，前后旋翼输出功率相同，改变其中组输出功率，使得两组旋翼转速不同，产生不能抵消反扭矩，从而使得机体产生顺时针或逆时针水平旋转。水平旋转控制方式如图所示图水平旋转原理图控制系统当四旋翼飞行器处于悬停和准稳态飞行时，可以把四旋翼飞行器这非线性系统近似为线性系统，这样，在控制飞行器稳定飞行时就可以将四旋翼飞行器姿态稳定分为三个独立通道偏航俯仰横滚分别控制。在实际系统中，控制对象是无刷电机和螺旋桨。螺旋桨包括无刷电机转动产生力力矩和扭矩，作用于四旋翼飞行器，就得到陀螺仪输出各姿态角角速率，对角速率积分就得到各姿态角在控制器中，微分参数作用也很重要，既可以使整个系统相四旋翼自主飞行器也得到了迅速发展。和传统直升机相比，它有着自身优势当前后两个旋翼逆时针旋转，而左右两侧旋翼顺时针旋转时，则尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略。目前国外四旋翼无人直升机研究工作主要集中在以下三个方面基于惯导自主飞行基于视觉系统自主飞行和自主飞行器系统。典型代表有瑞士洛桑联邦科技学院澳大利亚国立大学宾夕法尼亚大学佐治亚理工大学斯坦福等等。其中，法国将对微型无人机领域进行开发，他们对翼展微型无人机概念进行研究。从年底开始，法国武器装备部将可放在步兵背包中无人侦察机进行招标。其战术指标为固定翼飞行器，机长为，安装简便快捷，装备光学传感器。从年开始，它将在狭窄空间内进行巡逻，即可在城市街道上空机动飞行，但不会进入房间。室内观测任务将留给直接采取昆虫飞行方式微型扑翼无人机，这种无尾翼构型独特无人机能平稳寂静地在室内进行机动飞行，并能悬停。总之，这种微型无人机研制要求在设备小型化推进技术和包括昆虫飞行方面技术做出巨大努力。如果研制进展顺利，预计到年底该机可投入使用。我国目前也在开展对扑翼微型无人机研究，主要研究其流动机理与空气动力学特性扑翼传动机构设计以及微动力与能源系统实现。在当前，微型飞行器发展趋势是微型化创新化智能化自动化仿生化及多用途等。国内对于四旋翼机研究主要集中在几所高校之中。例如国防科技大学南京航空航天大学西北工业大学北京科技大学和哈尔滨工业大学等等。大多数研究方式是理论分析和计算机仿真，提出了很多控制算法。例如，针对自主飞行机模型不确定性和非线性设计动态逆定量反馈理论控制器，国防科技大学提出自抗扰控制器可以对小型四旋翼飞机实现姿态增稳控制，还有些经典方法比如控制控制等。本文研究主要内容从低价位低功耗高性能等方面考虑，本文设计了四旋翼飞行器自主飞控制系统整体方案并完成了飞控系统硬件部分设计。本文针对型固定翼微型飞行器，设计了全新自主飞行控制系统。硬件开发平台使用芯片作为核心处理器，大量使用传感器，整个系统体积小重量轻，完全符合项目要求。总体设计，首先将软硬件系统分解成基本功能模块，分别介绍了分各模块功能和作用接下来给出了了各功能模块设计思路，为以下各章内容做准备。硬件子系统设计，介绍了元器件选型原则和选型结果并且给出了最小系统设计步骤和电路抗干扰措施。软件设计，首先给出控制系统软件总流程，然后分别对每个模块算法流程和软件实现进行介绍。本文对各个传感器输出信号进行采集和处理，并采用了硬件抗干扰措施，提高飞行控制硬件系统稳定性和抗干扰性。在环境下，本文采用了嵌入式操作系统技术。对硬件方面研究对微型飞行器自主飞行控制硬件系统设计关键是针对姿态稳定和导航控制功能实现，对于选用各个功能部件要求，它主要包括机载计算机和传感器等。基于飞控系统硬件电路原理图设计，包括资源介绍和应用电源和复位电路设计等接口电路设计定时器使用和信号发生电路设计加速度计陀螺磁力计等传感器使用采样电路设计。最后，通过平时所掌握硬件设计能力和实际专业，近几年大学学习使得我掌握单片机基本知识和编写环境下设备驱动流程图相关知识，培养扎实了软硬件设计能力，运用所学相关专业知识解决相关问题，如降低硬件资源利用率和解决飞行速度等问题。控制系统工作原理和结构框图四旋翼自主飞行器工作原理四旋翼直升机有个控制输入量，分别为四个旋翼转速个输出量，分别为飞机位置量和姿态角俯仰角横滚角航向角。四旋翼直升机通过调节对角线上旋翼转速来改变姿态。四旋翼飞行器上下垂直运动是通过个旋翼同时增速减速得到，当个旋翼升力之和等于飞行器自重时，飞行器便保持悬停。水平面内前后运动是在旋翼分别增速减速同时，旋翼减速增速，这样机身就会发生向后或者向前倾斜，得到水平面内前后运动俯仰运动是通过旋翼速度不变，旋翼增速减速同时，旋翼减速增速来实现。相似可以得到滚转运动即旋翼增速减速，同时旋翼减速增速。通过组合以上基本运动，可以实现四旋翼自主控制飞行器各种复杂运动。