无人机六旋翼设计.doc

摘 要 六旋翼无人机是一种具有可垂直起降能力的小型无人飞行器，它通过上下共轴放置的三组共六个电机提供升力，通过改变旋翼转速来调整姿态，通过调整姿态进一步实现位置控制，具有悬停性能优异、移动灵活、机械结构紧凑、零部件可靠性高等优点。 论文首先对六旋翼无人飞行器的调姿原理进行了介绍，分析了其飞行姿态的调整方式。并建立了六旋翼无人机的数学模型，根据实际情况对其数学模型进行了必要的简化。接着，论文完成了对于六旋翼无人机控制系统硬件平台的组建，组建了高精度的传感器系统，并完成了飞行控制器硬件的设计与实现，完成了硬件调试工作以及驱动的编写工作。然后，论文建立了六旋翼无人机的完整控制系统，其中包含位置控制部分、高度控制部分以及姿态控制部分，建立了一套完整的对姿态传感器进行机械防震与数字滤波的方法；提出了一种新颖的气压计、超声波传感器和加速度计的融合方法，通过实验验证了滤波效果；提出了一种优化的拉力分配方法使得控制系统的可靠性得到增强。接着，论文设计实现了飞行控制软件的主要功能，从技术层面上对于实时性与可靠性进行了大幅的提升。最后，论文通过悬停试验验证了姿态控制器的控制精度；通过抗干扰能力试验验证了姿态控制器的稳定性；通过信号跟踪试验验 证了姿态控制器 的跟踪性能 ；通过高度控 制实验验证了高 度控制器的控制性能 ；通过视频跟 踪实验验证了六 旋翼无人机整体 控制架构的合理 性与有效性。 关键词：六旋翼无人机；PID；多环路控制；数据融合 VI 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） Abstract Hex-rotor is one kind of small unmanned aerial vehicles (SUAV) which have the ability of vertical take-off and landing (VTOL）. It gets thrust by controlling six rotors with propellers which are divided into 3 groups of coax ial rotors. Its attitude is controlled by regulating the spinning speed of the rotors which in turn makes its position controllable .The hex-rotor has multiple advantages such as the ability of vertical take-off and landing, good mobility and high reliability. Therefore, the hex-rotor has broad application prospects and enormous value of research. Firstly, the flying principle was divided into four main modes of motion and analyzed separately. The dynamic model of the hex-rotor SUAV was deduced with some necessary simplifications.Then, the control system hardware was built using high-precision sensors. The work of debugging the hardware and programming th e drivers was also done.In the following, the main control scheme was proposed which composed of three main controllers: position controller, height controller and attitude controller. A complete solution to reduce the noise in the g yroscope and accelerometer caused by vibration was proposed including mechanical anti-vibration method and a digital filter called alpha-beta filter. A new method of fusing the data f rom ultrasonic sensor, barometer and accelerometer was prop osed in the paper. Experiment was conducted to prove the effectiveness of the fusion method. An optimized thrust distribution method was also introduced to maintain the robustness of the system. Some technology was also introduced to keep the real-time performance and reliability of the control software. Finally, some flight experiments were introduced to prove the performance of the controller: hovering test for the controller accuracy, anti-interference for controller stability, signal-tracking experiment for controller tracking capability and vision -based target tracking for the overall system performance. Keywords: Hex-rotor, PID, Multi-loop, Data-fusion 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 目 录 摘 要 . VI Abstract . VII 第 1 章 绪论 . 