PAGEIII矢量雙旋翼無人機的設(shè)計與制作摘要隨著小型無人機的應(yīng)用鄰域越來越廣泛，無人機的類型也在四旋翼的基礎(chǔ)上得以擴展。相比較與四旋翼，雙旋翼無人機的的續(xù)航能力與機動性在同等條件下更勝一籌。本研究旨在根據(jù)無人機的工作原理與工作環(huán)境設(shè)計和制作一種矢量雙旋翼無人機。首先，介紹了研究背景和意義，指出了研究的目的和重要性。然后，闡述了研究所采用的方法和過程。結(jié)合無人機的工作環(huán)境與性能需求，設(shè)計出合適的傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，機臂結(jié)構(gòu)還有主體機架等機構(gòu)以及動力系統(tǒng)搭配方案。圍繞雙旋翼無人機在空中的姿態(tài)變化的控制問題。搭配飛控，舵機等合適控制硬件，運用bateflight調(diào)參軟件對PID控制器和濾波控制器進行調(diào)參。再經(jīng)過不斷試飛和模擬對飛行數(shù)據(jù)進行分析，最終調(diào)試出合適的參數(shù)。最后重點描述了研究實現(xiàn)的創(chuàng)新性和研究所得到的主要結(jié)果。最后，總結(jié)了研究成果，并對未來進一步的研究提出了展望。關(guān)鍵詞：矢量雙旋翼無人機；傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；PID控制；姿態(tài)操控Designandproductionofvectordual-rotorUAVAbstractAstheapplicationofsmallUAVsbecomesmoreandmoreextensive,thetypesofUAVshavealsobeenexpandedonthebasisofquadrotors.Comparedwiththequadrotor,theenduranceandmaneuverabilityofthedual-rotorUAVarebetterunderthesameconditions.Thepurposeofthisstudyistodesignandfabricateavectordual-rotorUAVaccordingtotheworkingprincipleandworkingenvironmentoftheUAV.Firstly,thebackgroundandsignificanceofthestudywereintroduced,andthepurposeandimportanceofthestudywerepointedout.Then,themethodologyandprocessadoptedinthestudyaredescribed.CombinedwiththeworkingenvironmentandperformancerequirementsoftheUAV,asuitabletiltstructure,armstructure,mainframeandothermechanismsandpowersystemmatchingschemesaredesigned.Controlissuessurroundingtheattitudechangeofadual-rotorUAVintheair.Withsuitablecontrolhardwaresuchasflightcontrollerandservo,thePIDcontrollerandfiltercontrolleraretunedbybateflightassistantsoftware.Then,aftercontinuoustestflightsandsimulations,theflightdataisanalyzed,andtheappropriateparametersarefinallydebugged.Finally,theinnovationachievedbythestudyandthemainresultsobtainedbythestudyaredescribed.Finally,theresearchresultsaresummarizedandtheprospectsforfurtherresearchinthefutureareproposed.KeyWords:Vectordual-rotorUAV,tiltstructure,PIDcontrol,attitudecontrolPAGE71緒論1.1研究背景及意義矢量雙旋翼無人機作為一種新型無人機，具備垂直起降和飛行轉(zhuǎn)場的能力，因其獨特的飛行特性和廣泛的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴大，研究矢量雙旋翼無人機的設(shè)計與制作具有重要的理論意義和實踐意義。一方面來說研究矢量雙旋翼無人機的背景在于滿足現(xiàn)代社會對無人機應(yīng)用的需求。隨著科技的進步和社會的發(fā)展，無人機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、消防救援、物流運輸?shù)阮I(lǐng)域。矢量雙旋翼無人機的設(shè)計與制作，可以進一步推動無人機技術(shù)的發(fā)展，滿足社會對特定場景、多任務(wù)需求的無人機應(yīng)用。另一方面，研究矢量雙旋翼無人機的意義在于提高飛行性能和機動靈活性。相對于傳統(tǒng)固定翼和普通旋翼無人機，矢量雙旋翼無人機能夠通過改變旋翼葉片的角度和位置實現(xiàn)飛行姿態(tài)的調(diào)整和轉(zhuǎn)換。這一特性使得矢量雙旋翼無人機能夠在狹小空間內(nèi)垂直起降，同時又具備較高的飛行速度和機動性，使其在特定任務(wù)場景中具備更廣泛的應(yīng)用空間。另外，通過研究矢量雙旋翼無人機的設(shè)計與制作，可以進一步優(yōu)化無人機的結(jié)構(gòu)和性能。