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1、航空制造工程学院创新能力综合训练研 究 报 告题 目： 四轴航拍飞行器动力系统的设计 所属课题： 四轴航拍飞行器的设计 学 院： 航空制造工程学院 专业名称： 飞行器制造工程 班级学号： 学生姓名： 合 作 者： 指导教师： 二 O 一五年 十一月 1主要创新点设计思想：四轴飞行器的摄像头通过图传发射器将信号发射出去，地面图传接收器接受信号并通过转换器将信号转换为 过手机 力系统采用了四个无刷电机对四个旋翼的控制，从而实现四驱来控制飞行器的姿态。分工合作：1 结构设计（机架，螺旋桨，云台等）2动力系统（电机，电池，电刷等）3控制系统（飞控，遥控，图传等） 2四轴航拍飞行器动力系统的研究姓名：
2、班级： 指导老师：摘要：四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。这四轴飞行器(一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨采用了电机直连的简单机构，研究了十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。具体的技术细节在基本运动原理中讲述。结果表明因为它固有的复杂性，历史上从未有大型的商用四轴飞行器。近年来得益于微机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。关键字：四轴 飞行器 航拍 动力of of it to is a of of to of of it by of to be of is of of so it in o
3、f of 目 录第一章 言(4)景(4)第二章 身结构(7)力系统(7)制系统(8)第三章 结构原理(10)叠自动控制原理(10)本运动原理(11)第四章 电机(14)电池、充电器(14)电调(15)第五章 功能与应用(16)技术前沿(16)参考文献 (17)4第一章 言20 世纪 90 年代之后，随着微机电系统（究的成熟，几克重的性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了。但是 感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年的时间研究 噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生
4、。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。因此，直到 2005 年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。景1907 年，法国 弟制造了第一架四旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何的控制，所以飞行稳定性是很差。5图 11921 年，e 美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另架大型的四
5、旋翼直升机先后进行了一架大型的四旋翼直升机，先后进行了 100 多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准。 图 21924 年，出现了一种叫做 四旋翼直升机，直升机首次实现了1垂直飞行。6图 31956 年，了一架四旋翼直升机，该飞行器的螺旋桨在直径上超过了 19 英尺，用到了两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器。 图 4在此之后的数十年中，四旋翼垂直起降机没有什么大的进展。近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展四旋翼垂直降机制理论等技术的发展，四旋翼垂直起降机又引起人们极大的兴趣。研究集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞行控
6、制以及能源动力等方面。7第二章 身结构四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有 3 个方向的陀螺仪和 3 轴加速度传感器组成惯性导航模块，它还通过电子调控器来保证其快速飞行。图 5图 力系统我们知道，作为飞行器的动力系统，顾名思义是为飞行器提供动力的，四轴飞行器动力系统主要采用电池驱动电机带动桨叶旋转从而为飞行器提供升力。图 7图 制系统四轴飞行器控制系统是飞行器一个非常重要的部分，相当于人的大脑，它9控制着飞行器的姿态，运动，停止。图 9图 10第三章 构原理如图 11 所示，电机 1 和电机 3
7、 逆时针旋转的同时，电机 2 和电机 4 顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。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。与直升机相比，四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少，不过基本的前进、10后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单，维修和更换的开销也非常小，这让四轴飞行器有了比直升机更大
8、的应用优势。叠自动控制原理为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有 3 个方向的陀螺仪和 3 轴加速度传感器组成惯性导航模块，可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度、角速度。飞行控制器通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力，通过电子调控器来保证电机输出合适的力。图 本运动原理(一)折叠垂直运动图 12 中，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，实现了沿 z 轴的垂直运动。11当外界扰动量为零时，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。图 12（二）折叠俯仰运动图 13 中，电机
