论文研究背景及意义 (1) 国内外的发展情况 (2) 本文主要研究内容 (4) 第2章总体方案设计 (5) 总体设计原理 (5) 总体设计方案 (5) 系统硬件电路设计方案 (5) 各部分功能作用 (6) 系统软件设计方案 (7) 第3章系统硬件电路设计 (8) Altium Designer Summer 09简介 (8) 总体电路设计 (8) 遥控器总体电路设计 (8) 飞行器总体电路设计 (10) 各部分电路设计 (10) 电源电路设计 (10) 主控单元电路设计 (12)

无线通信模块电路设计 (13) 惯性测量单元电路设计 (16) 电机驱动电路设计 (18) 串口调试电路设计 (19) PCB设计 (21) PCB设计技巧规则 (21) PCB设计步骤 (22)

PCB外形设计 (23) 实物介绍 (25) 第4章系统软件设计 (27) Keil 简介 (27) Keil MDK概述 (27) Keil MDK功能特点 (27) 软件设计框图 (28) 软件调试仿真 (29) 飞控软件设计 (30) MPU6050数据读取 (30) 姿态计算IMU (32) PID电机控制 (32) 结论 (36) 致谢 (38) 参考文献 (39) 附录1 遥控器主程序源代码 (40) 附录2 飞行器主程序源代码 (45) 附录3 遥控器原理图 (50) 附录4 飞行器原理图 (51)

四轴飞行器飞行原理

四轴飞行器飞行原理 四旋翼飞行器结构 形式如图所示,电机1和电机3逆时针旋转的同时,电机2和电机4顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。 与传统的直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时,电机2和电机4顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。 其基本运动状态分别是: (1)垂直运动; (2)俯仰运动; (3)滚转运动; (4)偏航运动; (5)前后运动; (6)侧向运动; 在控制飞行器飞行时,有如下技术难点: 首先,在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用,还很容易受到气流等外部环境的干扰,很难获得其准确的性能参数。

其次,微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度,而只有四个控制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性,使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 再次,利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除,怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否,是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键,具有非常重要的研究价值。 下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态: 垂直运动——在图中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。 俯仰运动——在图(b)中,电机1的转速上升,电机3的转速下降,电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转(方向如图所示),同理,当电机1的转速下降,电机3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋

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

2

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

四旋翼飞行器设计

摘要 本设计采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器。超声波传感器实时发送飞行高度数据给主控系统,主控制器通过判断、分析、处理产生控制信号进而控制各个电机,使其在不同的飞行高度具有不同的速度,保证了飞行器在某一高度范围内飞行;主控制器读取MPU6050陀螺仪的数据,通过对采集数据的分析,使飞行器做出相应的姿态调整,来保持飞行器能够平稳飞行;激光传感器能够对白色场地上的黑线进行识别,达到循迹的目的。本设计通过对飞行控制系统的总体框架设计,实现了飞行控制系统的硬件设计和软件设计,并对设计中的关键技术问题进行了研究,最终实现了四旋翼飞行器的一键启动自主飞行控制。 关键词:R5F100LEA 传感器姿态控制四旋翼飞行器

1. 四旋翼自主飞行器简介 1.1 结构形式 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,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1 所示。 图1.1 四旋翼飞行器结构形式 1.2 工作原理 传统直升机是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角,从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同,是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化,这样会导致其动力部稳定,所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机,因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力,同时却有六个状态输出,所以它又是一种欠驱动系统。

四轴(多轴)飞行器概述

四轴(多轴)飞行器概述 一、简介 四轴(多轴)飞行器也叫四旋翼(多旋翼)飞行器它有四个(多个)螺旋桨,四轴(多轴)飞行器也是飞行器中结构最简单的飞行器了。前后左右各一个,其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机的控制信号,在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个电调,电调再把控制命令转化为电机的转速,以达到操作者的控制要求,前后马达是顺时针转动,需要安装反桨,左右马达是逆时针转动,需要安装正桨,机械结构上只需保持重量分布的均匀,四电机保持在一个水平线上,可以说结构非常简单,做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构变得尽可能的简单。 二、控制原理 四轴飞行器的控制原理就是,当没有外力并且重量分布平均时,四个螺旋桨以一样的转速转动,在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时,四轴就会向上升,在拉力与重量相等时,四轴就可以在空中悬停。在四轴的前方受到向下的外力时,前方马达加快转速,以抵消外力的影响从而保持水平,同样其它几个方向受到外力时四轴也是可以通过这种动作保持水平的,当需要控制四轴向前飞时,前方的马达减速,而后方的马达加速,这样,四轴就会向前倾斜,也相应的向前飞行,同样,需要向后、向左、向右飞行也是通过这样的