包括在無人機布局設(shè)計中，通過優(yōu)化布局和使用矢量推力技術(shù)，提高無人機的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性；在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中，通過采用先進的飛行控制算法和傳感器技術(shù)，提高無人機的飛行穩(wěn)定性和操控性能；在動力系統(tǒng)設(shè)計中，通過選用高效的電力或熱力動力系統(tǒng)，提高無人機的續(xù)航能力和負(fù)載能力等。研究矢量雙旋翼無人機的設(shè)計與制作具有重要的研究背景和深遠的意義。通過深入探究矢量雙旋翼無人機的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用前景，將能夠為無人機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗，推動無人機技術(shù)的進一步創(chuàng)新和應(yīng)用。同時，研究成果還可以為相關(guān)領(lǐng)域的決策者和技術(shù)人員提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，促進無人機行業(yè)的健康發(fā)展和社會進步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在當(dāng)前無人機發(fā)展的大背景下，各國開展了大量的研究工作，使得雙旋翼無人機領(lǐng)域取得了一定的突破和進展。就國內(nèi)而言，我國在雙旋翼無人機的研究方面也逐漸興起，并取得了一些關(guān)鍵性的成果。一些高校和科研機構(gòu)的研究團隊投入了大量的精力進行研究，推動了該領(lǐng)域的發(fā)展。就國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，我國的科研團隊在雙旋翼無人機的設(shè)計與制作方面展現(xiàn)出了較高的創(chuàng)新能力和工程水平。他們在無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛行控制以及載荷配置等方面進行了深入研究，并取得了一些重要的成果。例如，他們設(shè)計了一種新型的雙旋翼結(jié)構(gòu)，提高了無人機的穩(wěn)定性和飛行性能。他們還開展了關(guān)于雙旋翼無人機在航拍、農(nóng)業(yè)植保、應(yīng)急救援等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，為無人機的實際應(yīng)用提供了可行性和參考。國際上也有不少研究團隊在雙旋翼無人機領(lǐng)域做出了重要貢獻。例如，美國的一些知名大學(xué)和航空航天研究機構(gòu)在雙旋翼無人機的設(shè)計與制作方面有著豐富的經(jīng)驗和研究成果。他們在機體材料的選擇、電力系統(tǒng)的優(yōu)化以及自主導(dǎo)航技術(shù)等方面進行了系統(tǒng)研究，并取得了一系列的創(chuàng)新成果?？傮w來說，雙旋翼無人機的研究在國內(nèi)外都有著積極的發(fā)展態(tài)勢。各國研究團隊的工作為我們的研究提供了寶貴的借鑒和參考。然而，目前尚存在一些問題和挑戰(zhàn)，例如雙旋翼無人機的控制算法還有待進一步優(yōu)化，整體的智能化水平還有待提高等。因此，我們有必要深入研究國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)經(jīng)驗，突破瓶頸，進一步推動雙旋翼無人機的發(fā)展與應(yīng)用。圖1-1圖1-21.3研究的主要目的本文旨在設(shè)計和制作矢量雙旋翼無人機，通過對其進行深入的研究和分析，旨在探索其在航空領(lǐng)域中的潛力和應(yīng)用。本研究的主要目的可以從以下幾個方面來闡述：一方面來說通過設(shè)計和制作矢量雙旋翼無人機，我們可以進一步加深對無人機技術(shù)的理解和應(yīng)用。隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，矢量雙旋翼無人機作為一種新型無人機，具有獨特的飛行特性和更好的機動性能。本研究旨在通過設(shè)計和制作矢量雙旋翼無人機，深入研究其飛行原理和控制系統(tǒng)，為無人機技術(shù)的發(fā)展做出貢獻。另一方面，通過研究矢量雙旋翼無人機，我們可以探索其在航空領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。矢量雙旋翼無人機具有較好的懸停穩(wěn)定性和機動性能，可以在航空領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。例如，它可以用于航拍攝影、監(jiān)測和勘測等領(lǐng)域，同時還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保、交通巡檢和緊急救援等任務(wù)。本研究旨在深入挖掘矢量雙旋翼無人機在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供理論和技術(shù)支持。與此同時，通過設(shè)計和制作矢量雙旋翼無人機，我們可以優(yōu)化其設(shè)計和控制系統(tǒng)，提高其性能和可靠性。矢量雙旋翼無人機的設(shè)計和控制系統(tǒng)是保證其正常飛行和任務(wù)執(zhí)行的重要因素。本研究旨在通過實驗和仿真，對矢量雙旋翼無人機的設(shè)計和控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，改進其飛行穩(wěn)定性、機動性能和自主飛行能力，從而提高其應(yīng)用價值和可靠性。