1.3  无人飞行器发展史的经验与启发

本课题研究内容涉及自动控制、电子通讯、自主飞行、轨迹跟踪等方面。在充分借鉴和学习瑞士洛桑联邦理工学院的无人机惯性测量单元确定飞行器位置和姿态的的经验基础上，运用苏黎世联邦理工学院模拟无人飞行器的位置和姿态建模方法，创造性的使用GPRS传输位置和姿态信息实现远程监视。同时模拟通过地面站发送控制指令实现远程控制。下面几章中我们会详细介绍四旋翼无人机飞行器的一些基本原理，然后选取合适的坐标系，利用牛顿欧拉定律推导出系统动力学模型。

2  四旋翼飞行和控制基本原理

无人机是一种以软件控制或无线电遥控为基础的无人飞行器，不仅结构简单、制造和控制方便，遇到危机情况时可将损失降到最低限度。其中，无人直升机结构最为简单，与其他类型无人机想比，成本较低，无需安装推力系统，可以垂直起降，自由悬停，最重要的是可以自由航行，不受地域限制。可用各种不同飞行器路线和环境下14]。

四旋翼无人飞行器的结构主要由十字对称的机架、飞行控制板、电机、电子调速器、锂电池、螺旋桨和保护罩组成，其中保护罩起到防撞、防摔的保护作用，不是必要组成部分。当无人机起飞时，平台上绕中心呈对角线位置的螺旋桨旋转方向相同，但同一时刻相邻的螺旋桨旋转方向相反，只要同时增加或降低螺旋速度，飞机就可以垂直向上或向下运动；只要同时改变同一对角线上的螺旋桨旋转速度，就可以产生滚动运动或俯仰运动[15]。

2.1无人机硬件设计

四旋翼飞行器是本次设计的被控对象。多旋翼无人机机体部分是由碳纤维制成的，以获得较轻的重量和更好的强度。飞机安装了4个T-motor直流无刷电机，可在50~500Hz频率范围内工作，理论最高速度可达837rad•s-1。采用4个APC1245螺旋桨，飞行器可载重约1kg，搭载一节2100mAh的锂聚合物电池，空载飞行时间约10min[16]。

我们借鉴前文提到过的模块化的思想设计硬件平台。采用模块化设计思想搭建了四旋翼无人机的硬件平台，首先对硬件进行了总体设计，并对硬件模块进行了详细的描述。模块化设计是绿色设计方法之一，具有相对独立性、互换性和通用性的特点，不仅可以缩短了研发和制造周期，提高团队合作效率，而且方便产品回收处理，减少对环境的污染。根据模块化设计思路，本文将四旋翼无人飞行器系统的硬件结构划分为以下五个主要模块：微控制模块、航姿传感器模块、全球定位模块、电机控制模块和地面遥控监测模块。来!自~优尔论-文|网www.youerw.com

由于毕业时间的限制，本设计说明书的主要任务局限于控制模块，因此其余模块只做简单介绍。四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分，飞行控制系统与无刷直流电机调速系统。微控制模块是整个四旋翼控制系统的核心，不仅负责采集各传感器数据并进行控制算法处理、接收遥控器发出的指令，还要传输数据给其他模块实现飞行任务，统筹协调各模块工作。4个无刷电流电机调速系统通过I2C总线与飞行控制器通信，通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，系统采用12V电池供电[17]。

航姿传感器模块是飞行器稳定飞行的关键，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和电子罗盘，他将飞行器的角速度、加速度和磁场强度数据实时输出给微控制器进行控制运算；全球定位模块由GPS模块和气压传感器组成，分别提供经纬度信息和高度信息；电机控制模块是飞行器的动力机构，包括了无刷直流电机、电子调速器和螺旋桨；而地面遥控监测模块则是由遥控器，遥控接收机、无线通讯模块和PC机组成，负责给飞行器发送指令和监测飞行器的飞行状态。