控制就可以使四轴往我们想要控制的方向飞行了,当我们要控制四轴的机头方向向顺时针转动时,四轴同时加快左右马达的转速,并同时降低前后马达的转速,因为左右马达是逆时针转动的,而左右马达的转速是一样,所以左右是保持平衡的,而前后马达是顺时针转动的,但前后马达的转速也是一样的,所以前后左右都是可以保持平衡,飞行高度也是可以保持的,但是逆时针转动的力比顺时针就大,所以机身会向反方向转动,从而达到控制机头的方向。这也是为什么要使用两个反桨,两个正桨的原因。 三、电调 我们平时用的商品电调是通过接收机上的油门通道进行控制的,这个接收机出来的控制信号一般都是20mS 间隔的PPM脉宽控制信号,而四轴为了提高响应的速度,需要控制命令的间隔更短-比如说5mS,所以就需要特殊的电调而不能用普通的商品电调,但是为什么要使用I2C总线跟电调连接呢,这个跟电路设计以及软件编写等有关,I2C总线在硬件连接上可以多个设备直接并连在总线上,它有相应的传输机制保证主机与各个从机之前顺畅沟通,这样连接就比较的方便,所以四个电调的控制线是并接在一起连到主控板上就可以了,这个也跟我们选用的芯片相关,很多单片机都有集成I2C总线的,软件设计起来也得心应手。

四轴飞行控制原理

四轴(1)-飞行原理 总算能抽出时间写下四轴文章,算算接触四轴也两年多了,从当初的模仿到现在的自主创作经历了不少收获了也不少。朋友们也经常问我四轴怎么入门,今天就简单写下四轴入门的基本知识。尽量避开专业术语和数学公式。 1、首先先了解下四轴的飞行原理。 四轴的一般结构都是十字架型,当然也有其他奇葩结构,比如工字型。两种的力学模型稍微有些不一样,建议先从常规结构入手(其实是其他结构我不懂)。 常规十字型结构其他结构 常规结构的力学模型如图。 力学模型 对四轴进行受力分析,其受重力、螺旋桨的升力,螺旋桨旋转给机体的反扭矩力。反扭矩影响主要是使机体自旋,可以想象一下直升机没有尾桨的情况。螺旋桨旋转时产生的力很复杂,