本文的研究主要目的是通過設(shè)計和制作矢量雙旋翼無人機，深入研究其飛行原理、探索其潛在應(yīng)用并優(yōu)化其設(shè)計和控制系統(tǒng)。通過本研究的開展，我們可以為無人機技術(shù)的發(fā)展和航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力的支持和推動。1.4研究的主要內(nèi)容本研究的主要內(nèi)容圍繞矢量雙旋翼無人機的設(shè)計與制作展開，旨在實現(xiàn)一種具備較強機動性和穩(wěn)定性的無人機系統(tǒng)。針對這一目標(biāo)，研究將主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。通過對矢量雙旋翼無人機的結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化，旨在設(shè)計一種能夠在空中實現(xiàn)自由航向轉(zhuǎn)換和靈活姿態(tài)控制的機體結(jié)構(gòu)。通過研究先進的材料和制造工藝，將致力于設(shè)計出輕量化、高強度的飛行器結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)對無人機的可靠性和性能的提升。本研究將深入探討矢量雙旋翼無人機的動力系統(tǒng)設(shè)計。針對無人機的動力需求以及矢量雙旋翼的特點，將提出一種合理而高效的動力系統(tǒng)設(shè)計方案。借助先進的電力系統(tǒng)技術(shù)和功率分配策略，將實現(xiàn)對無人機動力系統(tǒng)的優(yōu)化，提高無人機的續(xù)航能力和飛行性能。本研究還將著重研究矢量雙旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)。通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和先進的控制算法，實現(xiàn)對無人機的精確操控和飛行穩(wěn)定性的提升。在飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計中，將考慮無人機的各個工作模式，包括起飛、盤旋、巡航、懸停等，在不同工作模式下實現(xiàn)優(yōu)化的控制策略。通過對矢量雙旋翼無人機的仿真與實驗驗證，驗證本研究的設(shè)計理論和方法的有效性和可行性。將進行各種飛行測試和性能評估，對無人機的穩(wěn)定性、控制性能和飛行精度進行全面的檢驗和分析。在此基礎(chǔ)上，將進行系統(tǒng)的改進與優(yōu)化，以進一步提高無人機的性能和可靠性。本研究的主要內(nèi)容將圍繞矢量雙旋翼無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、動力系統(tǒng)設(shè)計、飛行控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真與實驗驗證展開，旨在為矢量雙旋翼無人機的實際應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。通過本研究的開展，有望為無人機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供新的思路和方法。2矢量雙旋翼無人機的總體設(shè)計2.1整體方案矢量雙旋翼無人機的整體方案是設(shè)計和制作的基礎(chǔ)。該方案的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)高效的飛行性能、穩(wěn)定的姿態(tài)控制以及便捷的操作與維護。本節(jié)將介紹矢量雙旋翼無人機的整體設(shè)計方案。對于矢量雙旋翼無人機的整體結(jié)構(gòu)，我們在機身兩側(cè)各設(shè)置一個可傾轉(zhuǎn)的旋翼，通過對旋翼傾轉(zhuǎn)角度的控制，實現(xiàn)對飛行姿態(tài)的調(diào)整。這種布局不僅能夠提供較大的升力，還能夠?qū)崿F(xiàn)快速的俯仰與滾轉(zhuǎn)運動，大大增強了無人機的機動性。為了保證無人機的穩(wěn)定性，運用了一套先進的姿態(tài)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括陀螺儀、加速度計和磁力計等傳感器，并配合高精度的飛行控制器。通過實時采集各傳感器的數(shù)據(jù)，并通過飛行控制器進行處理和控制，可以實現(xiàn)對無人機姿態(tài)的精確控制。引用了PID控制，能夠根據(jù)不同飛行情況對控制參數(shù)進行自動調(diào)整，提升了無人機在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。該無人機需要滿足室內(nèi)飛行的需求因此機身尺寸不能過大，機身軸距不超過50cm。結(jié)構(gòu)重量不超過600g,機體要足夠輕盡量減少冗余。無人機續(xù)航時間要不少于13分鐘，同時要有足夠的載荷的能力來搭載任務(wù)設(shè)備及相機，電源等綜上所述對所設(shè)計的雙旋翼無人機的性能要求如下性能指標(biāo)指標(biāo)要求軸距≤50cm結(jié)構(gòu)重量≤600g最大載荷≥400g續(xù)航時間＞10min最大飛行速度≥4m/s表2-1矢量雙旋翼無人機的整體方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計、姿態(tài)控制和操作與維護方面都進行了綜合考慮。這樣的設(shè)計方案能夠確保無人機具備良好的飛行性能和穩(wěn)定性，并提供方便的操控和維護方式。在接下來的章節(jié)中，我們將詳細(xì)介紹機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進一步完善矢量雙旋翼無人機的設(shè)計與制作。