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1、机电一体化技术课程报告题 目：机电一体化技术在四旋翼无人机中的应用院（ 系）：机械与电子信息学院专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名：学 号：20131000指导老师：吴来杰目录摘要11 引言2 四旋翼无人机的组成2.1无人机系统的总体构成2.2四旋翼无人机的遥控系统2.3四旋翼无人机机载主控2.4四旋翼无人机机载传感器3 工作流程3.1控制信号转换过程3.2控制程序执行流程4 硬件总体设计4.1 无人机在遥感航拍方面的应用5 结束语参考文献机电一体化技术在四旋翼无人机中的应用姓名（中国地质大学 机械与电子信息学院 机械设计制造及自动化 武汉 430074）【摘要】：无人驾驶飞机，简称“无人
2、机”，是一种用电子设备控制的无人驾驶航空器。与载人飞机相比，无人机具有体积小、方便灵活、成本低等特点。无人机最早以“靶机”的身份出现在军事领域；随着技术的成熟，生产成本的降低，逐步进入民用领域。四旋翼无人机是最常见的一种民用无人机，它的四个旋翼作为飞行的直接动力源，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，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼无人机是一种机电一体化程度很高的装置，本文将介绍机电一体化技术在其中的应用。【关键词】：无人机；四旋翼
3、；机电一体化Application of mechatronics in four-rotor unmanned aerial vehicle Your name(China University of Geosciences School of Mechanical Engineering and Electronic information Mechanical Design Manufacturing and Automation Wuhan 430074)Abstract: Unmanned aerial vehicles， referred to as UAV， is an elec
4、tronic control of unmanned aircraft. Compared with the manned aircraft， unmanned aerial vehicles have a small size， convenient and flexible， low cost. Unmanned aerial vehicles as the first target machine in the military field; with the technology is mature， lower production costs， and gradually ente
5、r the civilian field.The four-rotor UAV is the most common type of civil unmanned aerial vehicle. Its four rotors are used as the direct power source of the flight. The rotor is symmetrically distributed in the front， rear， left and right directions of the fuselage. The four rotors have the same str
6、ucture and radius， the rotor 1 and the rotor 3 are rotated counterclockwise， the rotor 2 and the rotor 4 are rotated clockwise， four motors are symmetrically mounted on the support end of the aircraft， and the flight control computer and external equipment . Four-rotor unmanned aerial vehicle is a h
7、igh degree of mechanical and electrical integration of the device， this paper will introduce mechatronics technology in which the application. Key words: UAV; four-rotor; mechatronics 1 引言无人机从机体结构方面可以分为固定翼无人机和旋翼式无人机两大类，由于控制的复杂性问题，与固定翼式相比，旋翼式无人飞行器发展较为缓慢，早期的技术水平无法实现其自主控制功能小型旋翼式飞行器根据其旋翼数量不同又可分为单旋翼式，共轴双