这里将其简化成只受一个升力和反扭矩力。其它力暂时先不管,对于目前建模精度还不需要分析其他力,顶多在需要时将其他力设为干扰就可以了。如需对螺旋桨受力进行详细研究可以看些空气动力学的书,推荐两本, 空气螺旋桨理论及其应用(刘沛清,北航出版社) 空气动力学基础上下册(徐华舫,国防科技大学) 网易公开课:这个比麻省理工的那个飞行器构造更对口一些。 荷兰代尔夫特理工大学公开课:空气动力学概论 以上这些我是没看下去,太难太多了,如想刨根问底可以看看。 解释下反扭矩的产生: 电机带动螺旋桨旋转,比如使螺旋桨顺时针旋转,那么电机就要给螺旋桨一个顺时针方向的扭矩(数学上扭矩的方向不是这样定义的,可以根据右手定则来确定方向)。根据作用力与反作用力关系,螺旋桨必然会给电机一个反扭矩。 在转速恒定,真空,无能量损耗时,螺旋桨不需要外力也能保持恒定转速,这样也就不存在扭矩了,当然没有空气也飞不起来了。反扭矩的大小主要与介质密度有关,同样转速在水中的反扭矩肯定比空气中大。 因为存在反扭矩,所以四轴设计成正反桨模式,两个正桨顺时针旋转,两个反桨逆时针旋转,对角桨类型一样,产生的反扭矩刚好相互抵消。并且还能保持升力向上。六轴、八轴…类似。 我们控制四轴就是通过控制4个升力和4个反扭矩来控制四轴姿态。 如力学模型图,如需向X轴正方向前进,只需增加桨3的转速,减少桨1的转速,1、3桨的反扭矩方向是一样的,一个加一个减总体上来说反扭矩没变。此时飞机已经有向X轴方向的分力,即可前行。 如需向X轴偏Y轴45°飞行,那么增加桨2、3的转速,减少桨1、4的转速,即可实现。 如果将X正作为正前方,那么就是”十”模式,如果将X轴偏Y45°作为正前方向,那就是”×”模式。理论上这两种都可以飞行,”十”模式稍微比”×”模式好计算,但是”十”模式不如”×”模式灵敏。 四轴如需向任意方向飞行只需改变电机的转速,至于电机转速改变的量是多少,增量之比是多少就需要算法了。对于遥控航模,不需要知道具体到度级别的方向精度,飞行时手动实时调节方向即可。 四轴除了能前后左右上下飞行,还能自旋,自旋靠的就是反扭矩,如需顺时针旋转,只需增加桨1、3转速,减少2、4转速,注意不能只增加桨1、3而不减少2、4,这样会造成总体升力增加,飞机会向上飞的。 理想情况下,四轴结构完全对称,电机转速一样,飞机就可以直上直下飞行。但事实和理想还是有差距的,不存在完全对称的结构,也没有完全一样的电机螺旋桨。所以需要飞控模块进行实时转速调节,这样才能飞起来,不像直升机,螺旋桨加速就能飞。 2、分析完飞行原理,接下来分析四轴飞行器系统的主要部件。

轴飞行器作品说明书

四轴飞行器 作品说明书 摘要 四轴飞行器在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器,四轴飞行器硬件结构简单紧凑,而软件复杂。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案,软件算法,包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。校正加速度计采用最小二乘法。计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一种来应用。控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。 关键词:四轴飞行器;姿态;控制

目录 1.引言 (1) 2.飞行器的构成? (1) .硬件构成..............................................1? 机械构成 (1) 电气构成 (3) .软件构成 (3) 上位机 (3) 下位机........... . (4) 3.飞行原理........... ................................ (4) . 坐标系统 (4) .姿态的表示 (5) .动力学原理 (5) 4.姿态测量........... ................................ (6) .传感器校正 (6) 加速度计和电子罗盘 (6) 5.姿态控制 (6) .欧拉角控制 (6) .四元数控制 (7) 6.姿态计算 (7) 7.总结 (8) 参考文献 (9)

四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着MEMS?传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及,四轴飞行器成为航模界的新锐力量。到今天,四轴飞行器已经应用到各个领域,如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。 目前应用广泛的飞行器有:固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比,四轴飞行器机动性好,动作灵活,可以垂直起飞降落和悬停,缺点是续航时间短得多、飞行速度不快;而与单轴直升机比,四轴飞行器的机械简单,无需尾桨抵消反力矩,成本低?。 本文就小型电动四轴飞行器,介绍四轴飞行器的一种实现方案,讲解四轴飞行器的原理和用到的算法,并对几种姿态算法进行比较。 2.飞行器的构成 四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。比起其他类型的飞行器,四轴飞行器的硬件比较简单,而把系统的复杂性转移到软件上,所以本文的主要内容是软件的实现。? .硬件构成? 飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 机械构成? 机架呈十字状,是固定其他部件的平台,本项目采用的是碳纤维材料的机架。电机采用无刷直流电机,固定在机架的四个端点上,而螺旋桨固定在电机转子上,迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨,从迎风面看逆时针转的为正桨,四个桨的中心连成的正方形,正桨反桨交错安装。 CA D设计机架如图: 整体如图2-1: 电气构成 电气部分包括:控制电路板、电子调速器、电池,和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心,上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片,负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调,用于控制无刷直流电机。 电气连接如图2-2所示。 .软件构成

四轴飞行器:让PCB板飞!

