2023年12月17日发(作者：微生凌丝)
四旋翼飞行器实验报告
-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
实 验 报 告
课程名称： 《机械原理课内实验》
学生姓名： 徐学腾
学生学号： 1416010122
所在学院： 海洋信息工程学院
专 业： 机械设计制造及其自动化
报导教师： 宫文峰
2016年 6 月 26 日
实验一 四旋翼飞行器实验
一、实验目的
1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统；
2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。
二、实验设备和工具
1. Parrot公司 2.0四旋翼飞行器一架；
2. 苹果手机一部；
3. 蓝牙数据传输设备一套。
4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。
三、实验内容
1、了解四旋翼无人机的基本结构；
2、了解四旋翼无人机的传动控制路线；
3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作；
4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理；
5、能根据指令控制无人机完成特定操作。
四、实验步骤
1、学生自行用IPHONE手机下载并安装ight四旋翼飞行器控制软件。
2、检查飞行器结构是否完好无损；
3、安装电沲并装好安全罩；
4、连接WIFI，打开手机ight软件，进入控制界面；
5、软件启动，设备连通，即可飞行。
6、启动和停止由TAKE OFF 控制。
五、注意事项
1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制；
2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉；
3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部；
4. 电量不足时，不可强制启动飞行；
5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上；
6. 飞行器不得触水；
7. 飞行器最大续航时间10分钟。
3
六、实验相关问题
1. 整理四旋翼飞行器的传动控制路线。
四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，对角线方向上的旋翼旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相对，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。控制航行姿态的依据就是航姿传感器输出的信号。航姿传感器至少包括倾角传感器和角速度传感器。而倾角传感器可以利用三轴加速度传感器间接实现。既然是加速度传感器，那么它输出的信号表征的是当前三个轴向的加速度值，如果飞行器在空间中保持静止，那么加速度值通过简单的换算就可以得到真实的倾角参数。
2. 总结四旋翼飞行器各种飞行状态的原理。
垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
俯仰运动：电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
滚转运动：改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。当电机
1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。
前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。
倾向运动：由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
3. 说明四旋翼飞行器自由度的情况？
4
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
4. 说明四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况，并说明为什么这样设计？
四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况是对角线转向相同，相邻螺旋桨旋转方向相反，这样设计是为了保持平衡，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动。
5. 飞行器动力传动中用了何种类型的齿轮机构，试计算传动比，另说明为什么设计成无此大的传动比？
传动比i12=z2/z1=64/8=8；因为小齿轮带动大齿轮，小齿轮转动数圈大齿轮才会转一圈，小齿轮速度慢、耗费功率，不过可以产生比较大的提升力矩使螺旋桨转速很快，如果是大齿轮带动小齿轮速度很快，不过力矩小飞行器基本飞不起来，可能还会损坏电机。
七、实验总结
对于飞行器或者航模之类的映像，是在高中时期，学校有航模小组，经常可以看到拿着航模的学生在进行试飞，当时心中感觉“航模”是非常有意思并且“高科技”。如今已经历高考进入大学，在学校的为我们安排的实验中，非常幸运的能了解四旋翼飞行器，关于四旋翼飞行器，在查阅了相关资料后，有了一定的了解。
本次实验老师给我们讲了很多关于四旋翼飞行器的机构原理，运动方式，还有逻辑运算方法。并带领我们在室外亲自体验试用四旋翼飞行器，我十分兴奋的上前实验了一下，感觉用手机操控的感觉很流畅，虽然过程中有一些小失误，没有控制好，但总体十分的开心。
通过这次实验我们对四旋翼飞行器的结构进行了研究与探讨，并且按照实验要求完成了本次实验的内容，达到了这次实验的目的。使得自己有多了解了一些关于四旋翼飞行器的知识，开阔了自己的眼界。
5
2023年12月17日发(作者：微生凌丝)
四旋翼飞行器实验报告
-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
实 验 报 告
课程名称： 《机械原理课内实验》
学生姓名： 徐学腾
学生学号： 1416010122
所在学院： 海洋信息工程学院
专 业： 机械设计制造及其自动化
报导教师： 宫文峰
2016年 6 月 26 日
实验一 四旋翼飞行器实验
一、实验目的
1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统；
2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。
二、实验设备和工具
1. Parrot公司 2.0四旋翼飞行器一架；
2. 苹果手机一部；
3. 蓝牙数据传输设备一套。
4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。
三、实验内容
1、了解四旋翼无人机的基本结构；
2、了解四旋翼无人机的传动控制路线；
3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作；
4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理；
5、能根据指令控制无人机完成特定操作。
四、实验步骤
1、学生自行用IPHONE手机下载并安装ight四旋翼飞行器控制软件。
2、检查飞行器结构是否完好无损；
3、安装电沲并装好安全罩；
4、连接WIFI，打开手机ight软件，进入控制界面；
5、软件启动，设备连通，即可飞行。
6、启动和停止由TAKE OFF 控制。
五、注意事项
1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制；
2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉；
3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部；
4. 电量不足时，不可强制启动飞行；
5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上；
6. 飞行器不得触水；
7. 飞行器最大续航时间10分钟。
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六、实验相关问题
1. 整理四旋翼飞行器的传动控制路线。
四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，对角线方向上的旋翼旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相对，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。控制航行姿态的依据就是航姿传感器输出的信号。航姿传感器至少包括倾角传感器和角速度传感器。而倾角传感器可以利用三轴加速度传感器间接实现。既然是加速度传感器，那么它输出的信号表征的是当前三个轴向的加速度值，如果飞行器在空间中保持静止，那么加速度值通过简单的换算就可以得到真实的倾角参数。
2. 总结四旋翼飞行器各种飞行状态的原理。
垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
俯仰运动：电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
滚转运动：改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。当电机
1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。
前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。
倾向运动：由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
3. 说明四旋翼飞行器自由度的情况？
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四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
4. 说明四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况，并说明为什么这样设计？
四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况是对角线转向相同，相邻螺旋桨旋转方向相反，这样设计是为了保持平衡，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动。
5. 飞行器动力传动中用了何种类型的齿轮机构，试计算传动比，另说明为什么设计成无此大的传动比？
传动比i12=z2/z1=64/8=8；因为小齿轮带动大齿轮，小齿轮转动数圈大齿轮才会转一圈，小齿轮速度慢、耗费功率，不过可以产生比较大的提升力矩使螺旋桨转速很快，如果是大齿轮带动小齿轮速度很快，不过力矩小飞行器基本飞不起来，可能还会损坏电机。
七、实验总结
对于飞行器或者航模之类的映像，是在高中时期，学校有航模小组，经常可以看到拿着航模的学生在进行试飞，当时心中感觉“航模”是非常有意思并且“高科技”。如今已经历高考进入大学，在学校的为我们安排的实验中，非常幸运的能了解四旋翼飞行器，关于四旋翼飞行器，在查阅了相关资料后，有了一定的了解。
本次实验老师给我们讲了很多关于四旋翼飞行器的机构原理，运动方式，还有逻辑运算方法。并带领我们在室外亲自体验试用四旋翼飞行器，我十分兴奋的上前实验了一下，感觉用手机操控的感觉很流畅，虽然过程中有一些小失误，没有控制好，但总体十分的开心。
通过这次实验我们对四旋翼飞行器的结构进行了研究与探讨，并且按照实验要求完成了本次实验的内容，达到了这次实验的目的。使得自己有多了解了一些关于四旋翼飞行器的知识，开阔了自己的眼界。
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