2.2機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.1傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是矢量雙旋翼無人機的關(guān)鍵部分之一，主要用于控制飛行器的姿態(tài)和穩(wěn)定性。在本節(jié)中，我們將詳細(xì)介紹傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。一方面來說我們采用了一種控制槳平面傾轉(zhuǎn)角度的結(jié)構(gòu)。通過該機構(gòu)將機臂與電機座相連接，可以實現(xiàn)對旋翼的傾斜控制，從而改變飛行器的前后、左右和橫滾姿態(tài)。這種傾轉(zhuǎn)機構(gòu)需要具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。對于傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)有多種傳動方式。例如直驅(qū)式傳動，齒輪傳動，連桿傳動，鏈傳動等。（1）直驅(qū)式傳動是將舵機的金屬支架與電機座直接連接來控制電機朝向。這種傳動方式的特點是整體結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，傳動效率高，傳動精度高；但同時由于是舵機與電機的直接連接，為此需要舵機輸出大扭矩（2）齒輪傳動是將舵機與電機之間用齒輪等結(jié)構(gòu)連接，來實現(xiàn)對電機朝向的角度控制。該傳動方式的特點是傳動效率高，載荷能力強，可以根據(jù)不同的傳動需求來調(diào)整傳動比。但是使用壽命不長，根據(jù)材料的不同在一點的使用時間后齒輪會存在一定的磨損，齒輪傳動精度會下降。在無人機飛行時會存在角度的傾轉(zhuǎn)誤差。（3）連桿傳動就是利用搖桿滑塊的原理，舵機舵臂轉(zhuǎn)動然后帶動滑塊在與電機座相連的光桿上擺動，從而控制電機轉(zhuǎn)動朝向。這種傳動方式的特點是可以傳動較大的力矩，電機傾轉(zhuǎn)的角度更大，轉(zhuǎn)動控制更加迅速靈活。為了兼顧滿足傾轉(zhuǎn)機構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單，舵機輸出力矩要求，傾轉(zhuǎn)角度控制準(zhǔn)確快速穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)重量輕的。最終選擇用數(shù)字金屬舵機來直驅(qū)傳動。為了確保傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，我們采用了高強度的材料來制作機架和關(guān)鍵部件。例如，機架機臂主要采用了碳纖維復(fù)合材料，具有良好的剛性和耐疲勞性能。而則舵機與電機的連接件則采用了航空鋁合金材料，能夠承受較大的載荷和沖擊。在傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，我們還考慮到了機身的布局和平衡性。為了減小傾轉(zhuǎn)時的不穩(wěn)定性，我們將機架設(shè)計為在兩個旋翼間具有一定距離的對稱結(jié)構(gòu)。此外，我們還根據(jù)飛行器的重心位置進行了精確計算，并將電池、傳感器等重要部件布置在合適的位置，以確保飛行器的穩(wěn)定飛行。傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計在矢量雙旋翼無人機的整體設(shè)計中具有重要作用。通過合理的構(gòu)建和配置，傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的各項姿態(tài)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制，為無人機的飛行性能和應(yīng)用提供堅實的基礎(chǔ)。在接下來的章節(jié)中，我們將繼續(xù)介紹機臂結(jié)構(gòu)設(shè)計和機架主體設(shè)計，以完善整體設(shè)計方案。2.2.2機臂結(jié)構(gòu)設(shè)計機臂作為矢量雙旋翼無人機的重要組成部分之一，其設(shè)計的合理性直接影響到無人機整體性能的穩(wěn)定性和飛行效果。在本節(jié)中，我們將詳細(xì)討論機臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和關(guān)鍵考慮因素。機臂的材料選擇非常關(guān)鍵。要確保機臂具有足夠的強度和剛度，以承受飛行中產(chǎn)生的荷載和振動。一般來說，采用輕質(zhì)且具有良好強度的材料，如碳纖維復(fù)合材料或鋁合金，是較為合適的選擇。也要考慮材料的成本和加工難度。機臂的長度和形狀設(shè)計需要根據(jù)無人機的實際需求和飛行要求進行合理確定。機臂的長度直接影響到無人機的尺寸和機身穩(wěn)定性。較短的機臂能夠提供更高的靈活性和機動性，但對于飛行穩(wěn)定性的要求也更高。較長的機臂則能夠提供更大的升力和扭矩，但同時也增加了無人機的重量和動力消耗。在小型無人機中，機臂結(jié)構(gòu)大致分為單板式、復(fù)合板式、管式結(jié)構(gòu)。（1）單板式結(jié)構(gòu)在機架軸距小于20cm的無人機中較為常見。其結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝，但是隨著機架軸距的增大，為提高機臂強度會增加機臂的厚度增加了極佳的重量。（2）復(fù)合板式結(jié)構(gòu)有效利用了空間的結(jié)構(gòu)強度，也增加了空間的復(fù)雜程度。但是在減少重量大問題的同時增加了機臂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。