基于stm的四旋翼飞行控制器的设计

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1、基于STM32的四旋翼飞行控制器的设计.doc导读：就爱阅读网友为您分享以下“基于STM32的四旋翼飞行控制器的设计.doc”资讯，希望对您有所帮助，感谢您对92to.com的支持!基于STM32的四旋翼飞行控制器设计姓名：XX学号：54130XXXXXXX班级：自动化摘要随着时代的发展,多旋翼飞行器越来越被广泛的应用在军事、民用、以及科学研究等多个领域,16同时其本身也向着高效、多功能化方面发展。四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机又叫四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以搭配微型相机录制空中视

2、频。四旋翼直升机，国外又称Quadrotor，Four-rotor，4rotorshelicopter，X4-flyer等等，是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作（目前，也出现可以改变螺距的四旋翼飞行器，这种控制方式比改变电机转速更灵活方便）。一四旋翼飞行基础控制原理1.1飞行动力原理（图2.1）（图2.216）四轴飞行器是一个在空间具有6个活动自由度（分别沿3个坐

3、标轴作平移和旋转动作），但是只有4个控制自由度（四个电机的转速）的系统，因此被称为欠驱动系统（只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统）。不过对于姿态控制本身（分别沿3个坐标轴作旋转动作），它确实是完整驱动的。1.2姿态分析因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，（图2.2.1）实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰

4、动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。16电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向（图2.2.2）旋转，实现飞行器的俯仰运动。改变电机2和电机4的转速，保持电

5、机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。（图2.2.3）四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d16中，当电机1和电机3的转速上升，电机2

6、和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。（图2.2.4）要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。

7、当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。（图2.2.5）（图2.2.6）1.316动力学原理四旋翼飞行器的升力全来自于螺旋桨，螺旋桨靠电机驱动高速旋转，旋转与空气相互作用，产生上升力，上升力来源有两种、：①空气推力②螺旋桨向后推空气的反作用力1.3.1空气推力根据伯努利原理，动能+压力势能=常数，即公式如下：P1+1/2ρV12+ρgh=C,这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。它也

8、可以被表述为p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2。在螺旋桨旋转过程中，密度、高度、重力常数均变，速度V越大，则压强P越小，如右图图（图2.3.1）桨叶上半部距离长，但流过的时间是一样的，故桨叶上方空气流速v更大，压力p16更小，由于压力差的存在，空气对桨叶有向上的推力。1.3.2螺旋桨反作用力螺旋桨旋转时，桨叶不断把大