四軸飛行器設(shè)計(word文檔良心出品)

1、編號:6項目結(jié)題報告項目名稱：項目負責人： 學號：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：（學部蓋章）年 月 日三、項目專家組意見組長簽名：（蓋 章）年 月 日四、項目成果序號名稱說明1對四軸飛行器基礎(chǔ)理論探索了解四軸飛行器的構(gòu)成機器基本原理2四軸飛行器實物的初步搭建購置元器件并進行組裝四軸飛行器設(shè)計摘要四軸飛行器具備垂直起降飛行器的所有優(yōu)點，又具備無人機的造價低、可重復(fù)性強以及事故代價低等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景?？蓱?yīng)用于軍事上的地面戰(zhàn)場偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報。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)對現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式。在民用方面可用于災(zāi)后搜救、城市交通巡邏與目標跟蹤等諸多方面。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場、高壓輸電線、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達空間進行安全任務(wù)檢查與搜救工作，能夠?qū)?zhí)行區(qū)域進行航拍和成圖等。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)計實現(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，以及運用現(xiàn)代控制理論進行的研究方法和所取得成果。其次給出本項目所設(shè)計的四軸飛行器樣機模型與飛行控制器電路設(shè)計。著重從機械結(jié)構(gòu)與飛行控制器硬件電路設(shè)計方面論述四軸飛行器的樣機設(shè)計。文中詳細分析

3、了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的選材以及元器件選型，實現(xiàn)了一個切實可用，能夠滿足應(yīng)用研究的四軸飛行器樣機模型。一個穩(wěn)定可用的樣機模型是實現(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。對控制器中需要用到姿態(tài)角求解部分進行了詳細論述。姿態(tài)角的求解在整個四軸飛行器設(shè)計中也是核心內(nèi)容之一。通過軟件設(shè)計實現(xiàn)飛行控制器方案。最后對飛行器各性能指標進行考察，進行實地飛行、調(diào)試優(yōu)化飛行器軟件控制器設(shè)計關(guān)鍵詞：四軸飛行器，飛行控制器，無人機。一 . 課題背景1.1 背景：四軸飛行器，一個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)在是科學家想要完成突破的重要課題，但是不免遇到了很多實用性的

4、技術(shù)難題，研究與實踐應(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)成為大學生進行科技創(chuàng)新的一個訓(xùn)練，成為我們提高自身科技技術(shù)水平的橋梁；對于研究人員，他們在微電子領(lǐng)域不斷地提高四軸飛行器的質(zhì)量，增強它的功能；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，運動靈活等優(yōu)勢，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)航時間較短，產(chǎn)生惱人的噪音等等。對四軸飛行器的設(shè)計與優(yōu)化， 需要空氣動力學與自動控制等方面的人才， 而現(xiàn)在我們的小組沒有對這些方面的涉獵，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一點點被克服。四軸飛行器已經(jīng)作為新興的遙控航拍機進入了人們的生活，與其他的電子產(chǎn)品相同，它會逐漸開始普及，變得越來越先進。解決現(xiàn)在遇到的種種問題，并實現(xiàn)現(xiàn)在人們提出的假想。當然，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)上可以進行田地的勘測，而裝有太陽能電池板的四軸飛行器可以節(jié)能的進行種子的播撒；對于軍事，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，并使用透明機體，這樣就可以達到一系列軍事目的

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，四軸飛行器由于動作靈活可已進行快速地勘測與救援；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)等人工不易到達的區(qū)域進行勘察與檢測。無人機可以在工人的操控下進行工作，可以代替人工對巡檢對象實施接近檢測，減少工人的勞動強度。小型化的無人機可以攜帶傳感儀器、攝像機等設(shè)備，對巡檢對象進行數(shù)據(jù)收集、分析和存儲，而正因為小型無人機具有的低成本、低損耗、零傷亡、可重復(fù)使用等特點，在安全巡檢領(lǐng)域小型化無人機已經(jīng)成為研究熱點。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 飛行器設(shè)計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、正載人飛行的動力飛機。在二十世紀二十年代法國標致汽車公司的年輕工程師設(shè)計出最早的能夠懸停的擁有四個旋翼的飛行器。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)動飛行器前進，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，取得巨大成功。近年來，隨著新材料科技、MEM等一些學科的蓬勃發(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。當今世界上對四軸飛行器的研究主要集中在自主飛行以及多機協(xié)調(diào)編隊等方面的研究。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)計四軸飛行器樣機，并簡單的了解飛行控制器算法。實現(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)。四軸飛行器是一個前驅(qū)動系統(tǒng)，具有非線性和時變動力學特性，這使得精確建模非常的困難，通過查閱大量的文獻資料，最終選擇使用開源飛行控制器。本文主要從以下幾個方面入手對四軸飛行器的設(shè)計進行詳細的研究： 四軸飛行器樣機結(jié)構(gòu)的搭建。 飛行控制器的軟件設(shè)計了解與調(diào)試。 飛行測試。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)計中應(yīng)能實現(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飛行器實現(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，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，1010的槳葉，3S 11.1V的鋰電池。無刷直流電機的轉(zhuǎn)速控制是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電時間周期的比例值（占空比）來改變平均電壓的大小實現(xiàn)的。

10、每一個電機都需要單獨的控制邏輯，對于飛行控制器來說是比較大的負擔，因此采用電子調(diào)速器對其轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，飛行控制器只需將控制信號給每個電機的電子調(diào)速器即可。（3）機架：由于初學四軸飛行器，所以選擇結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝的F450機架。其熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨損、等特點，尺寸穩(wěn)定，不易變形。（ 4）遙控器：根據(jù)經(jīng)費使用情況和對遙控器的初步了解，選擇較低價格的富斯遙控器。其原理不做深 入了解。2.2 元電路設(shè)計忽略各個器件的內(nèi)部電路，四軸飛行器分為驅(qū)動模塊，控制模塊，接收模塊。（ 1） 驅(qū)動模塊：由鋰電池對電調(diào)，電機以及飛控供電；電調(diào)通過轉(zhuǎn)化為電機提供 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：通過飛控與接收機的連接，實現(xiàn)遙控器對飛行器的控制。. 研究結(jié)果本文將從一下幾個方面論述四軸飛行器設(shè)計的研究結(jié)果： 飛行器結(jié)構(gòu)搭建。通過對飛行器機械架構(gòu)與飛行原理的分析，初步完成一個能夠滿足應(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力學模型。分析四軸飛行器的空氣動力學特性和飛行姿態(tài)控制原理。準確的分析與建模是四軸飛行器控制算法設(shè)計的基礎(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)角的求解在整個四軸飛行器的控制算法設(shè)計中是核心內(nèi)容之一。. 結(jié)束語經(jīng)過一學年的努力，項目化終于接近尾聲，雖然最終結(jié)果并不好，但是制作過程中，項 目化小組帶給了我很多，讓我明白責任心，克服困難的勇氣和團隊合作意識。同時感謝的教導(dǎo)與對項目態(tài)度的影響。五.參考文獻1 . Marc T. Thompson實用模擬電路設(shè)計 張樂峰譯，出版社：人民郵電出版社出版 時間:2009-2-12 .蔡國瑋 無人駕駛旋翼飛行器系統(tǒng)，清華大學出版社，出版