四軸飛行器設(shè)計(jì)(word文檔良心出品)

1、編號(hào):6項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告項(xiàng)目名稱：項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 學(xué)號(hào)：聯(lián)系電話：電子郵箱：院系及專業(yè)： 指導(dǎo)教師：職稱：聯(lián)系電話：電子郵箱：院系及專業(yè)：填表日期:年 月日、指導(dǎo)教師意見組長簽名：（學(xué)部蓋章）年 月 日三、項(xiàng)目專家組意見組長簽名：（蓋 章）年 月 日四、項(xiàng)目成果序號(hào)名稱說明1對(duì)四軸飛行器基礎(chǔ)理論探索了解四軸飛行器的構(gòu)成機(jī)器基本原理2四軸飛行器實(shí)物的初步搭建購置元器件并進(jìn)行組裝四軸飛行器設(shè)計(jì)摘要四軸飛行器具備垂直起降飛行器的所有優(yōu)點(diǎn)，又具備無人機(jī)的造價(jià)低、可重復(fù)性強(qiáng)以及事故代價(jià)低等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景?？蓱?yīng)用于軍事上的地面戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報(bào)。能夠執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊

2、任務(wù)，可應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式。在民用方面可用于災(zāi)后搜救、城市交通巡邏與目標(biāo)跟蹤等諸多方面。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場(chǎng)、高壓輸電線、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達(dá)空間進(jìn)行安全任務(wù)檢查與搜救工作，能夠?qū)?zhí)行區(qū)域進(jìn)行航拍和成圖等。因此，四軸飛行器的研究意義重大。本文主要討論四軸飛行器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。首先從歷史的角度介紹小型四軸飛行器的發(fā)展以及研究成果，引入現(xiàn)代四軸飛行器的研究，以及運(yùn)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行的研究方法和所取得成果。其次給出本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的四軸飛行器樣機(jī)模型與飛行控制器電路設(shè)計(jì)。著重從機(jī)械結(jié)構(gòu)與飛行控制器硬件電路設(shè)計(jì)方面論述四軸飛行器的樣機(jī)設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)分析

3、了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的選材以及元器件選型，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)切實(shí)可用，能夠滿足應(yīng)用研究的四軸飛行器樣機(jī)模型。一個(gè)穩(wěn)定可用的樣機(jī)模型是實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的基礎(chǔ)。之后分析四軸飛行器的飛行控制原理，分析其飛行姿態(tài)原理。對(duì)控制器中需要用到姿態(tài)角求解部分進(jìn)行了詳細(xì)論述。姿態(tài)角的求解在整個(gè)四軸飛行器設(shè)計(jì)中也是核心內(nèi)容之一。通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)飛行控制器方案。最后對(duì)飛行器各性能指標(biāo)進(jìn)行考察，進(jìn)行實(shí)地飛行、調(diào)試優(yōu)化飛行器軟件控制器設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞：四軸飛行器，飛行控制器，無人機(jī)。一 . 課題背景1.1 背景：四軸飛行器，一個(gè)陌生新奇的東西慢慢地走入我們小組的生活。四軸飛行器現(xiàn)在是科學(xué)家想要完成突破的重要課題，但是不免遇到了很多實(shí)用性的

4、技術(shù)難題，研究與實(shí)踐應(yīng)用之間還是有一定的距離的。但普通的四軸飛行器在現(xiàn)在已經(jīng)不是我們觸不可及的高精尖的科技，它現(xiàn)在已經(jīng)成為大學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新的一個(gè)訓(xùn)練，成為我們提高自身科技技術(shù)水平的橋梁；對(duì)于研究人員，他們?cè)谖㈦娮宇I(lǐng)域不斷地提高四軸飛行器的質(zhì)量，增強(qiáng)它的功能；而很多電子愛好者也已經(jīng)能夠熟練地掌控四軸飛行器。雖然現(xiàn)在研發(fā)的四軸飛行器有尺寸較小，運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，但是四軸飛行器也遇到了一些技術(shù)上的難題如載重量小，續(xù)航時(shí)間較短，產(chǎn)生惱人的噪音等等。對(duì)四軸飛行器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化， 需要空氣動(dòng)力學(xué)與自動(dòng)控制等方面的人才， 而現(xiàn)在我們的小組沒有對(duì)這些方面的涉獵，但我們可以在網(wǎng)絡(luò)上獲取大量的相關(guān)資源與技術(shù)支持，雖

