本设计采用了STM32F103C8T6为主控芯片，用了NRF2401大功率型，加大了控制范围。运用模块化的MPU6050陀螺仪，可实现姿态平稳飞行。 由于简易，时间紧迫，没有改进姿态调节算法。仅供参考。 在校直接手工制版，但是比较成功。

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（Quadrotor）是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，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。[1][1]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。 本设计采用STM32F103T8U6为主控芯片，陀螺仪MPU6050，磁力计HMC5883。具体电路设计看见资源包。 四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。 四旋翼飞行器的电机 1和电机 3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。 在图2.2中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。 （1）垂直运动: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。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。 （2）俯仰运动:在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。 （3）滚转运动:与图 b 的原理相同，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （4）偏航运动:旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。 （5）前后运动:要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。） （6）倾向运动:在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

随着科技的发展，无人机技术越来越被重视，并且相对于固定翼无人机，多轴飞行器有着诸多优点:如动力分布，机体质量分布对称，水平面积大，在调整倾角时不会产生平移。 四轴结构决定它能以自身质心为原点，在任意轴旋转，可以实现上升、下降、左旋、右旋、前进、后退、左偏、右偏、悬浮等高难度动作。由于水平结构面积较大，适合安装航拍设备，广泛应用于广泛用于航拍、电影、农业、地产、新闻、消防、救援、能源、遥感测绘、野生动物保护等领域，并不断地融入新的行业应用。 品佳集团提供多轴智慧飞行器软硬件解决方案，飞行器硬件部分包括以下部分:飞控板、遥控板、电调板（ESC）、sensor板，飞控板我们采用了NXP LPC4078 是基于ARM Cortex-M4的内核，主频120MHz，512K Flash作为主控制器，遥控板采用了NXP LPC1114 是基于ARM Cortex-M0的内核，主频50Mhz，32K Flash作为主控器，无线控制采用NXP JN5168 带功放距离到达6公里，电调（ESC)采用了三种方案分别是Microchip PIC16F1938，Nuvoton Mini54，NXP LPC1517，Sensor板采用了BOSH BMI055 6轴陀螺仪，BMM150 地磁传感器，BMP280气压传感器。软件方面我们提供开源的KK或者德国 MK飞控作为参考。 展示板照片核心技术优势 起飞重量:3kg  负载能力:1kg  遥控距离:2km（加功放可扩展到6km）  续航时间:10min  飞行高度:1000m  悬停精度（GPS模式）:垂直方向±0.5m，水平方向±2m  最大倾斜角度:35º  最大尾舵角速度:150º/s  抗风能力:<8m/s（17.9mph/28.8km/h）  最大升降速度:±6m/s方案规格① 无线控制采用 NXP JN5168 Zigbee模块进行远程控制 ② 飞控采用LPC4078 Cortex-M4工作频率高达120 MHz，具有512 KB闪存、96 KB SRM ③ 电调采用了3个品牌方案:Microchip PIC16F1936-I/SS\Nuvoton Mini54\ NXP LPC1517 ④ 遥控器采用了NXP LPC1114 ARM Cortex-M0 低功耗MCU ⑤ Sensor采用了BOSCH 陀螺仪BMI055 气压计 BMP280 地磁/电子罗盘 BMM150 方案来源:大大通

