本發(fā)明涉及一種四旋翼飛行器，屬于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微小型四旋翼飛行器是一種電動(dòng)的，由無(wú)線電地面遙控飛行或/和自主控制飛行的可垂直起降（VTOL）飛行器，在構(gòu)造形式上屬于旋翼飛行器，在功能上屬于垂直起降飛行器。它利用空氣動(dòng)力來(lái)克服自身重量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活，獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。

相對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)而言，旋翼無(wú)人飛行器發(fā)展要緩慢得多。固定翼無(wú)人機(jī)在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，而且在過(guò)去二十多年的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中展現(xiàn)其優(yōu)越的作戰(zhàn)性能，為美國(guó)、以色列等國(guó)軍隊(duì)取得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利立下了功勛[2]。然而旋翼式垂直起降飛行器與固定翼無(wú)人機(jī)相比具有更大的優(yōu)點(diǎn)：垂直起降、空中懸停、朝任意方向飛行，起飛著陸場(chǎng)地小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、高度智能化等。在軍用方面，無(wú)人直升機(jī)既能執(zhí)行各種非殺傷性任務(wù)，又能執(zhí)行各種軟硬殺傷性任務(wù)，包括偵察、監(jiān)視、目標(biāo)截獲、誘餌、攻擊、通信中繼等。民用方面，無(wú)人直升機(jī)在大氣監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控、資源勘探、電力線路監(jiān)測(cè)、森林防火等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

四旋翼飛行器與傳統(tǒng)直升機(jī)相比，尾槳控制和旋翼傾斜問(wèn)題可以被忽略，這是因?yàn)閷?duì)角線上的兩對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，正好抵消了它們產(chǎn)生的扭力矩。也就是說(shuō)，四旋翼飛行器無(wú)需尾槳來(lái)抵消反扭力矩以及避免復(fù)雜的旋翼傾斜控制來(lái)實(shí)現(xiàn)各種飛行姿態(tài)。由于其獨(dú)特的對(duì)稱性和多旋翼性，飛行姿態(tài)是靠調(diào)整四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

從另一方面來(lái)說(shuō)，四旋翼飛行器具有高度耦合的動(dòng)態(tài)特性，一個(gè)旋翼速度的改變將至少影響三個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)。例如，減小右面旋翼的轉(zhuǎn)速，左右升力出現(xiàn)了不平衡，這將會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)向右滾動(dòng)；同時(shí)左右為一組的旋翼產(chǎn)生的力矩和前后為一組的旋翼產(chǎn)生的力矩出現(xiàn)了不平衡，這將會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)向右偏航；此外，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致直升機(jī)向右平移，從而改變了前進(jìn)的方向。

迄今為止，微小型四旋翼飛行器基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究已取得較大進(jìn)展，但要真正走向成熟與實(shí)用，還需面臨諸多關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種四旋翼飛行器。

本發(fā)明提供了一種四旋翼飛行器，包括接收機(jī)、處理器、輔助電源、通信串口、傾角傳感器、高度傳感器、角速度傳感器、工控機(jī)、信號(hào)輸入器、信號(hào)輸出器和多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，所述處理器分別與輔助電源、通信串口、傾角傳感器、高度傳感器、角速度傳感器、信號(hào)輸入器以及信號(hào)輸出器連接，所述接收機(jī)通過(guò)信號(hào)輸入器與處理器連接，所述工控機(jī)通過(guò)通信串口與處理器連接。

優(yōu)選的，上述多個(gè)驅(qū)動(dòng)器包括第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器、第三驅(qū)動(dòng)器和第四驅(qū)動(dòng)器，所述第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器、第三驅(qū)動(dòng)器和第四驅(qū)動(dòng)器分別與信號(hào)輸出器連接。

優(yōu)選的，上述第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器、第三驅(qū)動(dòng)器和第四驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)應(yīng)連接有旋翼。

