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1、四旋翼自主垂直起降飞行器设计摘要:四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器,具有操作灵活、带负载能力强等特点,具有重要的军事和民用价值,以及研究价值。在深入了解四旋翼飞行器的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上,根据四旋翼飞行器飞行原理,建立系统动力学模型,确定了系统组成和总体设计方案。首先根据设计方案采购了简单飞行器机体模型,选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置,设计线性度良好、功率满足一定要求的无刷电机驱动器,以满足四旋翼飞行器带载飞行需要。选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件满足系统需要,并做了大量的系统软硬件调
2、试工作,最终完成了整体设计。飞行器运动姿态测量单元主要由惯性测量单元(IMU)和三轴磁传感器组成,根据其传感器的性能指标,构建数学模型,从而得到载体准确的航向信息和相应姿势,为飞行器系统稳定飞行提供重要的保障。四旋翼无人飞行器要实现稳定飞行是以平衡控制为前提的,由于该飞行器具有六自由度而只有四个控制量的欠驱动的控制系统,通过调节四个电机转速实现飞行器平衡稳定飞行,因此平衡控制是四旋翼飞行器运动中的关键。根据系统动力学模型设计控制算法,设计四旋翼飞行器控制系统控制规律,主要包括两个控制回路:姿态控制回路、位置控制回路。在仿真软件平台上,通过仿真验证后将算法移
3、植到处理器中,进行控制算法验证及实验研究,优化飞行控制算法参数。最后,为了满足四旋翼无人飞行器的稳定飞行控制的要求,设计实时性高的控制系统软件程序,进行相关实验调试工作。最终设计出能够实现一键飞行、高效的四旋翼自主飞行器。关键词:四旋翼飞行器瑞萨R5F100LEAPWM陀螺仪超声传感器23AbstractFourrotoraircraftisakindofnovelstructure,superiorperformanceofverticaltake-offandlandingaircraft,hasmanycharacteristics,suchasfl
4、exibleoperationandloadability,hastheimportantvalueofmilitaryandcivilian,andresearchvalue.Inunderstandingtheresearchstatusoffourrotoraircraft,thekeytechnologyandtheapplicationprospect,accordingtotheprincipleoffourrotoraircraftflight,establishasystemdynamicsmodel,thesystemcompositio
5、nandtheoveralldesignschemeisdetermined.Firstaccordingtothedesignplantopurchasethesimplevehiclebodymodel,selecttheappropriatebrushlessdcmotorasthepowerunitsystem,designgoodlinearityandpowermeetcertainrequirementsofbrushlessmotordrive,tomeettheneedsofthefourrotoraircraftflyingonload
6、.Selectedthepowerfulandeasydevelopmentofmicroprocessors,sensorsandrelatedelectroniccomponentsmeettheneedsofthesystem,andmadealotofsystemhardwareandsoftwaredebugging,finallycompletedtheoveralldesign.Aircraftmotionmeasurementunitismainlycomposedofinertialmeasurementunit(IMU)andathre
7、e-axismagneticsensor,accordingtothesensorperformanceindex,buildthemathematicalmodelofthecarriertogettheexactcourseinformationandthecorrespondingposition,provideimportantguaranteeforaircraftflyingsystemstable.Fourrotorunmannedaerialvehiclestoachievestableflightisthepremiseofthebala
8、ncecontrol,duetotheaircrafthassix