四翼飞行器-研究报告

：四翼飞行器;自动Quadrotor,alsoknownasFour-rotoraircraft,isabasicformofmulti-rotorhelicopterwhichhasfoursymmetricallyrotors.Itfloatsandmovesbyadjustingthespeedofrotorwings,insteadofmodulatingitsmechanicalstructure.Quadrotorenjoyslotsofstrongpointssuchaslowcost,straightforwardandlightweightbodywithoutcomplicatedmechanicalstructure,aswellasexcellentflightstablility.Besides,italsohastheadvantageouscharacterofminiatureandlaborless.Soitcanbeappliedinsomecomplexenvironmentssuchasaerialphotography,emetry,real-timemonitoring,militaryreconnaissanceandpesticidespraying.Thisarticlefromtheaircraftassembly,choosesomeofthemajorcomponentsofthecalculationoftheparameters,theworkingmechanismoftheaircraft,theprogramhasmade:Four-rotoraircraft;............................................................................................................................................I 第1章绪 设计背 四翼飞行器的研究现 历 现 第2章四轴飞行器的基本结构及其工作原 四轴飞行器的基本结 工作原 第3章初步计算传动装置运动参数和动力参 电机轴输出参 3.6本章小 第4章飞行器程序设 主.........................................................................................................................自巡 油门信号的与姿态控 本章小 第5章四翼飞行器的调 MissonPlanner的界 固件安 输入校 加速度校 罗盘校 本章小 第6章四翼飞行器实物 全 电调的安 控制器的安 结 参考文 1得其可以搭载拍摄去台和设备，在一定的范围内进行航拍。比传统的出动有人操控直小范围四轴飞行器可搭载设备进行一定范围内的和任务，如军事、火灾或现场等。四轴飞行器同时在军事和民事警务领域有很广阔的前景。力资源。喷洒也成为目前四轴飞行器商业运用的一个重要领域。历1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机（1-1所示1-11921年，GeorgeDeBothezat在俄亥俄州西南部城市代顿的部建造了另了100多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到标准。图1-2四旋现DraganflyerDraganflyerX4-ES（如图1-3所示）是draganfly公司在2013年5月生产出来的新型四轴飞行器。它采用的是碳纤维螺旋桨，所以具有良好的稳定性，同时它是一款型飞机，该产品采用模块化设计，便于拆卸和携带。同时它的功能十分强大，具有自动平和及定点悬浮功能，这样更加有利于稳定拍摄。还有它可以通过无线向用户发送信号，实时查看当前的摄影情况，或者将这些信息在再带的一个的里面，完成任。务后还可以后期调研头最高可以配备1210万像素的可以很清晰的查看拍摄到的场景。选择高性能的机，比如可以在低光源背景下就能获良好图像的相机同样可以提高环境工作；也可以面向实现如交通、火警救助等；当然也包括一些高端的摄影爱。1-3DraganflyerX4-ParrotAR.Drone2.0ParrotAR.Drone2.0（1-4所示）是法国一家公司与年月推出的四轴飞行器。这款控制等部件，利用优良的算法处理，可以实现纠正风力和其他环境误差，让飞行器更处理多任务。它同时嵌入模块，让使用者可以通过具有功能的无线终端来控制，极大地实现了操作方便性。为了全方位的拍摄场景，它的前端和底部都配备了视像镜头，这样就可以通过将所拍摄的图像传送回使用者的终端控制器，让使用者所拍摄的场景或使用进行游戏操作。图为使用通过来实现游戏功能。1-4Parrot大疆Phantom大疆Phantom（1-5所示Ready-to-Fly垂直起降、多旋翼飞行器，它不仅具吸引人眼球的精美外观，还拥有DJI专业飞控系统的强大——集成了高、稳定的飞行动力系统，Naza-M+GPS多旋翼飞控系统，并配置定制的无线电系统，在出厂前已经设置并调试所有的飞行参数及功能。其免安装、免调试的即刻飞行方式，易操作、易的集成稳定设计，让稳定飞行和趣味航拍轻而易1-52电机1和电机3逆时针旋转的同时（如图2-3所示电机24顺时针旋转，因6个活动自由度（分别沿3当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统不过对于姿态控制本别沿3个坐标轴作旋转动作，它确实是完整驱动的。2-1因有两对电机转向相反（2-2所示直下降，直至平衡，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

2-2示113的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y13的转速上升，机身便绕y轴

2-3（13x轴旋转（正向和反向2-4（2-5所示当电机1和电机3的转速上升24的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，13的转向相反。因为电机的总升力不变，飞

2-5(2张)必须在水平面内对飞行（2-6所示）312-3的理论，前飞运后飞行与向前飞行正好相反。当然在图2-3、图2-4中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

2-6由于结构对称（2-3所示2-73

𝑃𝑒=5.5𝑛𝑒=1440𝑇𝑒=9550×1440=36.476𝑁∙𝑃1=0.96×𝑃𝑒=5.28𝑘𝑤𝑛1=1.2=1200

𝑇1=9550×1200=42.02𝑁∙𝑃2=0.97×0.97×𝑃1=4.968𝑛2=2.7=444.44

𝑇2=9550×444.44=106.75𝑁∙𝑃3=0.97×0.97×𝑃2=4.674𝑛3=2.96=150.15

𝑇3=9550×150.15=297.281𝑁∙𝑃4=0.97×0.97×𝑃3=4.398𝑛4=2.19=68.562

𝑇4=9550×68.562=612.597𝑁∙𝑃𝑤=0.97×0.97×0.99×𝑃4=4.097𝑛𝑤=68.562𝑇𝑤=9550×68.562=570.671𝑁∙8-2转速功率转矩T/(N∙4先用直齿圆柱齿轮传动，压力角取20𝑜20510-67级选小齿轮齿数z3=24，大齿轮齿数z4=𝑖1×z3=2.96×24=71（1）20310-113