優(yōu)選的，上述飛行系統(tǒng)供電選用鋰電池，輔助電源用來(lái)向機(jī)載電子設(shè)備供電。

優(yōu)選的，上述飛行系統(tǒng)具有無(wú)線通訊部分，用來(lái)接收地面遙控信號(hào)，得出飛行指令。

優(yōu)選的，上述傾角傳感器能夠進(jìn)行X、Y正交方向上的傾角檢測(cè)，檢測(cè)范圍為±90°，檢測(cè)精度為0.0025°，敏感元件采用過(guò)阻尼頻響輸出，抗震動(dòng)能力強(qiáng)，芯片采用5V供電，擁有模擬和SPI兩種輸出接口，可輸出傾角和溫度信息。

優(yōu)選的，上述高度傳感器檢測(cè)不同高度的大氣壓強(qiáng)，然后根據(jù)高度----壓強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將壓強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為高度信號(hào)；該芯片供電電壓為2.4V-3.3V，測(cè)量范圍為30kPa-120kPa，精度3Pa，內(nèi)置溫度傳感器，可通過(guò)SPI接口輸出壓強(qiáng)信息和溫度信息。

優(yōu)選的，上述角速度傳感器包括角速度檢測(cè)壓電陀螺，安裝時(shí)，兩兩互相垂直以檢測(cè)X、Y、Z三個(gè)方向上的角速度；，供電電壓為2.7V-5.25V，最大檢測(cè)角速度為±300deg./sec.，零點(diǎn)輸出電壓為1.35V，比例因子為0.67mV/deg./sec.，頻率響應(yīng)最大為50Hz。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的四旋翼飛行器，重量輕、體積小、功耗低的產(chǎn)品；考慮模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)留可擴(kuò)展端口，增強(qiáng)了整體裝置的可擴(kuò)展性，便于升級(jí)，實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行，并能完成軌跡跟蹤和避障等任務(wù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明四旋翼飛行器控制流程示意圖。

附圖標(biāo)記：1-接收機(jī)；2-處理器；3-輔助電源；4-通信串口；5-傾角傳感器；6-高度傳感器；7-角速度傳感器；8-工控機(jī)；9-信號(hào)輸入器；10-信號(hào)輸出器；11-第一驅(qū)動(dòng)器；12-第二驅(qū)動(dòng)器；13-第三驅(qū)動(dòng)器；14-第四驅(qū)動(dòng)器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種四旋翼飛行器，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的四旋翼飛行器，包括接收機(jī)1、處理器2、輔助電源3、通信串口4、傾角傳感器5、高度傳感器6、角速度傳感器7、工控機(jī)8、信號(hào)輸入器9、信號(hào)輸出器10和多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，所述處理器2分別與輔助電源3、通信串口4、傾角傳感器5、高度傳感器6、角速度傳感器7、信號(hào)輸入器9以及信號(hào)輸出器10連接，所述接收機(jī)1通過(guò)信號(hào)輸入器9與處理器2連接，所述工控機(jī)8通過(guò)通信串口4與處理器2連接。

其中，多個(gè)驅(qū)動(dòng)器包括第一驅(qū)動(dòng)器11、第二驅(qū)動(dòng)器12、第三驅(qū)動(dòng)器13和第四驅(qū)動(dòng)器14，所述第一驅(qū)動(dòng)器11、第二驅(qū)動(dòng)器12、第三驅(qū)動(dòng)器13和第四驅(qū)動(dòng)器14分別與信號(hào)輸出器10連接。第一驅(qū)動(dòng)器11、第二驅(qū)動(dòng)器12、第三驅(qū)動(dòng)器13和第四驅(qū)動(dòng)器14分別對(duì)應(yīng)連接有旋翼。飛行系統(tǒng)供電選用鋰電池，輔助電源3用來(lái)向機(jī)載電子設(shè)備供電。飛行系統(tǒng)具有無(wú)線通訊部分，用來(lái)接收地面遙控信號(hào)，得出飛行指令。

