1、摘要摘要 四旋翼无人机体积小，结构简单可靠，飞行灵活，适合复杂环境 下的作业，能在近地面环境执行巡查、监测等任务，可用于军事和民 用。同时由于其独特的系统结构和动力学特性，对数据获取、处理及 控制算法都有很高的要求。已成为科研机构竞相研究的热点。 本文旨在建立一个四旋翼飞行实验平台，使其能达到工程应用的 目的。 论文首先阐述了四旋翼飞行器的基本飞行原理，给出了整体设计 框架。然后根据系统结构特点，以 DSP 处理器为核心设计了四旋翼的 姿态检测、飞行控制模块，无刷直流电机的驱动模块，选取了无线通 讯模块，并对各模块进行整合，完成了系统硬件设计。然后采用四元 数方法对测量的相关数据进行了姿态解算
2、，并对不同传感器数据进行 了数据融合，得到了良好的飞行姿态。同时将数据通过无线方式传输 到上位机进行分析，验证了四旋翼飞行器整体设计的可行性。 本文在所设计硬件基础上对系统进行建模，给出了一个简化的四 旋翼数学模型，以 PID 控制算法设计了四旋翼飞行器的控制器，通过 仿真得到稳定的控制结果。并在论文最后阐述了该平台的上位机软件 实现。本文初步实现了四旋翼飞行器实验平台的建立，为系统的后续 研究打下了基础。 关键词： 四旋翼，飞行实验平台，姿态解算，系统建模，PID 控制 1.1 四旋翼飞行器的研究意义 无人机以其体积小、重量轻、机动性好、飞行时间长和便于隐蔽为特 点1，常被用于执行情报、监视
3、、侦察、攻击任务。尤其是因其无人 驾驶，特别适合于执行危险性大的任务，故在现代战争中正发挥着越 来越大的作用。例如在伊拉克战争中，美军在战场上使用了十几种无 人机，在对伊作战中发挥了巨大作用，给人们留下了深刻的印象。鉴 于无人机在伊拉克战场上的表现，美国防部加大了对无人机研究的投 入。由此也掀起了世界范围内无人机研究的热潮。 四旋翼无人飞行器同时也叫四轴飞行器、四旋翼无人机，国外又称 （Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer，Quad-rotor）等等，是一种 能够垂直起降的飞行器，它具有四个螺旋桨，并且四个螺旋桨呈十字 形结构分布，同一轴向的四旋翼具有
4、相同的旋转方向，两组螺旋桨的 旋转方向相反。与通常所见的直升机有所不同，四旋翼直升机只能依 靠改变自身螺旋桨的转速来实现各种飞行动作。 四旋翼无人机可以通过远程遥控设备控制飞行，与载人飞机相 比，它具有体积适中、造价低廉、使用方便的特点。与其他无人机相 比它机械结构设计简单，滞空能力强，静态飞行、低速飞行特性好， 可以很容易的实现各种飞行姿态。应用于军事上，可配备相机或者摄 像机，完成低空的侦察任务，监视战场进行损伤评估等。在警用方面 已有俄罗斯警察将其应用于反恐任务，在复杂的环境中监视犯罪分子 的活动。 不仅如此，在民用方面，这种飞行器可以用于空中监视城市的环 境状况和交通状况。利用它在人们
5、难以到达的地方搬运物体。在野外 营救以及地质环境监测上也能得到很好的利用2-4。 四旋翼飞行器的整体结构虽然相对简易，但是作为一个多输入多输出 的控制系统，空气动力学特性复杂，系统建模也相对困难，外部的干 扰更是增加了对其控制的算法的要求。而且它也是一个多学科的技术 综合体，涉及到刚体动力学，空气动力学，控制，检测，信息等学 科。近些年来随着微型惯性传感器件、高性能处理器件的发展，为四 旋翼的设计与制造，以及商业化发展及应用奠定了基础。这也为控制 领域的研究提供了一个很好的实验平台，在系统建模与仿真，自适应 控制，捷联惯性制导，多传感器数据融合以及飞行路径规划等方面均 有不错的研究价值。 综上
6、所述四旋翼无人机在军事，民用方面具有很高的应用价值， 在科学研究以及工程实践上都有重要的研究意义，具有广阔的发展的 前景。 四旋翼飞行器的结构形式和工作原理四旋翼飞行器的结构形式和工作原理 1.结构形式结构形式 直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前，四旋翼结构被 认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必 须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员认为操纵来说 是一件非常困难的事，所以该方案始终没有真正在大型直升机设 计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主 要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但 其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。 另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉 力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提 高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存 在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解 决。四旋翼飞行器采用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
