四旋翼飞行器的制作方法

本发明涉及一种四旋翼飞行器，属于无人机领域。

背景技术：

微小型四旋翼飞行器是一种电动的，由无线电地面遥控飞行或/和自主控制飞行的可垂直起降（VTOL）飞行器，在构造形式上属于旋翼飞行器，在功能上属于垂直起降飞行器。它利用空气动力来克服自身重量，结构简单、控制灵活，获得了越来越多的关注。

相对固定翼无人机而言，旋翼无人飞行器发展要缓慢得多。固定翼无人机在技术上已经非常成熟，而且在过去二十多年的局部战争中展现其优越的作战性能，为美国、以色列等国军队取得战争的胜利立下了功勋[2]。然而旋翼式垂直起降飞行器与固定翼无人机相比具有更大的优点：垂直起降、空中悬停、朝任意方向飞行，起飞着陆场地小、环境适应性强、高度智能化等。在军用方面，无人直升机既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务，包括侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击、通信中继等。民用方面，无人直升机在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路监测、森林防火等方面具有广泛的应用前景。

四旋翼飞行器与传统直升机相比，尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略，这是因为对角线上的两对电机的旋转方向相反，正好抵消了它们产生的扭力矩。也就是说，四旋翼飞行器无需尾桨来抵消反扭力矩以及避免复杂的旋翼倾斜控制来实现各种飞行姿态。由于其独特的对称性和多旋翼性，飞行姿态是靠调整四个旋翼转速来实现的。

从另一方面来说，四旋翼飞行器具有高度耦合的动态特性，一个旋翼速度的改变将至少影响三个自由度方向上的运动。例如，减小右面旋翼的转速，左右升力出现了不平衡，这将会导致直升机向右滚动；同时左右为一组的旋翼产生的力矩和前后为一组的旋翼产生的力矩出现了不平衡，这将会导致直升机向右偏航；此外，滚转运动将导致直升机向右平移，从而改变了前进的方向。

迄今为止，微小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展，但要真正走向成熟与实用，还需面临诸多关键技术挑战。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种四旋翼飞行器。

本发明提供了一种四旋翼飞行器，包括接收机、处理器、辅助电源、通信串口、倾角传感器、高度传感器、角速度传感器、工控机、信号输入器、信号输出器和多个驱动器，所述处理器分别与辅助电源、通信串口、倾角传感器、高度传感器、角速度传感器、信号输入器以及信号输出器连接，所述接收机通过信号输入器与处理器连接，所述工控机通过通信串口与处理器连接。

优选的，上述多个驱动器包括第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器分别与信号输出器连接。

优选的，上述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器分别对应连接有旋翼。

优选的，上述飞行系统供电选用锂电池，辅助电源用来向机载电子设备供电。

优选的，上述飞行系统具有无线通讯部分，用来接收地面遥控信号，得出飞行指令。

优选的，上述倾角传感器能够进行X、Y正交方向上的倾角检测，检测范围为±90°，检测精度为0.0025°，敏感元件采用过阻尼频响输出，抗震动能力强，芯片采用5V供电，拥有模拟和SPI两种输出接口，可输出倾角和温度信息。

优选的，上述高度传感器检测不同高度的大气压强，然后根据高度----压强的对应关系，将压强信号转换为高度信号；该芯片供电电压为2.4V-3.3V，测量范围为30kPa-120kPa，精度3Pa，内置温度传感器，可通过SPI接口输出压强信息和温度信息。

优选的，上述角速度传感器包括角速度检测压电陀螺，安装时，两两互相垂直以检测X、Y、Z三个方向上的角速度；，供电电压为2.7V-5.25V，最大检测角速度为±300deg./sec.，零点输出电压为1.35V，比例因子为0.67mV/deg./sec.，频率响应最大为50Hz。

相比现有技术，本发明提供的四旋翼飞行器，重量轻、体积小、功耗低的产品；考虑模块化、接口标准化，预留可扩展端口，增强了整体装置的可扩展性，便于升级，实现飞行器自主飞行，并能完成轨迹跟踪和避障等任务。

附图说明

图1为本发明四旋翼飞行器结构示意图；

图2为本发明四旋翼飞行器控制流程示意图。

附图标记：1-接收机；2-处理器；3-辅助电源；4-通信串口；5-倾角传感器；6-高度传感器；7-角速度传感器；8-工控机；9-信号输入器；10-信号输出器；11-第一驱动器；12-第二驱动器；13-第三驱动器；14-第四驱动器。