（3）管式機臂的結(jié)構(gòu)在大型的無人機中是較為常見的。由于其橫截面是環(huán)形的，因此各個方向強度相同，相對于上述兩種不易產(chǎn)生剪性形變，提高了機臂的抗扭強度。結(jié)合考慮機臂的結(jié)構(gòu)類型，該雙旋翼無人機的軸距小于50cm，結(jié)構(gòu)強度需求較小同時管式機臂和復(fù)合板式機臂相對復(fù)雜，最終確定為單板式機臂。另外，機臂的連接方式也需要考慮。一般而言，機臂與機身之間采用螺栓聯(lián)接或焊接方式。螺栓聯(lián)接具有可拆卸性和更容易維修的優(yōu)勢，適用于需要頻繁更換或調(diào)整機臂的情況。而焊接方式則更加牢固，適用于不需要頻繁拆卸和調(diào)整的情況。機臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計中還需要考慮到其他因素，如機臂的形狀和橫截面設(shè)計、機臂與電機的連接方式、機臂與機架的連接方式等等。這些因素都會對機臂的穩(wěn)定性和整體性能產(chǎn)生影響，需要綜合考慮并進行合理的設(shè)計。機臂結(jié)構(gòu)設(shè)計是矢量雙旋翼無人機總體設(shè)計中重要的一部分，需要考慮到材料選擇、長度和形狀設(shè)計、連接方式等方面的因素。通過合理的機臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠提高無人機的飛行效果和穩(wěn)定性，為后續(xù)的制作和測試工作奠定堅實的基礎(chǔ)。沒有確定機臂類型2.2.3機架主體設(shè)計在矢量雙旋翼無人機的總體設(shè)計中，機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計起著關(guān)鍵作用。機架主體設(shè)計是其中的一個重要環(huán)節(jié)，它不僅要保證機架的穩(wěn)定性和強度，還需要考慮整體重量和空間利用效率。在本節(jié)中，我們將詳細(xì)介紹機架主體的設(shè)計過程。在機架主體設(shè)計中，我們選擇采用輕量化的材料，例如碳纖維復(fù)合材料，以提高無人機的整體性能。通過使用這種材料，可以減輕機架的重量，提高結(jié)構(gòu)強度，并改善機身抗風(fēng)性能。碳纖維復(fù)合材料還具有較好的阻尼性能，可以減少振動對機艙和電子設(shè)備的影響。另外，為了充分利用空間，我們還對機架主體中的布局進行了優(yōu)化。通過合理規(guī)劃艙室的大小和布局，可以容納更多的電池、傳感器和其他關(guān)鍵設(shè)備，提高系統(tǒng)的功能和性能。在布局設(shè)計中，我們還考慮了維修和維護的便利性，保證能夠方便地進行零部件的更換和維修。在機架主體設(shè)計的過程中，我們還充分考慮了制造和裝配的可行性。通過采用模塊化設(shè)計和工藝優(yōu)化，可以降低制造和裝配過程中的成本和難度。同時，我們還加強了工藝檢驗和質(zhì)量控制，確保生產(chǎn)的機架主體符合設(shè)計要求，并具備良好的性能和可靠性。機架主體設(shè)計是矢量雙旋翼無人機設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、考慮動力學(xué)、優(yōu)化布局和加強制造裝配的可行性，我們可以設(shè)計出穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、功能強大的無人機機架主體。在接下來的實驗與測試中，我們將驗證設(shè)計的有效性，并不斷改進和優(yōu)化機架主體的設(shè)計，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。以下是市面5寸穿越機機架結(jié)構(gòu)。3矢量雙旋翼無人機的動力系統(tǒng)選型與設(shè)計3.1動力系統(tǒng)性能要求在設(shè)計矢量雙旋翼無人機的動力系統(tǒng)時，需要對其性能進行明確的規(guī)劃與要求。動力系統(tǒng)的性能表現(xiàn)將直接影響到無人機的飛行性能和任務(wù)執(zhí)行能力。一方面來說動力系統(tǒng)應(yīng)具備充足的功率輸出。無人機在飛行過程中需要操控?zé)o人機的電機轉(zhuǎn)速與舵機傾轉(zhuǎn)角度，以實現(xiàn)平穩(wěn)懸停、轉(zhuǎn)向等動作。因此，動力系統(tǒng)的功率輸出應(yīng)能夠滿足無人機在各種任務(wù)場景下所需要的飛行動力。參照四旋翼構(gòu)型，用飛行評測軟件給出雙旋翼無人機的性能需求由系統(tǒng)分析得出滿足要求的大致硬件參數(shù)范圍。矢量雙旋翼無人機的動力系統(tǒng)性能要求包括充足的功率輸出、輕量化、可靠性、能量效率等。在動力系統(tǒng)的硬件組成和選型過程中，應(yīng)充分考慮這些要求，以確保無人機在飛行中能夠穩(wěn)定、高效地執(zhí)行各項任務(wù)。3.2動力系統(tǒng)的硬件組成與選型在矢量雙旋翼無人機的設(shè)計過程中，動力系統(tǒng)的硬件組成和選型扮演著至關(guān)重要的角色。動力系統(tǒng)是無人機的心臟，直接關(guān)系到飛行性能和穩(wěn)定性。在本節(jié)中，我們將討論所選用的動力系統(tǒng)的硬件組成和選型方案。3.2.1無刷電機我們需要為矢量雙旋翼無人機選擇合適的電機。電機是驅(qū)動旋翼進行轉(zhuǎn)動的關(guān)鍵部件。根據(jù)無人機的設(shè)計要求。一般來說，我們可以選擇具有較高轉(zhuǎn)速和高功率輸出的無刷電機。這樣可以確保無人機能夠在不同飛行狀態(tài)下保持穩(wěn)定的飛行。為此，我們選擇了致盈動力2306電機，2550KV。圖3-1圖3-23.2.2電子調(diào)速器為了確保電機的正常運行，我們需要配備相應(yīng)的電調(diào)。電調(diào)起著控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的作用。