四翼飛行器-研究報(bào)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)及其工作原 四軸飛行器的基本結(jié) 工作原 第3章初步計(jì)算傳動裝置運(yùn)動參數(shù)和動力參 電機(jī)軸輸出參 3.6本章小 第4章飛行器程序設(shè) 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(shí)物 全 電調(diào)的安 控制器的安 結(jié) 參考文 1得其可以搭載拍攝去臺和設(shè)備，在一定的范圍內(nèi)進(jìn)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(shè)備進(jìn)行一定范圍內(nèi)的和任務(wù)，如軍事、火災(zāi)或現(xiàn)場等。四軸飛行器同時(shí)在軍事和民事警務(wù)領(lǐng)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(yùn)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。歷1907年，法國Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升機(jī)（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(yàn)但是仍然無法很好的控制其飛行，并且沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)它是一款型飛機(jī)，該產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸和攜帶。同時(shí)它的功能十分強(qiáng)大，具有自動平和及定點(diǎn)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(shí)時(shí)查看當(dāng)前的攝影情況，或者將這些信息在再帶的一個(gè)的里面，完成任。務(wù)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(jī)，比如可以在低光源背景下就能獲良好圖像的相機(jī)同樣可以提高環(huán)境工作；也可以面向?qū)崿F(xiàn)如交通、火警救助等；當(dāng)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(shí)現(xiàn)糾正風(fēng)力和其他環(huán)境誤差，讓飛行器更處理多任務(wù)。它同時(shí)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(shí)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(jìn)行游戲操作。圖為使用通過來實(shí)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(qiáng)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(shè)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(shè)計(jì)，讓穩(wěn)定飛行和趣味航拍輕而易1-52電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)（如圖2-3所示電機(jī)24順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因6個(gè)活動自由度（分別沿3當(dāng)控制自由度等于活動自由度的時(shí)候才是完整驅(qū)動系統(tǒng)不過對于姿態(tài)控制本別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動作，它確實(shí)是完整驅(qū)動的。2-1因有兩對電機(jī)轉(zhuǎn)向相反（2-2所示直下降，直至平衡，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動。當(dāng)外界擾動量為零時(shí)，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(jī)身繞y13的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸

2-3（13x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向2-4（2-5所示當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升24的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動，13的轉(zhuǎn)向相反。因?yàn)殡姍C(jī)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(yùn)后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖2-3、圖2-4中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時(shí)也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動。

2-6由于結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速功率轉(zhuǎn)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(jì)算接觸疲勞強(qiáng)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(dǎo)航級，第二級是控制級導(dǎo)航級的計(jì)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(dǎo)航級PID控制就是要解決飛機(jī)如何以預(yù)定橫滾角和方向角。最后通過舵機(jī)控制級set_servos_4()將控制量轉(zhuǎn)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(gè)語句中millis()函數(shù)在程序開始運(yùn)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(dāng)前的時(shí)間（毫秒5條語句有19ms20ms的時(shí)候，要使飛機(jī)飛往目標(biāo)那就必須知道飛機(jī)當(dāng)前位置目標(biāo)位置和當(dāng)前航向等問題在APM飛控系統(tǒng)中，GPS模塊能夠提供飛機(jī)當(dāng)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(jī)當(dāng)前位置和目標(biāo)位置的關(guān)系，就能知道目標(biāo)航向角target_bearing，知道了目標(biāo)航向角target_bearing后就可以用于引導(dǎo)飛機(jī)飛向目標(biāo)但是僅用目標(biāo)航向角進(jìn)行導(dǎo)航，不能壓航線飛行，為了解決這個(gè)問題，APM飛控系統(tǒng)中又增加了偏航距 的計(jì)算，并且根據(jù)偏航距，計(jì)算出需要的偏航修正量正量組成導(dǎo)航航向角nav_bearing，提供給控制級PID。所以目標(biāo)航向角的計(jì)算和偏航修正量的計(jì)算是構(gòu)成如何讓飛機(jī)飛往目標(biāo)的。下面具體介紹APM中關(guān)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(jì)算目標(biāo)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(gè)函數(shù)中，執(zhí)行了導(dǎo)航航向角nav_bearing的計(jì)算。首先計(jì)算的是目標(biāo)航向角。在navigate()中有：第一個(gè)語句中current_loc和next_WP是結(jié)構(gòu)體，里面這一個(gè)位置點(diǎn)的經(jīng)度、緯得出目標(biāo)航向target_bearing。接下來要計(jì)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(gè)函數(shù)中有：crosstrack_error=sin(radians((target_bearingcrosstrack_bearing)/100))*wp_distance;點(diǎn)到一條線之間的距離。wp_distance是這個(gè)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(jì)算時(shí)已經(jīng)有nav_bearing=target_bearing?，F(xiàn)在又這樣其實(shí)就把目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)控制控制也是飛行器的主要部分當(dāng)自動控制不能滿足飛行要求是可用進(jìn)行人工staticvoid{channel_throttle->set_range(0,100);}在代碼中前四句是進(jìn)行信號的，后四句是校正控制信息防止信號出錯(cuò)是飛機(jī)失控5MissonPlanner5-1PIDPMPM作為一個(gè)模擬器在電腦上模擬飛行使用終端是一個(gè)類似S環(huán)境令行調(diào)試窗口功能非常強(qiáng)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(yīng)的COM口，一般正確識別的COMArduinoMega2560標(biāo)識，直接選擇帶這個(gè)標(biāo)識的COM口，然后波115200（5-2所示。5-2接下去點(diǎn)擊Installsetup（初始設(shè)置5-3點(diǎn)擊InstallFirmware，窗口右側(cè)會自動從網(wǎng)絡(luò)的固件并以圖形化顯示固件名稱以及固件對應(yīng)的飛機(jī)模式在對應(yīng)你飛機(jī)模式的上點(diǎn)擊然后自動完成連接