四翼飛行器-研究報告

：四翼飛行器;自動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章緒 設計背 四翼飛行器的研究現(xiàn) 歷 現(xiàn) 第2章四軸飛行器的基本結構及其工作原 四軸飛行器的基本結 工作原 第3章初步計算傳動裝置運動參數(shù)和動力參 電機軸輸出參 3.6本章小 第4章飛行器程序設 主.........................................................................................................................自巡 油門信號的與姿態(tài)控 本章小 第5章四翼飛行器的調(diào) MissonPlanner的界 固件安 輸入校 加速度校 羅盤校 本章小 第6章四翼飛行器實物 全 電調(diào)的安 控制器的安 結 參考文 1得其可以搭載拍攝去臺和設備，在一定的范圍內(nèi)進行航拍。比傳統(tǒng)的出動有人操控直小范圍四軸飛行器可搭載設備進行一定范圍內(nèi)的和任務，如軍事、火災或現(xiàn)場等。四軸飛行器同時在軍事和民事警務領域有很廣闊的前景。力資源。噴灑也成為目前四軸飛行器商業(yè)運用的一個重要領域。歷1907年，法國Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升機（1-1所示1-11921年，GeorgeDeBothezat在俄亥俄州西南部城市代頓的部建造了另了100多次的飛行試驗但是仍然無法很好的控制其飛行，并且沒有達到標準。圖1-2四旋現(xiàn)DraganflyerDraganflyerX4-ES（如圖1-3所示）是draganfly公司在2013年5月生產(chǎn)出來的新型四軸飛行器。它采用的是碳纖維螺旋槳，所以具有良好的穩(wěn)定性，同時它是一款型飛機，該產(chǎn)品采用模塊化設計，便于拆卸和攜帶。同時它的功能十分強大，具有自動平和及定點懸浮功能，這樣更加有利于穩(wěn)定拍攝。還有它可以通過無線向用戶發(fā)送信號，實時查看當前的攝影情況，或者將這些信息在再帶的一個的里面，完成任。務后還可以后期調(diào)研頭最高可以配備1210萬像素的可以很清晰的查看拍攝到的場景。選擇高性能的機，比如可以在低光源背景下就能獲良好圖像的相機同樣可以提高環(huán)境工作；也可以面向實現(xiàn)如交通、火警救助等；當然也包括一些高端的攝影愛。1-3DraganflyerX4-ParrotAR.Drone2.0ParrotAR.Drone2.0（1-4所示）是法國一家公司與年月推出的四軸飛行器。這款控制等部件，利用優(yōu)良的算法處理，可以實現(xiàn)糾正風力和其他環(huán)境誤差，讓飛行器更處理多任務。它同時嵌入模塊，讓使用者可以通過具有功能的無線終端來控制，極大地實現(xiàn)了操作方便性。為了全方位的拍攝場景，它的前端和底部都配備了視像鏡頭，這樣就可以通過將所拍攝的圖像傳送回使用者的終端控制器，讓使用者所拍攝的場景或使用進行游戲操作。圖為使用通過來實現(xiàn)游戲功能。1-4Parrot大疆Phantom大疆Phantom（1-5所示Ready-to-Fly垂直起降、多旋翼飛行器，它不僅具吸引人眼球的精美外觀，還擁有DJI專業(yè)飛控系統(tǒng)的強大——集成了高、穩(wěn)定的飛行動力系統(tǒng)，Naza-M+GPS多旋翼飛控系統(tǒng)，并配置定制的無線電系統(tǒng)，在出廠前已經(jīng)設置并調(diào)試所有的飛行參數(shù)及功能。其免安裝、免調(diào)試的即刻飛行方式，易操作、易的集成穩(wěn)定設計，讓穩(wěn)定飛行和趣味航拍輕而易1-52電機1和電機3逆時針旋轉的同時（如圖2-3所示電機24順時針旋轉，因6個活動自由度（分別沿3當控制自由度等于活動自由度的時候才是完整驅動系統(tǒng)不過對于姿態(tài)控制本別沿3個坐標軸作旋轉動作，它確實是完整驅動的。2-1因有兩對電機轉向相反（2-2所示直下降，直至平衡，實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的

2-2示113的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y13的轉速上升，機身便繞y軸

2-3（13x軸旋轉（正向和反向2-4（2-5所示當電機1和電機3的轉速上升24的轉速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動，13的轉向相反。因為電機的總升力不變，飛

2-5(2張)必須在水平面內(nèi)對飛行（2-6所示）312-3的理論，前飛運后飛行與向前飛行正好相反。當然在圖2-3、圖2-4中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運動。