8、旋翼式，和多旋翼等种类其中，四旋翼无人机由于其体积小、结构简单、耗能低、安全性高、对飞行空间要求低等特点，成为国内外控制领域的研究热点，受到了越来越多的关注.因为多旋翼无人机具有有动力、可控制、可执行多种任务等特点，自诞生以来，主要应用于军事方面，作为智能化和信息化的武器，无人机在侦察、监视、通信、远距离攻击等方面发挥了重要的作用。近年来，无人机在民用方面的应用也越来越多，各国在无人机的民用方面逐渐开放。无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域。在过去几年，英国已经向130多家企业和政府机构颁发许可，美国签发了1400多份许可。毫无疑问，随着技术
9、的更新和发展，民用无人机将迎来井喷式的发展，应用前景十分广阔。2 四旋翼无人机的组成2.1 无人机系统的总体构成民用无人机系统主要包括无人机机身、飞行管理与控制系统、数据链系统、发射/回收系统和电源等，其中，飞行管理与控制系统是无人机系统的核心，其对无人机的飞行性能起决定性作用。飞行管理与控制系统一般分为机上和地面两个部分，机上部分包括姿态稳定与控制、飞行轨迹和导航控制、自主飞行控制、飞行安全控制及起飞与着落飞行控制等；地面部分包括飞行监控与显示、飞行定位及飞行操作和指令系统等。数据链系统主要保证无人机与地面飞控之间的的遥控指令传输和信息反馈，发射/回收系统则主要保证无人机起飞与着落的顺利。以
10、基于ARM处理器的四旋翼无人机为例，其飞行控制系统的结构如图2所示。陀螺仪GPS加速度计气压计声呐核心处理器（ARM嵌入式控制器）旋翼1旋翼2旋翼3旋翼4无线通信 图2 四旋翼无人机总体控制系统结构2.2 四旋翼无人机的遥控系统机体自身的遥控系统包括3个部分，分别为遥控信号接收机、信号转换模块和高速电子调速器。该系统实现的基本功能是接受遥控发射机发出的2.4GHz（亦有部分机型使用5.8GHz）的无线信号，并通过解算最终转换为电子调速器的输出信号，控制相应电机转速。2.3 四旋翼无人机机载主控目前在无人机飞控计算机中，常用的嵌入式处理器包括X86、单片机、数字信号处理器DSP (Digital
11、 Signal Processor)、ARM (Advanced RISC Machine)等。X86微处理器具有高性能、高可靠性、结构紧凑、低功耗的特点，能满足无人机飞控系统小型化、高集成度的要求。单片机将整个计算机系统集成到一块芯片中，一般以某一种微处理器内核为核心，是目前嵌入式系统工业的主流控制器。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理，特别是数字滤波、FFT及谱分析等应用领域，在运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址较多的智能化算法中，更能发挥优势。ARM是目前公认的业界领先的32位嵌入式RISC (Reduced Instruction Set
12、 Computing， 精简指令集计算机结构)微处理器，具有体系结构可扩展、功耗低、成本低和支持管理实时多任务等特点，故被广泛应用在四旋翼无人机的主控上。2.4 四旋翼无人机机载传感器机载的主要传感器包括GPS全球定位系统、气压计、惯性测量单元、空速计、陀螺仪、声呐等。可提供的位置信息包括：经度、纬度、高度；可提供的姿态信息包括3轴角度、3轴角速度、3轴加速度；可提供的其他辅助信息包括气压值、温度、声呐测高值等。表2 四旋翼无人机组成部件表部件名称描述飞行器机身塑料成型机身机载电子设备信号转换器、电子调速器动力系统聚合物锂离子可充电电池主控ARM嵌入式控制器GPS全球定位系统获取经度、纬度和高
13、度信息气压计获取气压信息空速计获取空气速度信息陀螺仪获取加速度信息声呐地空时提供高度信息天线GPS与Wi-Fi芯片其他辅件连接线、辅助架构等3 工作流程3.1 控制信号转换过程控制信号转换分为三部分，如图3-1所示。首先，无人机通过Bluetooth或Wi-Fi接收遥控器的控制信号，然后通过机身的主控计算出对应电机高电平时间长度差，最后求得电机转速对应电子调速器PWM信号高电平时间长度，把此电信号传给电机，完成遥控器对无人机的控制。接收遥控器杆量信号对应电机高电平时间长度差电机转速对应电子调速器PWM信号高电平时间长度电机转速信号图3-1 控制信号转换过程3.2 控制程序执行流程控制程序在AR
14、M嵌入式控制器上运行的流程图如图3-2所示。程序首次开始运行后，最先进行传感器与各功能模块的自检，随后检测GPS全球定位系统、气压计、空速计、陀螺仪、声呐是否有数据发送过来，如果有，则读取数据，对四旋翼无人机的飞行姿态位置变量进行初始化，然后根据飞行期望轨迹初始化期望姿态位置变量完成四旋翼无人机的状态变量初始化后，通过控制算法模块，可以得出四个电机的转速值，然后通过信号转换，将电机转速值转换为PMW信号的具体时间长度传给电机。开始开机自检读取GPS、气压计、空速计、陀螺仪、声呐数据控制模块算法信号转换模块发送控制量开始图3-2控制程序执行流程4 硬件总体设计飞控系统由飞控计算机及其外围传感电路、执行机构组成，因此飞控计算机的主要功能包括：提供稳定的电源供电系统、对各类模拟信号进行采样预处理、处理各种开关量以控制相应外围设备、进行控制律计算以控制和稳定无人机、操纵发动