具体实施方式

本发明提供一种四旋翼飞行器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的四旋翼飞行器，包括接收机1、处理器2、辅助电源3、通信串口4、倾角传感器5、高度传感器6、角速度传感器7、工控机8、信号输入器9、信号输出器10和多个驱动器，所述处理器2分别与辅助电源3、通信串口4、倾角传感器5、高度传感器6、角速度传感器7、信号输入器9以及信号输出器10连接，所述接收机1通过信号输入器9与处理器2连接，所述工控机8通过通信串口4与处理器2连接。

其中，多个驱动器包括第一驱动器11、第二驱动器12、第三驱动器13和第四驱动器14，所述第一驱动器11、第二驱动器12、第三驱动器13和第四驱动器14分别与信号输出器10连接。第一驱动器11、第二驱动器12、第三驱动器13和第四驱动器14分别对应连接有旋翼。飞行系统供电选用锂电池，辅助电源3用来向机载电子设备供电。飞行系统具有无线通讯部分，用来接收地面遥控信号，得出飞行指令。

在实施例中，本发明具体包括辅助电源部分、无线通信部分、信号采集部分、信号处理与控制策略决策部分。此外，还包括机体、电机驱动器、电机、旋翼以及未画出的电池等部分。机体供电选用锂电池，辅助电源部分用来向机载电子设备供电；无线通讯部分用来接收地面遥控信号，得出飞行指令；信号采集部分主要包括各类传感器，用来收集飞行所需的各种姿态、位置等信息；信号处理部分用来将传感器信号调制为能够被DSP直接读取的信号；控制决策部分综合遥控指令和各类传感器信息得出飞行控制策略，控制四个旋翼的转速，从而使飞行器按照预定指令飞行。图中虚线部分为系统的控制电路部分。控制系统是四旋翼飞行器飞行控制核心，它将传感器采集信息汇总，然后根据当前飞行状态给出控制决策，调节电机按预定转速运行，从而完成四旋翼飞行器的飞行控制。按照四旋翼飞行器所要实现的飞行功能，控制系统所承担的任务如下：

(1) 得出控制决策，输出电机转速控制信号；

(2) 进行飞行器姿态检测，得出准确的飞行姿态信息；

(3) 进行高度检测，得出准确的高度信息；

(4) 接收遥控输入信号；

(5) 与计算机进行通信的调试接口功能。

辅助电源部分主要用来向控制器上的处理芯片供电，机身供电通过3S锂电池进行，供电电压为11.1V。控制板所需电压为5V和3.3V，5V电压由电子调速器与控制板接口的5V电源提供，3.3V通过控制板上单片线性电源转换芯片LM3940来得到。

高度检测使用的压强传感器具有高精度的压力检测能力和温度补偿功能。在该系统中，通过该传感器检测不同高度的大气压强，然后根据高度----压强的对应关系，将压强信号转换为高度信号。该芯片供电电压为2.4V-3.3V，测量范围为30kPa-120kPa，精度3Pa，内置温度传感器，可通过SPI接口输出压强信息和温度信息。

倾角检测使用的双轴倾角传感器，该芯片能够进行X、Y正交方向上的倾角检测，检测范围为±90°，检测精度为0.0025°。敏感元件采用过阻尼频响输出，抗震动能力强，芯片采用5V供电，拥有模拟和SPI两种输出接口，可输出倾角和温度信息。

角速度检测压电陀螺两两互相垂直以检测X、Y、Z三个方向上的角速度。该芯片的供电电压为2.7V-5.25V，最大检测角速度为±300deg./sec.，零点输出电压为1.35V，比例因子为0.67mV/deg./sec.，频率响应最大为50Hz。

如图2所示，本实施例中使用位置、姿态双闭环控制方法进行控制律设计，分别尝试使用PD控制、Backstepping控制、滑模控制方法进行控制律设计和仿真。控制器将飞行器控制分为内环姿态控制和外环位置控制，内环姿态控制用来维持飞行器的平衡，外环控制来实现飞行器到达指定位置。

相比现有技术，本发明提供的四旋翼飞行器，重量轻、体积小、功耗低的产品；考虑模块化、接口标准化，预留可扩展端口，增强了整体装置的可扩展性，便于升级，实现飞行器自主飞行，并能完成轨迹跟踪和避障等任务。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。