在選擇電調(diào)時，我們需要考慮電機的額定電壓和電流，以及無人機的整體負(fù)載需求。為此選擇了猛禽系列電子調(diào)速器，該店跳的特點是：具備高性能MCU，工作頻率高達64MHZ;高轉(zhuǎn)速，搭載BLHeli-32固件，硬件產(chǎn)生的電機PWM可提升平滑的油門響應(yīng)和降低噪音；同時更加穩(wěn)定，信號線為雙絞硅膠線，延長其使用時間，同時更有效降低信號在銅線內(nèi)傳輸產(chǎn)生的干擾，使飛行更加穩(wěn)定。圖3-3圖3-43.2.3鋰電池另外，還需要注意電調(diào)的重量和尺寸，以便在無人機的緊湊布局中適應(yīng)除了電機和電調(diào)，還需要選擇適合的電池組。電池組是供給動力系統(tǒng)能量的重要組成部分。在選擇電池組時，我們需要考慮無人機的飛行時間和負(fù)載要求。一般來說，我們可以選用具有高能量密度和較大容量的鋰聚合物電池。這樣可以確保無人機能夠在一定時間內(nèi)完成飛行任務(wù)。鋰聚合物電池是一種特殊類型的鋰離子電池，其正極材料為聚合物固體電解質(zhì)，相比傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，鋰聚合物電池具有更高的能量密度、更薄更輕的設(shè)計、更好的安全性等優(yōu)點。圖3-53.2.4螺旋槳無人機的槳葉，也稱為螺旋槳，是無人機的重要部件之一，用于提供飛行動力和推進力。首先，無人機槳葉通常分為固定槳和可變槳兩種類型。固定槳是固定在發(fā)動機上的槳葉，其槳葉的角度無法調(diào)整；可變槳則可以通過機械或電子裝置調(diào)整槳葉的角度，以實現(xiàn)飛行中的動力調(diào)節(jié)和優(yōu)化。其次，無人機槳葉的材料通常為復(fù)合材料，如碳纖維、玻璃纖維等，具有輕量化、高強度和耐磨損的特點。最后，無人機槳葉的設(shè)計會考慮到飛行性能、噪音、推力效率等因素。槳葉的長度、形狀、葉片數(shù)目等參數(shù)會根據(jù)無人機的設(shè)計需求和飛行特性進行優(yōu)化。在電機轉(zhuǎn)速，槳葉數(shù)量，螺距都一致情況下，槳葉直徑越長，產(chǎn)生拉力越大反之越小。在直徑、螺距、電機轉(zhuǎn)速一致情況下槳葉越多其拉力越大，但是其轉(zhuǎn)動慣量與空氣阻力也越大，即通常情況下三葉槳與四葉槳的效率并沒有二葉槳的效率高。為此使用多葉槳達到與兩葉槳相同轉(zhuǎn)速需要消耗的功率就更大。為了兼顧無人機的爆發(fā)力與飛行效率選擇了T-MOTOR5146的三葉槳。圖3-6在選擇動力系統(tǒng)的硬件組成時，還需要綜合考慮重量、成本和可用性等因素。合理的硬件選型能夠確保動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，進而影響整個無人機的飛行表現(xiàn)。動力系統(tǒng)的硬件組成和選型對于矢量雙旋翼無人機的設(shè)計和制作至關(guān)重要。通過合理選擇電機、電調(diào)、電池組以及槳葉我們能夠確保無人機具備足夠的動力和穩(wěn)定性，以完成各種飛行任務(wù)。在實際制作過程中，我們需要綜合考慮諸多因素，以選擇最為合適的硬件組成方案。4矢量雙旋翼無人機的控制系統(tǒng)選型與設(shè)計4.1控制模式分析橫列式雙旋翼無人機是一種具有兩個旋翼的無人機，旋翼分別位于飛行器的兩側(cè)，可以通過不同的旋翼轉(zhuǎn)速和傾斜角度來實現(xiàn)飛行控制。下面是橫列式雙旋翼無人機的飛行控制原理： 橫滾軸的操作模式：改變左右旋翼的轉(zhuǎn)速，形成左右旋翼的差動升力，產(chǎn)生使無人機左傾或右傾的力矩，同時由于兩旋翼轉(zhuǎn)速差異產(chǎn)生扭矩因此需要通過伺服機構(gòu)控制升力面繞橫滾軸異側(cè)傾轉(zhuǎn)來抵消反扭俯仰角越大，槳平面的傾轉(zhuǎn)程度越大。以此來實現(xiàn)橫滾軸的操縱。俯仰軸的操作模式：利用傾轉(zhuǎn)伺服結(jié)構(gòu)控制槳葉平面繞滾轉(zhuǎn)軸同側(cè)傾轉(zhuǎn)，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩。傾轉(zhuǎn)角度越大，水平分力越大垂直分力越小，以此來實現(xiàn)俯仰軸的操縱。因此在平飛狀態(tài)下，需要根據(jù)實際情況來控制傾轉(zhuǎn)角度使升力的豎直升力與重力相平衡。航向軸的操作模式：利用傾轉(zhuǎn)伺服結(jié)構(gòu)控制槳葉平面繞滾轉(zhuǎn)軸異側(cè)傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)角度越大，旋翼轉(zhuǎn)速越大，偏航速度越大，以此來實現(xiàn)航向軸的操縱?？偟膩碚f，橫列式雙旋翼無人機的飛行控制原理主要是通過調(diào)節(jié)兩個旋翼的轉(zhuǎn)速和傾斜角度來實現(xiàn)垂直起降、前進飛行、轉(zhuǎn)彎和姿態(tài)控制等功能。飛行控制系統(tǒng)需要根據(jù)飛行任務(wù)的需求，設(shè)計合適的控制算法和控制邏輯，確保無人機能夠穩(wěn)定、精準(zhǔn)地執(zhí)行各種飛行任務(wù)。4.2控制系統(tǒng)要求無人機的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求是確保無人機能夠穩(wěn)定、精準(zhǔn)地執(zhí)行各種任務(wù)和飛行操作的關(guān)鍵因素。以下是一些常見的無人機控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求：姿態(tài)控制精度：無人機需要能夠準(zhǔn)確控制姿態(tài)，包括橫滾、俯仰和偏航角。姿態(tài)控制精度通常以角度誤差來衡量，要求誤差盡可能小。