四轴飞行器是一种有四个螺旋桨且螺旋桨呈十字形布局的小型飞行器，属于多旋翼飞行器中最基本的一种。四轴飞行器具有可靠的稳定性，在复杂、危险的环境下可完成特定的飞行任务。它的应用十分广泛，可用于救援物资投放、航拍，桥梁检测，定点巡航等应用，具有不可估量的市场潜力。 ATSAM4S16-AU 属于 Atmel 推出的 SAM4S 系列，Atmel:registered: SAM4S 系列拓展了 Atmel Cortex-M 产品组合，增强了性能，提高了电源效率，具有 2MB 闪存和 160KB SRAM 的较高存储密度，有用于连接、系统控制和模拟接口的丰富外设套件，它丰富的接口资源更适用于要将所有数据连入的飞控 MCU。更重要的是，四轴飞行器有很多来自 IMU 的数据需要处理，而且还有复杂的控制算法，对于主控 MCU 的性能要求较高，ATSAM4S16-AU 为 Cortex-M4 内核，继承了ARM的优良性能，主频可达 120 MHz，可以完成四轴飞行器复杂的功能和精准的控制，且采用封装为 100-LQFP，较小的尺寸更加适用对于体积要求较高的飞行器。 世平集团于 2014 年 9 月推出基于 Atmel ATSAM4S16-AU 的四轴飞行器解决方案。采用 Zigbee 远程遥控方式，控制范围可达 500m 以上。飞行器配备陀螺仪、重力、压力、磁力传感器，可测量飞行器的姿态角和速度数据，再利用高性能微处理器对数据做出分析，从而控制马达的电子调速器的反馈运动，使飞行器可以平稳地在空中飞行。 展示板照片方案方块图核心技术优势① Zigbee 远程遥控: 本方案的遥控器采用基于 ZigBee RF4CE 协议的新型航模遥控器，带有 PA，传输范围可达 1~2km。 ② 飞行控制: 本方案中的飞控板可应用 4~6 轴飞行器机身控制，可以控制飞行器前后、左右、旋转，并可支持其他品牌的无线接收、电调。 ③ 调节 BLDC 转速: 本方案中的电调板可通过检测反动电动势的方式启动 BLDC，MCU 产生不同占空比的 PWM 控制转速。方案规格① 本方案遥控器是 IEEE802.15.4 兼容无线电收发器，采用 Atmel SAMD20E16 为主芯片，ARM Cortex-M0+ 处理器，主频可达 48MHz ② 本方案飞控板采用 Atmel ATSAM4S16-AU 为主芯片，120M Cortex-M4 处理低功耗 MCU，90uA/Mhz，可支持 I2C 接口协议的数据控制信号 ③ 本方案电调采用 Atmel SAMD20E16 为主芯片，50M Cotex-M0 处理低功耗 MCU，90uA/Mhz，支持 400Khz PWM 控制，最大可驱动 20A BLDC 电机 方案来源:大大通

四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器，进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。 新唐主控板采用采用新唐 32 bit Cortex:registered:－M4 M452 微控器，支持失控保护(自动降落)，通过控制电调达到飞行目的，同时通过2.4G专用遥控模块与遥控把手通信。M452强大的运算能力，将10轴传感器运算结果整合，确保飞行的稳定性。 n 500Hz 传感器融合更新率 n 支持定高(气压计),无头模式(电子罗盘) n 支持飞行姿态PID 调适 n 支持自动降落 n 支持传感器校准 n 支援各式大小轴距机架,抗风载重能力 新唐遥控手把采用新唐4T 8051 N79E14来控制飞行器的方向和高度及飞行姿态。 n 2.4G无线收发双向传输 n 支持自动跳频 n 支持自动对频,8架同场竞技 n 支持低电池侦测自动报警 n 支持飞行控制微调 n 支持定高,无头模式控制 n 支持遥控信号强度侦测(RSSI) n 支持飞行手感控制 产品实体图展示板照片方案方块图核心技术优势 主控采用新唐M452，连接 GPS , 2.4G RF , 9 轴传感器 , 压力感应 器 , 红外传感器 , 超声波传感器  手把控制采用新唐8051 N79E814控制飞行器飞行姿态  控制手把与主控端通过SSV 2.4G 射频通信  电调部分采用MINI54系列  空旷地带控制距离可达100米方案规格①支持高速 ESC(400Hz) ②支持低电池侦测 ③支持飞行动态 PID 调适 ④SSV 2.4G 射频 ⑤空旷地带控制距离可达100米 ⑥支持传感器校准，陀螺仪增稳 方案来源:大大通

APM2.8 电路原理图和PCB源文件要用Eagle软件打开。对于用altium designer 的同学很不方便。特地转换格式，可以直接用altium designer 18打开，方便大家研究学习。

其中包含了飞控版程序，PID算法，MPU6050寄存器操作，上位机系统，stm32程序，四旋翼论文，四旋翼控制模式，电调设置，组合飞行器

2020年北京航空航天大学《飞行器结构原理》期末考试试卷

北京航空航天大学《航天飞行器结构设计原理》作业参考答案

北京航天航空大学2018年《飞行器结构力学》两套期末考试试卷