5、然我們有時(shí)找不到思路，但是我們并不是在未知中探索。慢慢地我們的困難會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)被克服。四軸飛行器已經(jīng)作為新興的遙控航拍機(jī)進(jìn)入了人們的生活，與其他的電子產(chǎn)品相同，它會(huì)逐漸開始普及，變得越來越先進(jìn)。解決現(xiàn)在遇到的種種問題，并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在人們提出的假想。當(dāng)然，四軸飛行器在商業(yè)，農(nóng)業(yè)， 軍事，消防，工業(yè)方面的前景是非常廣闊的，例如商業(yè)上，技術(shù)人員可以通過增大其載重降低其噪音來使用四軸飛行器發(fā)放快遞，傳遞信息；農(nóng)業(yè)上可以進(jìn)行田地的勘測(cè)，而裝有太陽能電池板的四軸飛行器可以節(jié)能的進(jìn)行種子的播撒；對(duì)于軍事，四軸飛行器有著可怕的前景，四軸飛行器可以制作成與小型鳥類一樣的大小，并使用透明機(jī)體，這樣就可以達(dá)到一系列軍事目的

6、，如果在四軸飛行器攜帶炸彈或更恐怖的武器，后果不堪設(shè)想；關(guān)于消防，四軸飛行器由于動(dòng)作靈活可已進(jìn)行快速地勘測(cè)與救援；而在工業(yè)方面四軸飛行器可以在大型化工廠，高壓輸電線，地震后山區(qū)等人工不易到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行勘察與檢測(cè)。無人機(jī)可以在工人的操控下進(jìn)行工作，可以代替人工對(duì)巡檢對(duì)象實(shí)施接近檢測(cè)，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。小型化的無人機(jī)可以攜帶傳感儀器、攝像機(jī)等設(shè)備，對(duì)巡檢對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析和存儲(chǔ)，而正因?yàn)樾⌒蜔o人機(jī)具有的低成本、低損耗、零傷亡、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，在安全巡檢領(lǐng)域小型化無人機(jī)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 飛行器設(shè)計(jì)起源于美國萊特兄弟， 在 1903 年他們成功研制出世界上拿第一家能真

7、正載人飛行的動(dòng)力飛機(jī)。在二十世紀(jì)二十年代法國標(biāo)致汽車公司的年輕工程師設(shè)計(jì)出最早的能夠懸停的擁有四個(gè)旋翼的飛行器。早期的四軸飛行器中都有設(shè)置額外的垂直于主旋翼的旋翼，并將其設(shè)置于飛行器的前方和后方以提供拉力或推力，用以驅(qū)動(dòng)飛行器前進(jìn)，所以說這并不能算是真正意義上的四軸飛行器。在1956 年， covertawings 公司紐約制造了第一架原型機(jī)，取得巨大成功。近年來，隨著新材料科技、MEM等一些學(xué)科的蓬勃發(fā)展，小型四軸飛行器的開發(fā)和研制又出現(xiàn)了新的方法，也使得四軸飛行器的研究有了新的方向。當(dāng)今世界上對(duì)四軸飛行器的研究主要集中在自主飛行以及多機(jī)協(xié)調(diào)編隊(duì)等方面的研究。二 . 課題研究內(nèi)容及方法2.1

8、 研究內(nèi)容本文主要任務(wù)是設(shè)計(jì)四軸飛行器樣機(jī)，并簡(jiǎn)單的了解飛行控制器算法。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、受控的飛行的四軸飛行器，為后期的研究奠定基礎(chǔ)。四軸飛行器是一個(gè)前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有非線性和時(shí)變動(dòng)力學(xué)特性，這使得精確建模非常的困難，通過查閱大量的文獻(xiàn)資料，最終選擇使用開源飛行控制器。本文主要從以下幾個(gè)方面入手對(duì)四軸飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的研究： 四軸飛行器樣機(jī)結(jié)構(gòu)的搭建。 飛行控制器的軟件設(shè)計(jì)了解與調(diào)試。 飛行測(cè)試。2.2 元件的選擇（ 1） pixhawk ：由于飛行器的程序過于復(fù)雜， 現(xiàn)有知識(shí)有限，因此選擇已經(jīng)較為成熟的PIX 飛控板，四軸飛行器在有限的載重基礎(chǔ)上要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，在系統(tǒng)硬件選型上應(yīng)考慮低密度、低