四旋翼飞行器飞行原理如图所示图四旋翼飞行器飞行原理示意图四旋翼直升机独特机械结构决定了它可以通过只改变旋翼转速方法来实现俯仰滚转和偏航运动。当需要作俯仰动作时，只要控制前后两个旋翼使其在转速上有个差值即可。同样原理，当要作滚转运动时只要控制左右两个旋翼即可。在保持对角线上两个旋翼转速相等情况下，使相邻两个旋翼转速有差值就可以实现偏航运动。但必须明确点，以上三种运动过程中总旋转力矩必须保持恒定。垂直升降与悬停同时改变四个电机输出功率，使得旋翼转速改变，从而总拉力改变，且大于或小于飞机重力时，四旋翼无人机垂直升降飞行而拉力等于飞机重力时，四旋翼直升机实现悬停。垂直升降与悬停控制方式如图所示图垂直升降与悬停原理图横向飞行与俯仰运动增加左旋翼电机输出功率，使得左旋翼转速变大，小右旋翼电机输出功率，可以使机体左侧俯仰倾斜。使右侧拉力小于左侧总拉力，从而左侧拉力改变，相应减机身会向右侧俯仰倾斜。同理，横向飞行与俯仰运动控制方式如图所示图横向飞行与俯仰运动原理图水平旋转保持左右旋翼电机输出功率相同，前后旋翼输出功率相同，改变其中组输出功率，使得两组旋翼转速不同，产生不能抵消反扭矩，从而使得机体产生顺时针或逆时针水平旋转。水平旋转控制方式如图所示图水平旋转原理图控制系统当四旋翼飞行器处于悬停和准稳态飞行时，可以把四旋翼飞行器这非线性系统近似为线性系统，这样，在控制飞行器稳定飞行时就可以将四旋翼飞行器姿态稳定分为三个独立通道偏航俯仰横滚分别控制。在实际系统中，控制对象是无刷电机和螺旋桨。螺旋桨包括无刷电机转动产生力力矩和扭矩，作用于四旋翼飞行器，就得到陀螺仪输出各姿态角角速率，对角速率积分就得到各姿态角在控制器中，微分参数作用也很重要，既可以使整个系统相轴旋转偏航角速度从图可以看出，角速度曲线高频成分较多，这些高频成分多为测量噪声，可通过低通滤波器进行滤波处理，总趋势仍然在零点附近。实验结果如图所示。时间角速度轴角速度角速度时间轴角速度时间角速度轴角速度轴角速度曲线轴角速度曲线轴角速度曲线图和图分别为水平位置曲线和曲线，从图中可以看出，相对角度数据，位置数据随时间更新率较慢，轴方向曲线基本在到范围内，轴方向曲线在到范围内。和轴位置曲线图如图和所示。图轴位置曲线图轴位置曲线图图和图分别足滚转角度曲线俯仰角度曲线和航向角度曲线，从图中可以看出，这三个姿态角控制效果较好，大部分时间控制在士。以内，最大偏差不超过土。，控制效果稳定。俯仰角度曲线滚转角度曲线和航向角度曲线图如图所示。俯仰角随时间变化角度时间图俯仰角曲线图滚转角随时间变化角度单位时间图滚转角曲线图航向角随时间变化角度单位时间图航向角曲线实验总结本次设计完成了套四旋翼自主飞行控制系统，自主飞行过程中，通过传感器测量四旋翼飞行器飞行状态信息，嵌入式控制器运行非线性控制算法，得出转化后控制量再通过串口发送给下层单片机。最终模拟遥控系统信号控制四旋翼飞行器成功实现了四旋翼飞行器在滚转角俯仰角和水平纵向横向位置共四个自由度自动控制，并通过飞行器悬停飞行实验验证了本次提出设计，整套系统安全性高，可移植性强，通过地面站能够保存实际飞行数据便于分析，为进步四旋翼飞行器控制研究提供了基础同时本次研究给出了基于处理器四旋翼无人飞行器控制系统软硬件设计方法，改变了传统以单片机为主控制方式。该系统能满足飞行器起飞及悬停降落等飞行姿态控制要求，适合在近地面环境中执行监视侦查航拍等任务，具有广阔军事和民用前景。参考文献单海燕四旋翼无人直升机飞行控制技术研究南京航空航天大学聂博文，马宏绪，王剑，王建文微小型四旋翼飞行器研究现状与关键技术电光与控制王俊生，马宏绪，蔡文澜，税海涛，聂博文基于小型四旋翼无人直升机控制方法研究弹箭与制导学报单海燕控制器在在四旋翼无人直升机飞行控制中应用电光与控制杨明智，王敏四旋翼微型飞行器控制系统设计计算机测量与控制符冰，方宗德，侯宇种新型微旋翼飞行器设计与控制航空制造技术洪森涛，金智慧，李志强四旋翼飞行器建模及姿态稳定性分析电光系统王树刚四旋翼直升机控制问题研究哈尔滨工业大学杨明智四旋翼飞行器自动驾驶仪设计南京航空航天大学宋丽君基于器件航向姿态测量系统研究西北工业大学秦永元惯性导航北京科学出版社，聂博文微小型四旋翼飞行器建模与控制方法研究国防科技大学单海燕四旋翼无人直升机飞行控制技术研究南京航空航天大学孔维刚微型无人直升机飞行控制系统研究与设计南京理工大学袁信，郑谔著，捷联式惯性导航原理，北京航空专业教材编审组，袁信，俞济详，陈哲编著，导航系统，北京航空工业出版社，年杜春雷，体系结构与编程，清华大学出版社，马忠梅等，嵌入式处理器结构与应用基础，北京航空航天大学出版社，周立功等，微控制器基础与实战，北京航空航天大学出版社，于明范书瑞曾祥烨，嵌入式系统设计与开发教程，