飛行穩(wěn)定性：無人機需要具有良好的飛行穩(wěn)定性，能夠在各種氣象條件下保持平穩(wěn)的飛行狀態(tài)，避免不必要的晃動和震動。控制響應(yīng)速度：無人機的控制系統(tǒng)需要具有快速的響應(yīng)速度，能夠快速調(diào)整飛行姿態(tài)和飛行路徑，以應(yīng)對突發(fā)情況。自動懸停能力：無人機需要具有良好的自動懸停能力，能夠在沒有外部干預(yù)的情況下穩(wěn)定懸停在空中。航向控制精度：無人機需要能夠準(zhǔn)確控制航向，確保在執(zhí)行任務(wù)時能夠沿著預(yù)定的航線飛行。高度控制精度：無人機需要能夠準(zhǔn)確控制飛行高度，確保在執(zhí)行任務(wù)時能夠保持穩(wěn)定的飛行高度。自動返航功能：無人機需要具有自動返航功能，能夠在失去信號或其他異常情況下自動返回起飛點。飛行路徑規(guī)劃能力：無人機需要能夠進行飛行路徑規(guī)劃，根據(jù)任務(wù)需求自動規(guī)劃最優(yōu)的飛行路徑?？偟膩碚f，無人機的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求包括姿態(tài)控制精度、飛行穩(wěn)定性、控制響應(yīng)速度、自動懸停能力、航向控制精度、高度控制精度、自動返航功能和飛行路徑規(guī)劃能力等方面。這些指標(biāo)的達標(biāo)與否直接影響無人機的飛行性能和任務(wù)執(zhí)行能力。4.3控制系統(tǒng)的硬件組成與選型4.3.1主控芯片無人機的主控芯片是無人機中的核心控制器，負(fù)責(zé)控制飛行器的飛行姿態(tài)、導(dǎo)航、遙控信號接收等功能。STM32F405是一款由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）生產(chǎn)的32位微控制器，常用于飛行控制器（FlightController）等應(yīng)用中。它基于ARMCortex-M4內(nèi)核，擁有豐富的外設(shè)接口和功能，包括多個通用定時器、串行通信接口、模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。STM32F405還具有較高的性能和低功耗特性，適合用于需要高性能和實時響應(yīng)的應(yīng)用場景。總的來說，STM32F405是一款功能強大的芯片，廣泛應(yīng)用于飛控系統(tǒng)和其他嵌入式控制領(lǐng)域。為此選用以STM32F405為主控芯片的飛控?？偟膩碚f，無人機的主控芯片在選擇時需要考慮其計算能力、穩(wěn)定性、擴展性以及兼容性等因素，以確保飛行器能夠穩(wěn)定、安全地執(zhí)行各項任務(wù)。圖4-1圖4-24.3.2遙控器TX16SMK2是一款由Radiolink推出的航模遙控器，是其系列產(chǎn)品中的一員。它采用了2.4GHz頻段的數(shù)字遙控技術(shù)，具有穩(wěn)定的信號傳輸和抗干擾能力。TX16SMK2采用了16通道設(shè)計，支持多種飛行器和航模設(shè)備的控制，如固定翼、直升機、多軸飛行器等。遙控器采用了人性化設(shè)計，配備了大屏幕顯示器和多個可編程按鍵，操作簡單方便。此外，TX16SMK2還支持多種飛行模式和飛行參數(shù)的調(diào)節(jié)，滿足不同飛行需求?？偟膩碚f，TX16SMK2是一款功能強大、穩(wěn)定可靠的航模遙控器，適合廣泛應(yīng)用于航模愛好者和專業(yè)飛行控制領(lǐng)域。圖4-3圖4-44.3.3接收機富斯接收機（FLYSKYReceiver）是一種用于遙控器與航模飛行器之間通信的設(shè)備。Flysky是一家知名的遙控器品牌，其接收機通常與Flysky遙控器配對使用，以接收遙控器發(fā)出的指令，并將指令傳輸給飛行器，控制其飛行。Flysky接收機通常采用2.4GHz數(shù)字無線技術(shù)，具有穩(wěn)定的信號傳輸和抗干擾能力，能夠確保飛行器的穩(wěn)定飛行和精準(zhǔn)控制。Flysky接收機通常具有多個通道，以支持不同類型的飛行器和多種控制功能。總的來說，F(xiàn)lysky接收機是航模愛好者和專業(yè)飛行控制領(lǐng)域常用的設(shè)備之一，為飛行器提供可靠的遙控信號傳輸和控制功能。圖4-54.3.3舵機傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)選用RDS3235數(shù)字機器人雙軸舵機。擁有根據(jù)輸入電壓8.4V最高可達到32kg.cm的最大扭矩。相對于模擬舵機，數(shù)字舵機馬達能夠以更高的頻率響應(yīng)發(fā)射機的信號，而且“無反應(yīng)區(qū)”變??；反應(yīng)變得更快；加速和減速時也更迅速、更柔和；數(shù)字舵機提供更高的精度和更好的固定力量。使得傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對電機傾轉(zhuǎn)朝向的控制和飛行器的姿態(tài)修正更加精確提高飛行器的穩(wěn)定性。圖4-65矢量雙旋翼無人機的試飛與調(diào)試5.1系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試方案在進行矢量雙旋翼無人機的試飛與調(diào)試時，系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。正確調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)能夠提高無人機的飛行性能和穩(wěn)定性。因此，本節(jié)將詳細(xì)介紹矢量雙旋翼無人機系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試的方案。首先使用BATEFLIGHT調(diào)參軟件進行基礎(chǔ)的的參數(shù)設(shè)置與無人機進行連接。