9、功耗、高性價(jià)比的產(chǎn)品。鑒于在飛行過程中，飛行器易于受外界的干擾，因此在飛行控制器的設(shè)計(jì)中應(yīng)能實(shí)現(xiàn)受控飛行與自主飛行的模式切換，使得地面操控人員能夠在緊急的情況下對(duì)飛行器實(shí)現(xiàn)控制，避免因外界的干擾使得飛行器失控造成事故。而在自主飛行模式中，飛行器應(yīng)能夠按照給定任務(wù)，自主實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)的控制；在受控飛行中，飛行器的姿態(tài)與飛行路徑應(yīng)受控于地面控制站。（ 2）電調(diào)，電機(jī)，槳葉，鋰電池：根據(jù)各自的性質(zhì)配套購買，選擇了 30A的電調(diào)，980kv的電機(jī)，1010的槳葉，3S 11.1V的鋰電池。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電時(shí)間周期的比例值（占空比）來改變平均電壓的大小實(shí)現(xiàn)的。

10、每一個(gè)電機(jī)都需要單獨(dú)的控制邏輯，對(duì)于飛行控制器來說是比較大的負(fù)擔(dān)，因此采用電子調(diào)速器對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，飛行控制器只需將控制信號(hào)給每個(gè)電機(jī)的電子調(diào)速器即可。（3）機(jī)架：由于初學(xué)四軸飛行器，所以選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝的F450機(jī)架。其熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨損、等特點(diǎn)，尺寸穩(wěn)定，不易變形。（ 4）遙控器：根據(jù)經(jīng)費(fèi)使用情況和對(duì)遙控器的初步了解，選擇較低價(jià)格的富斯遙控器。其原理不做深 入了解。2.2 元電路設(shè)計(jì)忽略各個(gè)器件的內(nèi)部電路，四軸飛行器分為驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊，接收模塊。（ 1） 驅(qū)動(dòng)模塊：由鋰電池對(duì)電調(diào)，電機(jī)以及飛控供電；電調(diào)通過轉(zhuǎn)化為電機(jī)提供 適宜的電壓。（ 2） 控制模塊：飛行控制器通過

11、內(nèi)部的算法調(diào)整飛行器的姿態(tài)，保持飛行的安全及穩(wěn)定。（ 3） 接收模塊：通過飛控與接收機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)遙控器對(duì)飛行器的控制。. 研究結(jié)果本文將從一下幾個(gè)方面論述四軸飛行器設(shè)計(jì)的研究結(jié)果： 飛行器結(jié)構(gòu)搭建。通過對(duì)飛行器機(jī)械架構(gòu)與飛行原理的分析，初步完成一個(gè)能夠滿足應(yīng)用研究的四軸飛行器的初步搭建。初步了解四軸飛行器動(dòng)力學(xué)模型。分析四軸飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)特性和飛行姿態(tài)控制原理。準(zhǔn)確的分析與建模是四軸飛行器控制算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。初步了解四軸飛行器飛行控制算法。通過git軟件了解開源代碼，著重了解姿態(tài)角算法與PID算法。姿態(tài)角的求解在整個(gè)四軸飛行器的控制算法設(shè)計(jì)中是核心內(nèi)容之一。. 結(jié)束語經(jīng)過一學(xué)年的努力，項(xiàng)目化終于接近尾聲，雖然最終結(jié)果并不好，但是制作過程中，項(xiàng) 目化小組帶給了我很多，讓我明白責(zé)任心，克服困難的勇氣和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。同時(shí)感謝的教導(dǎo)與對(duì)項(xiàng)目態(tài)度的影響。五.參考文獻(xiàn)1 . Marc T. Thompson實(shí)用模擬電路設(shè)計(jì) 張樂峰譯，出版社：人民郵電出版社出版 時(shí)間:2009-2-12 .蔡國瑋 無人駕駛旋翼飛行器系統(tǒng)，清華大學(xué)出版社，出版