文档介绍：四轴飞行器作品说明书
四轴飞行器
作品说明书
摘要
 
 
四轴飞行器在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器，四轴飞行器硬件结构简单紧固定其他部件的平台，本工程采用的是碳纤维材料的机架。电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的正方形，正桨反桨交错安装。
CAD设计机架如图：
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整体如图2-1：
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. 电气构成
电气局部包括：控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气局部的核心，上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。
电气连接如图2-2所示。
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上位机是针对飞行器的需要，在Qt SDK上写的一个桌面程序，可以通过串口与飞行器相连，具备传感器校正、显示姿态、测试电机、查看电量、设置参数等功能，主界面如图(2-3)。
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．下位机
下位机为飞行器上MCU里的程序，主要有三个任务：计算姿态、接受命令和输出控制。下位机直接控制电机功率，飞行器的平安性、稳定性、可操纵性都取决于它。下位机的三个任务实时性都要求很高，所以计算姿态的频率设为200Hz，输出控制的频率为100Hz，而接收到命令后，立即处理。因为电子调速器接受的信号为PWM信号，高电平时间在1ms~2ms之间，所以控制信号输出频率也不能太高。
飞行原理
飞行器涉及两个空间直角坐标系统：地理坐标系和机体坐标系。地理坐标系是固连在地面的坐标系，机体坐标系是固连在飞行器上的坐标系。四轴飞行器运动范围小，可以不考虑地面曲率，且假设地面为惯性系。地理坐标系采用“东北天坐标系〞，X轴指向东，为方便罗盘的使用，Y轴指向地磁北，Z轴指向天顶。机体坐标系原点在飞行器中心，xy平面为电机所在平面，电机分布在{|x|=|y|,z=0}的直线上，第一象限的电机带正桨，z轴指向飞行器上方。如图3-1所示。
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飞行器的姿态，是指飞行器的指向，一般用三个姿态角表示，包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滚转角(roll)。更深一层，姿态其实是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转关系，这里定义姿态为机体坐标系向地理坐标系的转换。旋转变换有多种表示方式，包括变换矩阵、姿态角、转轴转角、四元数等。
螺旋桨旋转时，把空气对螺旋桨的压力在轴向和侧向两个方向分解，得到两种力学效应：推力和转矩。当四轴飞行器悬停时，合外力为0，螺旋桨的推力用于抵消重力，转矩那么由成对的正桨反桨抵消。当飞行器运动时，因为推力只能沿轴向，所以只能通过倾斜姿态来提供水平的动力，控制运动由控制姿态来间接实现。
假设四轴为刚体，根据质点系动量矩定理，角速度和角加速度由外力矩决定，通过控制四个螺旋桨，可以产生需要的力矩。首先对螺旋桨编号：第一象限的为0号，然后逆时针依次递增，如图(3-1)。同步增加0号和1号、减小2号和3号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供x轴的力矩；同步增加1号和2
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号、减小0号和3号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供y轴的力矩；同步增加1号和3号、减小0号和2号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供z轴的力矩。以上“
增加〞和“减小〞只是说明变化的方向，可以增加负数和减小负数，提供的力矩就沿对应轴的负方向了。
获取当前姿态是控制飞行器平稳飞行的根底，姿态的测量要求低噪声、高输出频率，当采用陀螺仪等需要积分的传感器时，还需要考虑积分发散等问题。近年来MEMS传感器越来越成熟、应用广泛，成为低本钱姿态测量的首选器件，因此该工程使用的传感器全部都是MEMS传感器。在使用传感器的值进行姿态计算之前，有必要校正传感器
由于实验条件限制，传感器的校正只有两项，分别对应两种类型的传感器：陀螺仪——静止时0输出的传感器、加速度计与罗盘——测量某向量场强度的传感器。
加速度计和罗盘都是测量所在点的某个向量场的值的传感器，静态时加速度计测的是等效重力加速度场，电子罗盘测的是地磁场。下面仅介绍加速度计的校正，罗盘的校正同理。加速度计测量的对象