四旋翼无人飞行器设计 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

四旋翼无人飞行器设计
第1章　简介
第2章　四旋翼飞行器的控制原理
第3章　硬件设计
第4章　软件设计
第5章　调试、问题解析及改进方向随想
附录A　STM32F4最小系统电路图
附录B　遥控器电路
附录C　飞控板连接电路
参考文献
第1章简介
1.1　四旋翼飞行器发展历史
无人机是一种通过无线电遥控设备或自备程序算法自行控制的不载人飞行器。早在20世纪初，无人机就在多次局部战争中施展其无与伦比的优越性，并且为美国、以色列等国在战争中取得胜利起了重要作用。近三十年的时间里，随着微电子技术、通信技术、材料及推进系统等技术的迅猛发展，无人飞行器不仅外形上更加独特新颖，而且性能和功能上更加先进。从一开始通过地面摇杆控制飞行器，到用人眼控制飞行器，近些年又出现了用人脑来控制飞行器。由于无人机在作战中的优异表现，并且具有先天零伤亡的优势，各国在军事研究上都将其置于优先发展的地位，国际上也掀起了研究的热潮，其中以美国和以色列位居榜首。
在无人机迅猛发展的同时，能够垂直起降的无人机备受关注，其中发展最快、研究最多的是四旋翼飞行器。它具有其他固定翼无人机无可匹敌的优越性，不仅能够执行各种非杀伤性任务，同时又能执行如侦察、目标截获、监视、通信中断等各种具有软硬杀伤性的任务。其结构与普通的单旋翼无人机设计不同，飞行器只能通过改变两对螺旋桨的转速来实现各种姿态的变化，通过四个螺旋桨的升力来实现各种飞行轨迹的控制。与传统的无人机比较，飞行器具有如下几点明显的优势：
体积小、重量轻，并且可以灵活地垂直起降；
易于控制，具有很好的机动性，并且能够快速地进行姿态控制；
结构简单、造价低廉，并且适用于一些比较危险的场合。
四旋翼飞行器具有相互交叉的两对旋翼，通过控制旋翼的转向和转速，可抵消每对螺旋桨产生的反桨扭矩。此外还可以通过调节两对旋翼的转速改变其扭矩大小和升力，实现对飞行器姿态的控制，而不需要调节繁杂的机械装置，从而减轻了飞行器重量、减少了飞行器的体积、提高了其负载能力。
20世纪初就有学者对四旋翼飞行器进行了研究。直到近几年来，随着传感器、处理器以及能源供给等相关技术的发展，同时又出现了新型的飞行控制理论，为解决四旋翼飞行器的各种疑难问题提供了极大的帮助。早期的飞行器如图1-1和图1-2所示。
图1-1　Louis Breguet(1907)
图1-2　George de Bothezat(1922.12)
Curtiss-Wright VZ-7是垂直起降飞机，是Curtiss-Wright公司专为美国陆军设计的，如图1-3所示，VZ-7通过改变4个螺旋桨的推力实现控制。
图1-3　Curtiss-Wright VZ-7（1958）
1.2　四旋翼飞行器的研究现状
在过去的几十年里，小型无人机已经应用于许多领域。四旋翼飞行器研究的主要热点是如何提高机动性和悬停能力。四轴飞行器的四转子设计使得飞行器设计相对简单、可靠和易操作。目前四轴飞行器的研究热点在多机通信、环境探索及可操作性，如果把这些特性融合在一起，它可以完成目前其他车辆所不可能完成的很多任务。目前正在研发的有：
贝尔波音四倾转旋翼机的概念，提出对C-130大型军用运输机采用固定直升机概念和倾斜转子概念进一步结合；
Aermatica Spa Anteos是第一个旋转翼遥控飞机，获得官方许可的民用空域飞行，由意大利民航局设计制造，并首次工作在非隔离空域；
Aeroquad和Arducopter基于Arduino的四旋翼飞行器DIY（Do It Yourself，自己动手做）建设开源硬件和软件项目；
Parrot AR.Drone是一款带有摄像机无线控制的四旋翼飞行器，可以通过智能电话和平板设备进行操控，如图1-4所示；
Nixie是一款带小相机配备的飞行器，可以作为一种穿戴设备，如图1-5所示。
图1-4　Parrot AR.Drone飞行器
图1-5　Nixie飞行器
1.3　四旋翼飞行器的主要应用
因为四轴飞行器体积小，重量轻，携带方便，能轻易进入人不易进入的各种恶劣环境。该飞行器常用来制作模型，也用来执行航拍电影取景、实时监控、地形勘探等飞行任务。目前主要应用在以下几个方面。
研发平台：四旋翼飞行器是大学研究人员测试和评估在多个不同领域新思路的一个有用工具，包括飞行控制、导航、实时系统和机器人。近年来，许多高校已经让四旋翼飞行器从事越来越复杂的空中演习。成群的四轴飞行器可以悬停在空中，自主执行复杂的飞行程序，如翻转。
军事和执法：四旋翼无人机用于军事侦察和执法机构侦察，以及在城市环境中的搜索和救援任务。由加拿大公司Aeryon Labs研发的小型无人机Scout，可以静静地在原地徘徊，并用相机观察地面上的人和物。用户在超过视线范围内3km操作Scout，在距地面100～150m的飞行速度达50km/h，续航25min。它允许飞行在恶劣天气条件下，所有通信都采用数字加密，从而降低了劫持和视频截取的风险，如图1-6所示。
图1-6　Scout飞行器
图1-7　大疆无人机
商业应用：商业应用最成功的是大疆公司，它约占世界民用无人机市场份额的70％，以及全球小型无人机市场份额的50％。随着大疆公司把目光从无人机本身的平台，逐步移向建立在飞行器平台上的增值应用，未来的市场空间对于这家新兴公司来说，仍然是个未知数。在美国使用四轴飞行器最大的领域是航空影像。四旋翼无人机为航拍节约了大量成本。大疆无人机如图1-7所示。
第2章四旋翼飞行器的控制原理
2.1　四旋翼飞行器的结构
如图2-1所示，四旋翼飞行器一般是由4个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，4个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆两端。
图2-1　四旋翼飞行器结构示意图
对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构关于两根碳素杆的交点对称，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反。正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应，更方便建模。与传统的单旋翼飞行器，特别是直升 ............

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