我们在制作一个非常袖珍的四轴飞行器,就用PCB作为承力结构。第一个版本被命名为疯狂直升机。 它的主要特点有: ?STM32 Cortex-M3 CPU ?3轴加速度计 ?1轴/2轴陀螺仪 ?Nordic 2.4GHz 射频通信芯片 ?电动机,螺旋桨和银辉(Silverlit)X翼模型飞机的电池 这架直升机可以从电脑上通过USB无线适配器遥控。我们制作了三架样品(每个成员各一架),并完成了大多数的固件程序。 为了达到稳定飞行的目的,还需要解决一些控制上的问题,以及完成电脑上的控制程序模块。更多的信息和实际飞行视频会在稍后公布:) 这架直升机是通过PC机上运行的Python程序控制的,我们实际上用一个游戏机的蓝牙手柄来操纵它。 疯狂直升机四轴飞行器详述 像承诺过的那样,我们要在这里公布疯狂直升机(也是我们第一架四轴飞行器)的更多信息。该系统的主要架构如下:

疯狂直升机的高层次系统图。 直升机本身是围绕CPU组织起来的。CPU的任务是读取物理传感器(陀螺仪和加速度计)的测量结果,给出控制信号控制电机,让直升机保持稳定。通过一个控制反馈回路,CPU每秒能够对电机发送250次调节转速的指令。无线通信的带宽需求很低,仅仅需要发送操作命令和接受遥测数据。CPU上运行的程序可以通过无线通信更新。 控制和遥测程序在电脑上运行,控制程序从手柄读取输入,然后向直升机发送命令。我们也有调节直升机上控制参数的程序模块,并且会记录下传感器的测量结果,方便调整控制回路。 所有这些开发工作在Windows或linux系统上完成。事实上有三个人同时在这个项目上工作,两个人在Linux上工作,剩下一个人主要使用Windows。利用自由/开源软件(FLOSS,Free/Libre and Open Source Software)许可对提高工作效率非常有帮助。我们主要使用GCC 编译器编译直升机程序,GNU(GNU's Not Unix,一个包含了递归的缩写!GNU Linux工程是为与可复制﹑修改﹑和重新分配的源代码一起的类Unix操作系统的发展而建立的。)建立我们的工程,Mercurial(一个轻量级的分布式版本控制系统)管理我们的源代码,与直升机之间的通讯采用python/pyusb(一个python上的USB通讯软件库)。所有这些软件都能在linux和windows系统间来回无缝切换,使这个项目的管理变得容易许多。 电动机之间的距离(X轴和Y轴方向)大约有8cm,整个飞行器的重量只有20g。 电路板顶面的细节

采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统

1、引言 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,与普通的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,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。因此四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多科研人员,成为国内外新的研究热点。 本设计主要通过利用惯性测量单元(IMU)姿态获取技术、PID电机控制算法、2.4G 无线遥控通信技术和高速空心杯直流电机驱动技术来实现简易的四轴方案。整个系统的设计包括飞控部分和遥控部分,飞控部分采用机架和控制核心部分一体设计增加系统稳定性,遥控部分采用模拟摇杆操作输入使操作体验极佳,两部分之间的通信采用2.4G无线模块保证数据稳定传输。飞行控制板采用高速单片机STM32作为处理器,采用含有三轴陀螺仪、三轴加速度计的运动传感器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,最终根据PID控制算法通过PWM方式驱动空心杯电机来达到遥控目标。 2、系统总体设计 系统硬件的设计主要分要遥控板和飞控板两个部分,遥控板采用常见羊角把游戏手柄的外形设计,控制输入采用四向摇杆,无线数据传输采用2.4G无线模块。飞控板采用控制处理核心和机架一体的设计即处理器和电机都集成在同一个电路板上,采用常规尺寸能够采用普通玩具的配件。系统软件的设计同样包括遥控板和飞控板两部分的工作,遥控板软件的设计主要包括ADC的采集和数据的无线发送。飞控板的软件的设计主要包括无线数据的接收,自身姿态的实时结算,电机PID增量的计算和电机的驱动。整个四轴飞行器系统包括人员操作遥控端和飞行器控制端,遥控端主控制器STM32通过ADC外设对摇杆数据进行采集,把采集到的数据通过2.4G无线通信模块发送至飞控端。飞控板的主要工作就是通过无线模块进行控制信号的接收,并且利用惯性测量单元获得实时系统加速度和角速度原始数据,并且最终解算出当前的系统姿态,然后根据遥控板发送的目标姿态和当姿态差计算出PID电机增量,然后通过PWM驱动电机进行系统调整来实现飞行器的稳定飞行。系统的总体设计框图如图1所示。 图1 系统总体设计框图

