基于IntoRobot平台的Mini四轴飞行器设计开题报告

1. 研究目的与意义

四旋翼飞行器又称四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。近几年随着微机电系统（mems）的兴起，各种微处理器性能的完善，四轴飞行器的发展十分迅猛。四轴飞行器利用四个无刷电机来提供动力以进行空中飞行，它的尺寸比较小、重量较轻、可以携带一定的负载，有自己独特的应用，例如航拍。同时可以完成一些复杂、困难的任务。^[1]随着理论技术的日趋成熟，以及控制系统理论的完善，四轴飞行器性能也越来越强大。不久的将来，各种各样的四轴产品将会运用到社会生活的各个领域。

飞行器主要可以分为旋翼飞行器和固定翼飞行器。在20世纪，固定翼飞行器由于军事的原因有很大的发展，曾为二战的胜利做出来巨大的贡献。后来应用到民用行业，构建了全球飞行网，极大的方便了民众长距离来往。上个世纪20年代初，以色列军方在全球率先使用无人机武器，引起了各国的关注，由此，美国海军在海湾战争时期将以色列

iai公司的无人机装载军舰上，用于地形侦查、发现目标等侦查工作，并获得了巨大成功，同时在伊拉克战争中也有重要应用。相对于固定翼飞行器的迅速发展，由于旋翼飞行器结构以及控制复杂，早期技术水平有限，无法对其进行自主飞行控制，因此发展较为缓慢；但是旋翼飞行器有其独有的优点：飞行原理简单，只需控制旋翼电机转速就可实现飞行控制，并且飞行姿态多样化；机身大小不受限制，可以应付各种环境；系统智能化程度高，自主实现多姿态飞行。^[2]因此，在未来，旋翼飞行器会有更为广阔的前景。

2. 研究内容和预期目标

主要研究包括三部分：四旋翼的动力学模型建立和分析、传感器的数据处理以及控制算法的研究。 四旋翼机械模型主要是十字型机架和螺旋桨构成。在研究中，借助空气动力学知识等分析建立转速和升力、扭矩、阻力（斜流状态）等的直接关系，分析出了受力后再结合姿态分析得到，在各个姿态下的转速结构以及姿态转换的转速变化办法等。在此基础上，再根据直流无刷电机的模型以及电调的分析获得在一般状态（螺旋桨旋转只受空气影响的状态）下pwm波形和转速的关系，也就是建立了占空比和各个受力的直接对应关系。这只是一个基础模型，在一般状态下提供在控制算法中的给定值设定的参考，也是飞行器在一般飞行条件下对于姿态变化要求的占空比改变值的基础。

获得了相关信息后，除了飞行器高度控制用超声波传感器测量获得外，还必须对于飞行器的目前姿态做测量组成闭环系统，而姿态测量的传感器选择使用陀螺仪，它以在不同倾斜状态下对于四壁压力的不同感知姿态信息，但是由于在飞行器上，有抖动，变化速度快，其输出波形干扰严重，目前大多采用卡尔曼滤波的软件滤波办法滤波。 除此之外，研究内容中还包括对于飞行器控制算法的选择，拟定采用双pid控制和神经元算法两种。

四旋翼的动力结果主要由电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨构成。模型分析主要涉及空气动力学、无刷电机模型和电子调速器硬件电路。实施方案：利用空气动力学建立螺旋桨转速和拉升力之间的关系，在利用无刷电机模型和螺旋桨建立输出波形和转速的关系并最终得出pwm波和拉升力的直接对应关系。

3. 研究的方法与步骤

目前，针对mini四轴飞行器，常用的控制方法包括backstepping方法、反馈线性化等，其中应用最多的是backstepping。backstepping是非线性系统控制器设计最常用的方法之一。通过设定合适的控制器参数，能够实现定点悬停控制，可以达到跟踪误差小、调节时间短的性能指标，对于轨迹跟踪、传感器噪声和旋翼转速短时突变等情况的响应均能达到不错的性能。对四轴飞行器涉及的理论知识进行概述，参考文献资料，选用并设计控制器，并通过进行仿真，验证方案可行性。硬件方面重点对电源模块、姿态测量模块、遥控模块、主控模块及电机驱动模块进行实践。

本课题的研究步骤可分为如下几点：

1、四轴飞行器原型样机结构与实现，飞行控制器硬件设计及实现

4. 参考文献

5. 计划与进度安排

2022.3.5-2022.3.20 查阅资料，撰写开题报告。2022.3.21-2022.3.31 硬件功能分析2022.4.1-2022.4.30 设计原理图，编写软件程序2022.5.1-2022.5.15系统调试及改进2022.5.16-2022.5.31 整理毕业设计文档，撰写毕业设计论文2022.6.1-2022.6.10 提交毕业论文，准备答辩。