民用多旋翼航拍无人机飞行的设计初稿(4)(5)

南华大学船山学院毕业论文（或设计）

态及动作分解如下所示。 （1）悬停

如图2.3所示，当各电机产生的上升力之和F与无人机的重力G大小相等、方向相反时，无人机便可以在空中实现悬停动作。

图2.2 四旋翼无人机空中悬停受力示意图

（2）垂直上升和下降运动：

如图2.3所示，当操作者增大油门，其他条件保持不变，当上升力F>重力G时，无人机向上运动，反之向下运动。

图2.3 四旋翼无人机飞行器空中上升受力示意图

图2.4 四旋翼无人机飞行器空中下降受力示意图 （3）前后运动和俯仰运动：

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如图2.6所示，当操作者保持油门不动，将方向杆后方向拨动时，无人机的M4和M3号电机的转速减小，所以M3和M4电机侧产生向下的力，M1和M2号电机的转速增加的时候，M1和M2电机侧产生向上的力，在这个力的作用下的F在X轴负方向上产生一个向后的分力，使得无人机实现向后飞行。

图2.5四旋翼无人机飞行器空中后退受力示意图

如图2.5所示，当操作者保持油门不动，将方向杆前方向拨动时，无人机的M4和M3号电机转速增加，所以M3和M4电机侧产生向上的力，M1和M2号电机的转速减小的时候，所以M1和M2电机侧产生向下的力，所以在力的作用下可以使得升力F在X轴方向上产生一个向前的分力，无人机向前飞行。

图2.6四旋翼无人机飞行器空中前进受力示意图

（4）左右运动和横滚运动：

如图2.7所示，当操作者保持油门不动，将左右方向拨杆拨至左方向时，无人机的M2号和M3号电机的转动速度不断加快，所以在M2号、M3号方向上产生一个向上的升力，M1号和M4号电机的转动速度不断减小的时候，在M1号和M4号方向上产生一个向下的力，导致无人机右边的升力不断增加，所以在M1左侧的升力持续减小，可以使得无人机的总升力F在Y轴负方向上产生一个向左的分

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力，使得无人机向左飞行运动。

图2.7四旋翼无人机飞行器空中向左运动受力示意图

如图2.8所示，当操作者保持油门不动，将左右方向拨杆拨至右方向是，无人机的M2和M3号电机的转动速度减小，所以在M2、M3方向上产生一个向下的力，M1和M4号电机的转动速度增加的时候，在M1和M4方向上产生一个向上的力，使得无人机的总升力F在Y轴方向上产生一个分力，使得无人机实现向右飞行运动。

图2.8四旋翼无人机飞行器空中向右运动示意图 （5）左右旋转运动：

操作者保证方向拨杆不动，将油门拨杆横向向左拨动时，无人机的M1号电动机和M3号电机的转动速度增加，M2号电机和M4号电机转动速度减小，所以无人机向左旋转。

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图2.9四旋翼无人机飞行器空中向左旋转运动示意图

操作者保证方向拨杆不动，将油门拨杆横向向右拨动，无人机的M1号电机

和M3号电动机转动速度减小，M2号电动机和M4号电动机转动速度增加，所以无人机向右旋转。

图2.10四旋翼无人机飞行器空中向右旋转运动

3、飞行控制系统的硬件设计

飞行控制系统可以分类为机体以及地面站平台，飞控硬件部分由四轴机架、飞控处理器、各类型传感器、遥控器、锂电池供电系统及其他附加模块等组成，四旋翼无人机在飞行过程中搞得的安全性和稳定性跟该部分又跟大的关系。所以，该款无人机采取了模块化的思想，将所有的功能区域划分为一个一个的小模块，所有的小模块之间又可以相互协同作业。这种思想的优点是将各个模块之间的相互干扰作用降至最低，保证无人机的可靠性和稳定性。

3.1飞控系统总体设计方案

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3.1.1 无人机稳定飞行前提条件

四旋翼飞机的外形结构虽然不是很复杂，但是内部各种传感器核处理器之间的相互协同作业却相当复杂。所以在设计无人机之前，我们要充分了解四旋翼无人机在空中飞行的姿态、各部分传感器之间是如何联系、我们需要达到一个什么样的飞行姿态等因素，综合理论知识以及自己的设计初衷，我觉得一个成功的无人机必须要拥有以下几个特征。 （1）飞行状态稳定

在无人机的各个动作中采用的是姿态闭环控制方式，同时配合各类传感器进行反馈调节，保证无人机飞行时的姿态平稳。 （2）定点高度控制

由于无人机在飞行过程中可能会要求在确定的高度进行某些作业，这样就要求我们的无人机能够做到定高的功能，常用的做法是采用高精度大气压力计配个GPS来定高。在这两个模块的共同控制之下，无人机就能够保证在我们设定的高度进行定高作业。 （3）GPS自动飞行控制

在无人机作业过程中，时常有操控者向无人机发送特定的指令参数等。这时候无人机就应该根据地面站发送的信号对无人机飞行姿态或者是无人机上附属的部件进行调整。在定点巡航动作中就是操控者发送目标区域的地理位置信息给无人机，无人机在接到信号后根据自带的处理方式完成定点巡航的动作。 （4）紧急状态自主控制

在实际环境中，由于无人机的动力来源是航模电池，而电池是一个有着特定容量的供体，当某个时候电池电量不足或者难以维持无人机飞行时无人机将会发生坠机或者是失控等危险。其次在某些特殊场合由于存在外界磁场等干扰，导致操控者无法准确操控无人机。所以，为了保证无人机飞行安全，在这些特殊情况发生之前，无人机必须提前做好检测和预警，一旦发生此类情况，飞控系统必须要在第一时间将信息反馈会地面操控平台并启动紧急模式，将无人机飞回起点。避免此类事故的发生。

(5)其他注意事项

除了以上四点常见的问题以外，我们还应该考虑到无人机的后期扩展以及

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