四旋翼飞机概要

功能介绍:利用小型四旋翼飞机对灾害现场进行勘测,其中四旋翼上添加摄像头对现场进行勘测,从而了解现场状况。 设计思路:小型四旋翼飞机座位各类传感器搭载平台,根据现场实际情况通过控制四旋翼飞机飞行姿态,从而达到对复杂环境的监测。 四旋翼飞行器结构和原理: 1:结构形式 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,四个旋翼的结构和半径相同,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。 四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置,四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。对于绝大多数四旋翼飞行器来讲,飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的,并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反;正是由于这种独特结构,使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应。 结构如下 2.工作原理 通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,进而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼是一种欠驱动系统,是一种六自由度的垂直升降机,四个输入力,六个状态输出。 垂直飞行控制:控制飞机的爬升,下降和悬停。图中蓝色弧线箭头方向表示螺旋桨旋转的方向,以下同。当四旋翼处于水平位置时,在垂直方向上,惯性坐标系同机体坐标系重合。同时增加或减小四个旋翼的螺旋桨转速,四个旋翼产生的升力使得机体上升或下降,

从而实现爬升和下降。悬停时,保持四个旋翼的螺旋桨转速相等,并且保证产生的合推力与重力相平衡,使四旋翼在某一高度处于相对静止状态,各姿态角为零。垂直飞行控制的关键是要稳定四个旋翼的螺旋桨转速使其变化一致 横滚控制:如图所示,通过增加左边旋翼螺旋桨转速,使拉力增大,相应减小右边旋翼螺旋桨转速,使拉力减小,同时保持其它两个旋翼螺旋桨转速不变。这样由于存在拉力差,机身会产生侧向倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,使机体向右运动,当2,4转速相等时,可控制四旋翼飞行器作侧向平飞运动。 俯仰控制:在保持左右两个旋翼螺旋桨转速不变的情况下,减少前面旋翼螺旋桨的转速,并相应增加前面旋翼螺旋桨的转速,使得前后两个旋翼存在拉力差,从而引起机身的前后倾斜,使旋翼拉力产生与横滚控制中水平方向正交的水平分量,使机体向前运动。类似的,当1,3转速相同时可控制四旋翼飞行器作纵向平飞运动。 偏航控制:四旋翼飞行器为了克服反扭矩影响,四个旋翼螺旋桨中的两个逆时针旋转,两个顺时针旋转,对角线上两个螺旋桨上的转动方向相同。反扭矩大小与旋翼螺旋桨转速有关,四个旋翼螺旋桨转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起机体的转动。因此可以设计四旋翼飞行器的偏航控制,即同时提升一对同方向旋转的旋翼螺旋桨转速并且降低另一对相反方向旋转的旋翼螺旋桨转速,并保证转速增加的旋翼螺旋桨转动方向与四旋翼飞行器机身的转动方向相反。 建立系统动力学模型:

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 to the four-rotor aircraft.Then the simulation is done in the software of Matlab/simulink. Keywords: Quad-rotor,The dynamic mode, Matlab/simulink