首先進行加速度計等傳感器的校準(zhǔn)；然后進行端口配置，就是將圖傳，GPS，等外設(shè)的端口進行配置連接；然后進行陀螺儀，電池等參數(shù)的配置。第二步，在CLI命令行里將兩個電機的端口改為舵機的端口輸出。然后配置舵機混控參數(shù)。PWM（PulseWidthModulation）信號是一種周期性的數(shù)字信號，其中脈沖的寬度可以調(diào)節(jié)而頻率保持不變。在微機系統(tǒng)中，PWM信號被廣泛應(yīng)用于控制和調(diào)節(jié)各種電路和設(shè)備。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比（高電平持續(xù)時間與周期的比值），可以實現(xiàn)對輸出功率的精確控制。電機是通過飛控電調(diào)發(fā)送PWM信號，然后電調(diào)根據(jù)信號將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的交流電來控制電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)占空比為50%時，電機停速。當(dāng)占空比為100%時，電機全速轉(zhuǎn)動。因此飛控控制舵機輸出也是同理。舵機通過接受飛控傳來的不同PWM信號來改變舵機的轉(zhuǎn)動角度，從而使控制電機朝向的傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。第三步在無人機的控制系統(tǒng)中，無人機的角度控制和位置控制采用經(jīng)典PID算法控制。PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好，是常見的系統(tǒng)控制方法。以下為PID算法的核心公式。式中包含比例項，用于放大系統(tǒng)偏差，增大了系統(tǒng)開環(huán)增益；積分項，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提升系統(tǒng)控制精度；微分項，用于預(yù)測系統(tǒng)變化趨勢，改善系統(tǒng)動態(tài)性與跟隨性。u(k)=e(t)=r(t)-y(t)在BATEFLIGHT軟件的PID配置中：P項表示跟蹤遙控器輸入信號的緊湊程度，更高的增益將提供更緊湊的跟蹤效果，但如果與D項比例過高可能導(dǎo)致過沖和高油門轉(zhuǎn)彎震蕩；I項表示控制較小的持續(xù)偏移，與P項類似但緩慢累積直至誤差為0，例如重心偏移，風(fēng)等長期外部影響；D項表示為飛機運動的基本阻尼。它抗拒的運動不論是搖桿輸入還是外部影響，例如洗槳或強風(fēng)。通過系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試方案的實施和實驗結(jié)果的分析，我們可以獲得最佳的系統(tǒng)參數(shù)配置，在操作過程中，我們要時刻注意安全，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整和優(yōu)化參數(shù)，以確保無人機的飛行安全和性能穩(wěn)定。矢量雙旋翼無人機的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試是試飛與調(diào)試過程中的一個重要環(huán)節(jié)。通過系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)整和優(yōu)化，我們可以提高無人機的飛行性能和穩(wěn)定性，為后續(xù)的試飛和調(diào)試工作奠定良好基礎(chǔ)。因此，我們需要認(rèn)真制定系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試方案，并根據(jù)實驗結(jié)果進行精細(xì)調(diào)整，以達到預(yù)期的目標(biāo)。5.3實驗參數(shù)分析在本節(jié)中，我們將針對矢量雙旋翼無人機的試飛與調(diào)試實驗所收集到的數(shù)據(jù)進行參數(shù)分析。這些數(shù)據(jù)包括了無人機在不同實驗條件下的飛行性能和各項參數(shù)的測量結(jié)果。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，我們可以更好地理解無人機的飛行特性，并為接下來的性能優(yōu)化和系統(tǒng)調(diào)整提供依據(jù)。首先，我們通過對實驗中測得的飛行速度數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)實驗結(jié)果，我們觀察到無人機的最大飛行速度在水平飛行模式下和在垂直驅(qū)動模式下均達到設(shè)計指標(biāo)。這些數(shù)據(jù)對于我們評估無人機在不同工況下的飛行性能非常重要。接下來，我們對無人機的懸停穩(wěn)定性進行分析?；趯嶒炈玫降臄?shù)據(jù)，我們計算出無人機的懸停誤差范圍，即無人機在懸停狀態(tài)下的偏離程度。根據(jù)分析結(jié)果，我們可以得出無人機在懸停狀態(tài)下的穩(wěn)定性較高。此外，我們還對無人機的姿態(tài)參數(shù)進行了分析。通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，我們得到了無人機在不同工況下的俯仰角、橫滾角和偏航角的變化規(guī)律。研究結(jié)果顯示，無人機在不同工況下保持了較好的姿態(tài)穩(wěn)定性，并且姿態(tài)角在合理的范圍內(nèi)波動。我們對無人機在不同飛行模式下的動力系統(tǒng)參數(shù)進行了分析。通過實驗數(shù)據(jù)的分析，我們得到了無人機在不同工況下的推力輸出、能耗情況以及功率變化等參數(shù)。這些數(shù)