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2015届电气工程与自动化专业毕业设计（论文）
第2章 四轴飞行器硬件组成
2.1 DIY四轴飞行器介绍
2.1.1 四轴飞行器
四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。这四轴飞行器（Quadrotor）是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。 2.1.2 DIY操作
DIY四轴飞行器需要材料包括：两组正反螺旋桨、四个直流无刷电机、四个匹配电机的电子调速器、机架、直流电池适配器、电池和飞控（可自己制作）。
在本设计中，采用新西达A2212/13T 1000KV的无刷电机，由12V直流电池供电；选择XRotor（乐天）系列20A电子调速器；F450机架。
首先将四个电调首先焊接到F450的机架上的焊盘上，同时焊接电池接线的母头。焊接好后按F450机架结构组装好飞行器。把电调固定在机架的四臂上后插上电机和电调连接的香蕉头完成组装整体。最后在电机轴上安装子弹头夹紧螺旋桨完成整体。组成后的飞行器如下图所示：
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可定方向的四轴飞行器设计
图2.1 DIY四轴飞行器实物图
注意：对角线上安装的螺旋桨的形状要一致。电调的信号线和自制飞控的输出管脚连接即可。
2.2 部分器件的作用介绍
2.2.1 无刷直流电机
电机是拖动螺旋桨旋转产生动力的装置。对于直流无刷电机而言，虽然也称为直流电机，但是实际获得的电源是三相交流电，但并非接受正弦变化的电压信息，起转动原理类似步进电机。所以采用直流电源输出各相脉冲使其旋转。
对于无刷电机而言，最重要的参数就是KV（并不是千伏的意义），它表示电压每增加1伏时，转速增加的值。 2.2.2 电子调速器
电子调速器简称电调。是电机的驱动元件，它有三个端口，一个连接电池获得电能，一个连接电机用于驱动电机，最后一个是信号线，兼容TTL电平，接收控制机的控制信号。
在实际过程中，检测高电平宽度，有效信号为1-2ms的高电平长度。根据持续时间输出不同的电压使电机的转速不同。
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2015届电气工程与自动化专业毕业设计（论文）
第3章 姿态传感器介绍
3.1 三轴加速度计
3.1.1 传感器原理
对于加速度的测量，传统的方式是在传感器内部放置一个质量已知且恒定的物体，用于感知惯性系统的加速度，其物体和某一直线方向的弹簧连接，当有该轴加速度产生时，物体施力于弹簧（弹簧和外壳连接，外壳和被测物直接连接固定），产生拉升或挤压，记录此时的弹性形变量就能知道外力再通过牛顿第二定律就能分析获得当前的加速度。
目前所使用的加速度计中，测量的办法很有多种，大体分为：闭环液浮摆式、挠性摆式、振弦式和摆式积分陀螺四种。
对于闭环液浮摆式来说，与传统的加速度测量原理比较，首先它是感知对应轴的旋转信息，其次它的信息输出依据来源于闭环设计。当仪表壳体发生旋转时（依据牛顿第二定律，物体运行状态的改变必然要有力的作用），由角度感测元件测量变松旋转信息，并闭环控制一个力矩器输出抵抗力矩直到角度稳定不再变动时，将输入给力矩器的电压信号作为加速度计的信号输出。从原理上将，它是
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可定方向的四轴飞行器设计
将原设立原理：弹性形变量的改变引发电气信号而输出的道理改变为用闭环结构让一个设计的的执行器抵消外部力矩，用起给电电压作为等效输出信号。
对于挠性摆式来说，它的测量办法和闭环液浮摆式基本相同，只是闭环的感知办法所用的材料不同，因为想要测量直线加速度，它引用挠性杆的输出轴刚性低，其他轴向刚性高的道理，用之感受输出轴的直线加速度引起的挤压，并用其他设备闭环控制保持内置重物的位置不变。将执行设备的电压作为等效电压并输出即可。
而振弦式的原理更为简单，利用弦线在不同张力时的振荡频率不同设计，以弦线承受外部加速度带来的引力，通过拉升改变弦线的张力，从而引起振荡频率的变化，所以频率和加速度成正比关系。继而只要在外部接入频率计，就可以知道此时的加速度。在实际应用中，一般还加入一条补偿所用的弦线，因为热冷效应，张力也会随温度的变化而变化，加入另一条弦线补偿温度影响，做差模输出就可。
摆式积分陀螺原理就是和陀螺仪的原理一样，在受到外部接连物的旋转变化时，自己跟随转动，制作加速度计时让转子固定不动，形成摆，其他设计原理与闭环液浮摆式一样。
在本系统中采用集成式，直接数字输出加速度计ADXL345。该传感器为多晶硅表面微加工结构，置于晶圆顶部。由于应用加速度，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供力量阻力。
差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，从而传感器输出的幅度与加速度成正比。其基本工作原理和闭环液浮摆式不同在于，并不增加执行机构抵消外部惯性力，而是直接由外部惯性力带动差动电容引起差模输出的方式。
总而言之，加速度计的测量原理就是在内部加入一个质量恒定并已知的物体，让它感受惯性作用而代入力的作用，然后测量这个力带来的变化（如ADXL345所采用的差动电容），或者抵消这个力的所用设备的工作电压。 3.1.2 ADXL345
ADXL345是由ADI公司推出的集成加速度传感器。内部工作原理如上一节所示。它能以SPI或IIC总线方式输出数据。内部自带有模数转换、寄存器等。从设计上讲，最大的特点
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图2.1 ADXL345 IC总线接线图 2