2-6由于結構對稱（2-3所示2-73

????=5.5????=1440????=9550×1440=36.476?????1=0.96×????=5.28??????1=1.2=1200

??1=9550×1200=42.02?????2=0.97×0.97×??1=4.968??2=2.7=444.44

??2=9550×444.44=106.75?????3=0.97×0.97×??2=4.674??3=2.96=150.15

??3=9550×150.15=297.281?????4=0.97×0.97×??3=4.398??4=2.19=68.562

??4=9550×68.562=612.597???????=0.97×0.97×0.99×??4=4.097????=68.562????=9550×68.562=570.671???8-2轉速功率轉矩T/(N?4先用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角取20??20510-67級選小齒輪齒數(shù)z3=24，大齒輪齒數(shù)z4=??1×z3=2.96×24=71（1）20310-113

??1+

??????????????1??≥

× 試選載荷系數(shù)??????=1.3020610-7，???=120310-20，????=2.4820210-5，????=189.8??????20210-9，計算接觸疲勞強度用重合系數(shù)????????1=cos?1

??1cos??1+??2cos

]=cos?1

30×30+2×1]89×????2=cos?1

??2+

]=cos?1

89+2×1]主電主程序及其框

4-1在APM飛控系統(tǒng)中，采用的是兩級PID控制方式，第一級是導航級，第二級是控制級導航級的計算集中在medium_loop()和fastloop()的update_current_flight_mode()函數(shù)中，控制級集中在fastloop()的stabilize()函數(shù)中。導航級PID控制就是要解決飛機如何以預定橫滾角和方向角。最后通過舵機控制級set_servos_4()將控制量轉換成具體的 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);這個語句中millis()函數(shù)在程序開始運行后開始執(zhí)行，中間不停頓，返回的是從程序開始一直到當前的時間（毫秒5條語句有19ms20ms的時候，要使飛機飛往目標那就必須知道飛機當前位置目標位置和當前航向等問題在APM飛控系統(tǒng)中，GPS模塊能夠提供飛機當前信息，航跡方向和地速信息。根據(jù)這些信息，再用程序解算飛機當前位置和目標位置的關系，就能知道目標航向角target_bearing，知道了目標航向角target_bearing后就可以用于引導飛機飛向目標但是僅用目標航向角進行導航，不能壓航線飛行，為了解決這個問題，APM飛控系統(tǒng)中又增加了偏航距 的計算，并且根據(jù)偏航距，計算出需要的偏航修正量正量組成導航航向角nav_bearing，提供給控制級PID。所以目標航向角的計算和偏航修正量的計算是構成如何讓飛機飛往目標的。下面具體介紹APM中關于這部分的程序。APM飛控系統(tǒng)中的GPS信息只能每秒更新4-10次。所以，計算目標航向角和偏航修正量的程序都在每秒大約執(zhí)行10次的medium_loop()中。在medium_loop()的case1中會執(zhí)行navigate()，正是在這個函數(shù)中，執(zhí)行了導航航向角nav_bearing的計算。首先計算的是目標航向角。在navigate()中有：第一個語句中current_loc和next_WP是結構體，里面這一個位置點的經(jīng)度、緯得出目標航向target_bearing。接下來要計算偏航修正量navigate()調(diào)用update_navigation()調(diào) 調(diào)用verify_nav_wp()調(diào)用update_crosstrack()，這個函數(shù)中有：crosstrack_error=sin(radians((target_bearingcrosstrack_bearing)/100))*wp_distance;點到一條線之間的距離。wp_distance是這個直角三角形的斜邊，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函數(shù)將偏航距修正量限制在-g.crosstrack_entry_angle.get與量。在上一段中target_bearing計算時已經(jīng)有nav_bearing=target_bearing?，F(xiàn)在又這樣其實就把目標航向角和偏航距修正都加到了nav_bearing這是飛控系統(tǒng)控制的控制之一。執(zhí)行頻率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，與標準舵機控制控制也是飛行器的主要部分當自動控制不能滿足飛行要求是可用進行人工staticvoid{channel_throttle->set_range(0,100);}在代碼中前四句是進行信號的，后四句是校正控制信息防止信號出錯是飛機失控5MissonPlanner5-1PIDPMPM作為一個模擬器在電腦上模擬飛行使用終端是一個類似S環(huán)境令行調(diào)試窗口功能非常強大。主界面右上方是端口選擇、波特率以及連接/斷開按鈕（onnt/dionnt。APMUSB線到電腦(其它的可不用連接)，確保電腦已經(jīng)識別到APM的COM后，打開MissionPlanner，在MP主界面選擇對應的COM口，一般正確識別的COMArduinoMega2560標識，直接選擇帶這個標識的COM口，然后波115200（5-2所示。5-2接下去點擊Installsetup（初始設置5-3點擊InstallFirmware，窗口右側會自動從網(wǎng)絡的固件并以圖形化顯示固件名稱以及固件對應的飛機模式在對應你飛機模式的上點擊然后自動完成連接