四轴飞行器分析和总结.docx

四轴飞行器运动控制系统设计

四轴飞行器运动控制系统设计

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目录

引言 1

四轴飞行器的飞行原理 1

四旋翼飞行器结构 1

运动状态 2

技术难点 2

飞行姿态 3

飞行器控制系统结构 6

姿态测量系统 7

电机驱动模块 7

主控制模块 8

电机驱动模块 8

无线通信模块 8

电源模块 8

硬件设计 9

器件清单列表 9

模块的介绍 10

上位机 10

4.2.3MPU6050模块 12

4.2.4STM32芯片 13

4.2.5电调 13

4.2.6无刷电机 14

控制部分 14

姿态控制系统功能 15

姿态解算 16

PID控制 16

6.设计总结 17

引言

相同，分布位置接近对称。对于简单的设计来说，仅仅通过调整不同旋翼之间的相对速度来调节不同位置的推力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就可以控制飞机维持姿态、或完成各种机动飞行。这一点和直升机不同，常见的直升机有两个旋翼，尾桨只起到抵消主旋翼产生的扭矩，控制飞机偏航运动的功能。早期飞机设计中，四轴飞行器被用来解决旋翼机的扭矩问题。主副旋翼的设计也可以解决扭矩问题，但副旋翼不能提供升力，效率低。且使用尾桨的设计在结构上比使用多旋翼要复杂很多。因此四轴飞行器是最早的一批比空气重的垂直起降飞行器。但是早期的型号性能很差，难于操控和大型化。尤其是油门的控制难以做到精确和迅速。更加上传统的直升机构型在巡航时的效率要优于四轴飞行器。故此在直升机的技术问题得以解决后，四轴飞行

相同，分布位置接近对称。对于简单的设计来说，仅仅通过调整不同旋翼之间的相对速度来调节不同位置的推力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就可以控制飞机维持姿态、或完成各种机动飞行。这一点和直升机不同，常见的直升机有两个旋翼，尾桨只起到抵消主旋翼产生的扭矩，控制飞机偏航运动的功能。

早期飞机设计中，四轴飞行器被用来解决旋翼机的扭矩问题。主副旋翼的设计也可以解决扭矩问题，但副旋翼不能提供升力，效率低。且使用尾桨的设计在结构上比使用多旋翼要复杂很多。因此四轴飞行器是最早的一批比空气重的垂直起降飞行器。但是早期的型号性能很差，难于操控和大型化。尤其是油门的控制难以做到精确和迅速。更加上传统的直升机构型在巡航时的效率要优于四轴飞行器。故此在直升机的技术问题得以解决后，四轴飞行

器迅速从飞行器设计方式中销声匿迹了。

近来四轴飞行器在无人机领域获得了新生。使用电传飞行控制系统以及油门响应速度迅速的电动机作为动力系统，克服了四轴飞行器的主要缺点。四轴飞行器飞行稳定，操控灵活，可以在户内和户外使用。和直升机相比，它有许多优点：它的旋翼角度固定，结构简单。每个旋翼的叶片比较短，叶片末端的线速度慢，发生碰撞时冲击力小，不容易损坏，对也人更安全。有些小型四轴飞行器的旋翼有外框，避免磕碰。因为四轴飞行器体积小、重量轻，携带方便，能轻易进入人不易进入的恶劣环境。常用来制作模型，也用来执行航拍电影取景、实时监控、地形勘探等飞行任务。

近来四轴飞行器在无人机领域获得了新生。使用电传飞行控制系统以及油门响应速度迅速的电动机作为动力系统，克服了四轴飞行器的主要缺点。四轴飞行器飞行稳定，操控灵活，可以在户内和户外使用。和直升机相比，它有许多优点：它的旋翼角度固定，结构简单。每个旋翼的叶片比较短，叶片末端的线速度慢，发生碰撞时冲击力小，不容易损坏，对也人更安全。有些小型四轴飞行器的旋翼有外框，避免磕碰。因为四轴飞行器体积小、重量轻，携带方便，能轻易进入人不易进入的恶劣环境。常用来制作模型，也用来执行航拍电影取景、实时监控、地形勘探等飞行任务。

本文主要就小型电动四轴飞行器，介绍对四轴飞行原理，重点讲解对其飞行姿态控制的实现方案。

四轴飞行器的飞行原理

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。

第1页

运动状态

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：

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