四旋翼飞机概要

功能介绍:利用小型四旋翼飞机对灾害现场进行勘测，其中四旋翼上添加摄像头对现场进行勘测，从而了解现场状况。

设计思路:小型四旋翼飞机座位各类传感器搭载平台，根据现场实际情况通过控制四旋翼飞机飞行姿态，从而达到对复杂环境的监测。

四旋翼飞行器结构和原理:

1:结构形式

旋翼对称分布在机体的前后，左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，四个旋翼的结构和半径相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。

四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反；正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应。

结构如下

2.工作原理

通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼是一种欠驱动系统，是一种六自由度的垂直升降机，四个输入力，六个状态输出。

垂直飞行控制：控制飞机的爬升，下降和悬停。图中蓝色弧线箭头方向表示螺旋桨旋转的方向，以下同。当四旋翼处于水平位置时，在垂直方向上，惯性坐标系同机体坐标系重合。同时增加或减小四个旋翼的螺旋桨转速，四个旋翼产生的升力使得机体上升或下降，

从而实现爬升和下降。悬停时，保持四个旋翼的螺旋桨转速相等，并且保证产生的合推力与重力相平衡，使四旋翼在某一高度处于相对静止状态，各姿态角为零。垂直飞行控制的关键是要稳定四个旋翼的螺旋桨转速使其变化一致

横滚控制：如图所示，通过增加左边旋翼螺旋桨转速，使拉力增大，相应减小右边旋翼螺旋桨转速，使拉力减小，同时保持其它两个旋翼螺旋桨转速不变。这样由于存在拉力差，机身会产生侧向倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，使机体向右运动，当2,4转速相等时，可控制四旋翼飞行器作侧向平飞运动。

俯仰控制：在保持左右两个旋翼螺旋桨转速不变的情况下，减少前面旋翼螺旋桨的转速，并相应增加前面旋翼螺旋桨的转速，使得前后两个旋翼存在拉力差，从而引起机身的前后倾斜，使旋翼拉力产生与横滚控制中水平方向正交的水平分量，使机体向前运动。类似的，当1,3转速相同时可控制四旋翼飞行器作纵向平飞运动。

偏航控制：四旋翼飞行器为了克服反扭矩影响，四个旋翼螺旋桨中的两个逆时针旋转，两个顺时针旋转，对角线上两个螺旋桨上的转动方向相同。反扭矩大小与旋翼螺旋桨转速有关，四个旋翼螺旋桨转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起机体的转动。因此可以设计四旋翼飞行器的偏航控制，即同时提升一对同方向旋转的旋翼螺旋桨转速并且降低另一对相反方向旋转的旋翼螺旋桨转速，并保证转速增加的旋翼螺旋桨转动方向与四旋翼飞行器机身的转动方向相反。

建立系统动力学模型：

1.选取坐标系：忽略地球曲率，将地球表面假设成一个平面。

（1）机身坐标系M：（Oxyz）

四旋翼飞行器重心为O点，x轴在飞机对称平面内并且平行于飞行器的纵轴线，即前后旋翼连线指向机头，y轴垂直于飞机对称平面平行于左右旋翼的连线，指向机身左方，z轴在飞机对称平面内，分别与x轴y轴垂直，并且指向机身上方。

（2）地面坐标系N：（OXYZ）

研究飞行器相对于地面的飞行状态，确定机体空间位置坐标。在地面上选一点O，作四旋翼飞行器起飞位置。先确定X 轴是在水平面内指向某一方向，Z 轴垂直于地面指向空中，Y 轴在水平面内垂直于X 轴，其指向按右手定则确定，即保证右手4 指由选定的X 轴向带选定的Y 轴旋转，拇指方向为已确定的Z 轴方向。

机体坐标系与地面坐标系关系图

2.坐标系变换：

在飞行器飞行动力学中，我们可以通过转换绕x，y，z轴旋转到X,Y,Z轴的欧拉角φ、

θ

ψ

、；

其中φ：横滚角，机体坐标系相对于地面坐标系沿x轴变化的角度，规定机体向右翻转时为正；

θ：俯仰角，机体坐标系相对于地面坐标系沿y轴变化的角度，规定机体头部上扬时所

形成的角度为正；

ψ：偏航角，机体坐标系相对于地面坐标系沿z轴变化的角度，规定机体向右偏航时形成的角度为正。

坐标转换采用右手规则，先绕z 轴旋转得ψ，再绕x 轴旋转得φ，最后绕y 轴旋转得θ，图片中自右向左，每旋转一次，都有相应的转移矩阵，分别为：

旋转螺旋桨动力学特性

将螺旋桨的桨叶当作旋转的机翼建立的理论为螺旋桨叶素理论，模拟桨叶的绕流，叶素理论将桨叶划分为有限个微小段（或叶素段），计算每一个叶素上的气动力，最后沿径向求和得到桨叶上的总动力。绕过每个叶素上的气流认为是二维的，因此叶素之间互不影响。

作用于旋翼上的空气动力包括升力T 和阻力D ，升力是垂直于流动方向的气动力，阻力是平行于流动方向的气动力。定义相应的气动力系数T C 、D C ，可得升力T 和阻力D 显含T C 和D C 的形式

A 为叶片面积；ρ为空气密度；r 为叶片半径；Ω为螺旋桨角速度；在悬浮状态下，假设升力T 和阻力D 与螺旋桨的转速平方成正比，可得

四旋翼飞行器模型建立：

3.1系统组成

3.1.1 硬件构成

飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。

（1）机械构成

机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是尼龙材料的机架。电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的正方形，正桨反桨交错安装。

（2）电气构成

电气部分包括：控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心，上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。电气连接如图3.1所示。

飞行器由四个螺旋桨，前后左右各一个，其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机的控制信号，在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个电调，电调再把控制命令转化为电机的转速，以达到操作者的控制要求，显示的前后马达是顺时针转动，需要安装反桨，左右马达是逆时针转动，需要安装正桨，机械结构上只需保持重量分布的均匀，四电机保持在一个水平线上。机械结构图如下所示：

根据以上介绍，作如下计划：

第一阶段：夏朝阳，郭峰强熟悉了解四旋翼飞行器原理并且根据飞行器大小对其进行合理结构布局，计算合适动力大小

李栋，石思恩学习ARM编程并根据夏朝阳，郭峰强所做布局进行程序编写实现飞行器的起飞与降落。

（夏朝阳与郭峰强熟悉了解原理时间为一个半月，搭建飞行器时间半个月；编程时间从开始到结束）

第二阶段：在飞行器可以熟练起飞降落之后，对飞行器进行外围电路搭建，使其具有一定的实际效果（例如小型摄像头的搭建），并且根据飞行器实际重量对电机，电刷等大小进行适当调整。

搭建飞行器所需器件：