四旋翼无人飞行器设计学习笔记

1、互补滤波算法 互补滤波器作为一种频域滤波器,常用于融合来自不同传感器测量得到的数据。一般地,互补滤波器包含至少两种频率特性互补的输入信号。例如,对于陀螺仪和加速度计解算姿态这一双输入系统,两个输入量都能分别对姿态角进行解算,其中加速度计输入量包含高频,应通过低通滤波器来滤除;陀螺仪则包含低频噪声(积分漂移),应采用高频滤波器滤队。两者的频率特性互补,可用互补滤波思想进行姿态解算,最终输出较准确信号。 2、四元数表示姿态角 运用互补滤波与卡尔曼滤波思想进行姿态整合的过程归根结底都是利用加速度计解算出的姿态角去修正陀螺仪积分的漂移误差. 这两种方法在姿态融合过程中姿态角的表示形式都是欧拉角表示.但是用欧拉角进行姿态解算在大角度计算时会出现万向节锁(角度为90度时加速度计进行姿态解算的反三解函数无解),为了避免该问题,可采用四元数来解算姿态. 四元数的优点: ·四元数不会存在欧拉角的万向节死锁的问题 ·四元数由4个数组成2个四元数之间更容易插值 ·对四元数规范化正交化计算更加容易 3、MPU6050 DMP内部四元数解算功能 运动控制传感器MPU6050提供了DMP内部四元数解算功能,可以直接输出四元数数据。它除了提供三轴陀螺仪和三轴加速度计传感器的16位ADC信号采集功能之外,还集成了数字低通滤波器和数字运动处理DMP,可以直接输出经低通滤波处理和四元数姿态解算后的四元数数据。将该四元数转换为欧拉角,可以得到准确的俯仰角和橫滚角。 4、PID 控制

由自动控制原理可知,采用角速度反馈闭环控制可有效增加系统稳定性,因此,在进行状态角控制之前需设计姿态角速度增稳内环控制。同时,系统最终控制量为空间位置,因此需要增加外环位置控制。由此得到四轴飞行器俯仰角方向整体控制结构: 4.1、PID 控制 比例控制指的是使用一个比例系数对输入量与期望量的差进行放大或缩小。不过单纯的比例控制会产生静态误差(误差不会收敛于0),所以这时要加入积分控制,对误差进行积分再乘以积分系数,误差累计越大积分控制的比重越大。其优点是可以消除静态误差;其缺点是不稳定,会使系统产生振荡。微分控制是预测系统的变化趋势。当输入的数据缓慢变化时微分项不起作用,当产生一个阶跃响应瞬间发生变化时,微分项发挥作用,做“超前控制”。 4.2串级PID 当将两个PID串联起来,用第一个PID的输出量作为第二个PID的输入量,第一个PID的期望量为期望达到的角度,第二个PID的期望量为此时该轴的角速度,角度环为1级PID为外环,角速度环为2级PID为内环 串级PID较单级PID的优点是,作为内环的角速度由陀螺仪采集数据输出,采集值一般不存在受外界影响的情况,抗干扰能力强,并且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速,这样使四轴在飞行时抗干扰能力强,飞行更稳定. 4.3PID调试过程详解--P64

四轴飞行器结题报告

学校名称: 队长姓名: 队员姓名: 指导教师姓名:2013年9月6日

摘要 本次比赛我们需要很好地控制飞行器,让它自主完成比赛应该完成的任务。 本文的工作主要针对微型四旋翼无人飞行器控制系统的设计与实现问题展开。首先制作微型四旋翼无人飞行器实验平台,其次设计姿态检测算法,然后建立数学模型并设计姿态控制器和位置控制器,最后通过实验对本文设计的姿态控制器进行验证。设计机型设计全部由小组成员设计并制作,部分元件从网上购得,运用RL78/G13作为主控芯片,自行设计算法对飞行器进行,升降,俯仰,横滚,偏航等姿态控制。并可以自行起飞实现无人控制的自主四轴飞行器。 关键字:四旋翼无人飞行器、姿态控制、位置控制

目录 第1章设计任务.................................................................................... 错误!未定义书签。 1.1 研究背景与目的........................................................................ 错误!未定义书签。 1.2 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 1.3...................................................................................................... 错误!未定义书签。第2章方案论证.................................................................................... 错误!未定义书签。 2.1...................................................................................................... 错误!未定义书签。 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。第3章理论分析与计算........................................................................ 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。第4章测试结果与误差分析................................................................ 错误!未定义书签。 4.1...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.3...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.4 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。第5章结论心得体会............................................................................ 错误!未定义书签。 5.1 .................................................................................................................. 错误!未定义书签。.................................................................................................................. 错误!未定义书签。 2设计任务: 基本要求 (1)四旋翼自主飞行器(下简称飞行器摆放在图1所示的A区,一键式

相关主题