在實(shí)施例中，本發(fā)明具體包括輔助電源部分、無(wú)線通信部分、信號(hào)采集部分、信號(hào)處理與控制策略決策部分。此外，還包括機(jī)體、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、旋翼以及未畫出的電池等部分。機(jī)體供電選用鋰電池，輔助電源部分用來(lái)向機(jī)載電子設(shè)備供電；無(wú)線通訊部分用來(lái)接收地面遙控信號(hào)，得出飛行指令；信號(hào)采集部分主要包括各類傳感器，用來(lái)收集飛行所需的各種姿態(tài)、位置等信息；信號(hào)處理部分用來(lái)將傳感器信號(hào)調(diào)制為能夠被DSP直接讀取的信號(hào)；控制決策部分綜合遙控指令和各類傳感器信息得出飛行控制策略，控制四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，從而使飛行器按照預(yù)定指令飛行。圖中虛線部分為系統(tǒng)的控制電路部分?？刂葡到y(tǒng)是四旋翼飛行器飛行控制核心，它將傳感器采集信息匯總，然后根據(jù)當(dāng)前飛行狀態(tài)給出控制決策，調(diào)節(jié)電機(jī)按預(yù)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而完成四旋翼飛行器的飛行控制。按照四旋翼飛行器所要實(shí)現(xiàn)的飛行功能，控制系統(tǒng)所承擔(dān)的任務(wù)如下：

(1) 得出控制決策，輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)；

(2) 進(jìn)行飛行器姿態(tài)檢測(cè)，得出準(zhǔn)確的飛行姿態(tài)信息；

(3) 進(jìn)行高度檢測(cè)，得出準(zhǔn)確的高度信息；

(4) 接收遙控輸入信號(hào)；

(5) 與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的調(diào)試接口功能。

輔助電源部分主要用來(lái)向控制器上的處理芯片供電，機(jī)身供電通過(guò)3S鋰電池進(jìn)行，供電電壓為11.1V?？刂瓢逅桦妷簽?V和3.3V，5V電壓由電子調(diào)速器與控制板接口的5V電源提供，3.3V通過(guò)控制板上單片線性電源轉(zhuǎn)換芯片LM3940來(lái)得到。

高度檢測(cè)使用的壓強(qiáng)傳感器具有高精度的壓力檢測(cè)能力和溫度補(bǔ)償功能。在該系統(tǒng)中，通過(guò)該傳感器檢測(cè)不同高度的大氣壓強(qiáng)，然后根據(jù)高度----壓強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將壓強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為高度信號(hào)。該芯片供電電壓為2.4V-3.3V，測(cè)量范圍為30kPa-120kPa，精度3Pa，內(nèi)置溫度傳感器，可通過(guò)SPI接口輸出壓強(qiáng)信息和溫度信息。

傾角檢測(cè)使用的雙軸傾角傳感器，該芯片能夠進(jìn)行X、Y正交方向上的傾角檢測(cè)，檢測(cè)范圍為±90°，檢測(cè)精度為0.0025°。敏感元件采用過(guò)阻尼頻響輸出，抗震動(dòng)能力強(qiáng)，芯片采用5V供電，擁有模擬和SPI兩種輸出接口，可輸出傾角和溫度信息。

角速度檢測(cè)壓電陀螺兩兩互相垂直以檢測(cè)X、Y、Z三個(gè)方向上的角速度。該芯片的供電電壓為2.7V-5.25V，最大檢測(cè)角速度為±300deg./sec.，零點(diǎn)輸出電壓為1.35V，比例因子為0.67mV/deg./sec.，頻率響應(yīng)最大為50Hz。

如圖2所示，本實(shí)施例中使用位置、姿態(tài)雙閉環(huán)控制方法進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)，分別嘗試使用PD控制、Backstepping控制、滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行控制律設(shè)計(jì)和仿真?？刂破鲗w行器控制分為內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制和外環(huán)位置控制，內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制用來(lái)維持飛行器的平衡，外環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器到達(dá)指定位置。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的四旋翼飛行器，重量輕、體積小、功耗低的產(chǎn)品；考慮模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)留可擴(kuò)展端口，增強(qiáng)了整體裝置的可擴(kuò)展性，便于升級(jí)，實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行，并能完成軌跡跟蹤和避障等任務(wù)。

可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。