𝑖1+

𝑍𝐻𝑍𝐸𝑍𝜀𝑑1𝑡≥

× 试选载荷系数𝐾𝐻𝑡=1.3020610-7，∅𝑑=120310-20，𝑍𝐻=2.4820210-5，𝑍𝐸=189.8𝑀𝑃𝑎20210-9，计算接触疲劳强度用重合系数𝑍𝜀𝛼𝑎1=cos−1

𝑧1cos𝑧1+𝑧2cos

]=cos−1

30×30+2×1]89×𝛼𝑎2=cos−1

𝑧2+

]=cos−1

89+2×1]主电主程序及其框

4-1在APM飞控系统中，采用的是两级PID控制方式，第一级是导航级，第二级是控制级导航级的计算集中在medium_loop()和fastloop()的update_current_flight_mode()函数中，控制级集中在fastloop()的stabilize()函数中。导航级PID控制就是要解决飞机如何以预定横滚角和方向角。最后通过舵机控制级set_servos_4()将控制量转换成具体的 void{uint32_ttimer=uint16_tnum_samples=ins.num_samples_available();if(num_samples>=1){ =timer-load=(float)(fast_loopTimeStamp_ms-fast_loopTimer_ms)/delta_ms_fast_loop;G_Dt=delta_ms_fast_loop*0.001f;fast_loopTimer_ms=timer;//lthescheduleronetickhaspassedfast_loopTimeStamp_ms=millis();}{}}}

uint16_tdt=timer-fast_loopTimer_ms;if(dt<19){uint16_ttime_to_next_loop=19-dt;scheduler.run(time_to_next_loop*1000U);这个语句中millis()函数在程序开始运行后开始执行，中间不停顿，返回的是从程序开始一直到当前的时间（毫秒5条语句有19ms20ms的时候，要使飞机飞往目标那就必须知道飞机当前位置目标位置和当前航向等问题在APM飞控系统中，GPS模块能够提供飞机当前信息，航迹方向和地速信息。根据这些信息，再用程序解算飞机当前位置和目标位置的关系，就能知道目标航向角target_bearing，知道了目标航向角target_bearing后就可以用于引导飞机飞向目标但是仅用目标航向角进行导航，不能压航线飞行，为了解决这个问题，APM飞控系统中又增加了偏航距 的计算，并且根据偏航距，计算出需要的偏航修正量正量组成导航航向角nav_bearing，提供给控制级PID。所以目标航向角的计算和偏航修正量的计算是构成如何让飞机飞往目标的。下面具体介绍APM中关于这部分的程序。APM飞控系统中的GPS信息只能每秒更新4-10次。所以，计算目标航向角和偏航修正量的程序都在每秒大约执行10次的medium_loop()中。在medium_loop()的case1中会执行navigate()，正是在这个函数中，执行了导航航向角nav_bearing的计算。首先计算的是目标航向角。在navigate()中有：第一个语句中current_loc和next_WP是结构体，里面这一个位置点的经度、纬得出目标航向target_bearing。接下来要计算偏航修正量navigate()调用update_navigation()调 调用verify_nav_wp()调用update_crosstrack()，这个函数中有：crosstrack_error=sin(radians((target_bearingcrosstrack_bearing)/100))*wp_distance;点到一条线之间的距离。wp_distance是这个直角三角形的斜边，target_bearing-crosstrack_bearingcrosstrack_error*g.crosstrack_gain使用偏航距乘以偏航修正增益就得出需要的偏航距修正量，然后使用constrain函数将偏航距修正量限制在-g.crosstrack_entry_angle.get与量。在上一段中target_bearing计算时已经有nav_bearing=target_bearing。现在又这样其实就把目标航向角和偏航距修正都加到了nav_bearing这是飞控系统控制的控制之一。执行频率50Hz。程序如下：staticvoidfast_loop(){if(delta_ms_fast_loop>G_Dt_max)G_Dt_max=delta_ms_fast_loop;#ifHIL_MODE!=if(g.log_bitmask&MASK_LOG_IMU)}1250Hz，与标准舵机控制控制也是飞行器的主要部分当自动控制不能满足飞行要求是可用进行人工staticvoid{channel_throttle->set_range(0,100);}在代码中前四句是进行信号的，后四句是校正控制信息防止信号出错是飞机失控5MissonPlanner5-1PIDPMPM作为一个模拟器在电脑上模拟飞行使用终端是一个类似S环境令行调试窗口功能非常强大。主界面右上方是端口选择、波特率以及连接/断开按钮（onnt/dionnt。APMUSB线到电脑(其它的可不用连接)，确保电脑已经识别到APM的COM后，打开MissionPlanner，在MP主界面选择对应的COM口，一般正确识别的COMArduinoMega2560标识，直接选择带这个标识的COM口，然后波115200（5-2所示。5-2接下去点击Installsetup（初始设置5-3点击InstallFirmware，窗口右侧会自动从网络的固件并以图形化显示固件名称以及固件对应的飞机模式在对应你飞机模式的上点击然后自动完成连接