1 1.1 论文研究的目的与意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 四旋翼无人机的研究现状 . 3 1.2.2 六旋翼无人机的研究现状 . 4 1.2.3 六旋翼控制理论研究现状 . 6 1.3 本文主要研究内容 . 6 第 2 章 六旋翼无人机数学模型的建立 . 8 2.1 六旋翼无人机飞行机理分析 . 8 2.1.1 坐标系定义 . 8 2.1.2 四种基本运动 . 9 2.2 六旋翼无人机机体结构设计 . 10 2.2.1 机架选型 . 10 2.2.2 动力系统设计 . 11 2.3 运动方程的推导 . 11 2.4 本章小结 . 16 第 3 章 六旋翼无人机硬件设计 . 17 3.1 总体方案 . 17 3.1.1 无线通讯链路 . 17 3.1.2 传感器系统 . 18 3.1.3 执行器与数据保存 . 18 3.2 传感器系统 . 19 3.2.1 姿态传感器 . 19 3.2.2 高度传感器 . 19 3.2.3 位置传感器 . 20 3.3 飞行控制硬件设计 . 20 3.3.1 主控制器选型 . 20 3.3.2 电源、通讯接口设计 . 21 3.3.3 数据存储设计 . 21 VIII 3.4 第 4 章 4.1 4.2 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 本章小结 . 22 六旋翼无人机控制算法设计 . 23 总体控制结构 . 23 姿态控制 . 24 4.2.1 4.2.2 4.2.3 姿态传感器的减震与滤波 . 24 姿态控制器结构 . 28 转速分配策略 . 28 4.3 高度控制 . 31 4.3.1 4.3.2 4.3.3 超声传感器的滤波 . 31 高度传感器与加速度计的融合算法 . 34 高度控制器结构 . 37 4.4 4.5 第 5 章 5.1 位置控制 . 37 本章小结 . 38 六旋翼无人机飞控软件设计与飞行试验 . 39 飞控软件设计 . 39 5.1.1 5.1.2 5.1.3 飞控软件功能设计 . 39 飞控软件总体架构 . 40 实时性与可靠性设计 . 40 5.2 飞行试验 . 41 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 悬停测试 . 42 抗干扰能力测试 . 43 信号跟踪实验 . 43 高度控制实验 . 44 视觉跟踪实验 . 45 5.3 本章小结 . 45 结 论 . 47 参考文献 . 48 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明 . 51 致 谢 . 52 附 录 . 53IX 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 第1章绪 论 1.1 论文研究的目的与意义 1272622627282732近年来，在民用领域，无人机技术在救灾、航拍、农业、侦查等各个领域内取得了广泛的关注与研究。在战场上，无人机由于其避免人员伤亡、具备较高的执行任务能力等特点，得到了大量的应用。小型旋翼型无人机由于具有优异的机动性能、简单的机械结构、方便的部署与维护等特点，得到了多方面的应用 。 世界上第一架无人靶机在 1933 年试飞成功，揭开了无人机的序幕 。在阿富汗战争中，无人飞行器逐渐从后台走向前台，从辅助者转变为攻击者。在阿富汗战争中的无人机使用经验引发了英美两军的深度思考 。2007 年，英空军也付诸实践，采用改装的战斗机与 4 架无人飞行器协同作战，成功完成军事任务 。 自从阿富汗战争与伊拉克战争以来，美军从战场的作战经验中迅速认识到了无人机所扮演的重要 角色，将战场的 战斗模式快速 地变化为无人机 辅助条件下的作战方法。从现在的部署情况看来，无人机技术已经在至少 40 个国家或地区中部署使用 ，已经部署的型号数量达到 80 种，美军拥有数量惊人的军用无人机，无人机技术已经被美国 当做未来战争中的 重要武器技术进行研 究 。国际科 研机构已经发出了对于无人 机研究领域的大 胆预测， 全世界对于无人 机的需求将在 短时间内迅速攀升；在军事领域中，将存在超过 12 万架无人机部署在全球各地 。 而随着技术的发展以及军事模式的演变，无人机的工作环境正变得日益复杂起来。无人机需要 装载必要的侦查 设备在复杂的 城市环境或者 山区环境中执 行特殊的军事任务。而 由于环境的复杂 性，往往对无 人机的低速性能会 提出较高的要求。要求无 人机能够在狭窄的空间内 进行有效的机动进而 完成侦察任务。 但是目前大量使用的常规 固定翼布局无人 机往往需要 较长的专用跑 道起飞，采用盘 旋或者掠飞的方式对某固定目标进行侦查，因此，无法满足在复杂城市环境或者山区环境对特定目标的侦查任务。而小型旋翼飞行器能够实现垂直起降功能，不需要专用的起飞与降落场地，而且能够在特定空域实现定点悬停，搭载有效的侦察设备对固定目标进行长期的监视。因此，小型旋翼机由于其出色的低速性能、紧凑的机械结构以及良好的机动性能，成为当今无人机技术研究中的一个热点 。 现在通常使用的无人机，如美国的全球鹰系列 无人机，均属于固定翼无人机，而多旋翼无人机相较于全球鹰系列为代表的固定翼无人机，具有以下优点： （1）具有优秀的低速性能与垂直起降性能， 适合在复杂的城市环境中进行侦查。六旋翼无人机可以实现狭小空间内的垂直起降功能，可以在任务需要的时候在1 838哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 空中某处定点悬停 对目标进行持续 的跟踪。 在必要的时候可 以在建筑物的顶 棚实现紧急降落。 （2）具有紧凑的结构设计，控制结构也较为 简单。六旋翼无人机采用多旋翼设计，其机臂可以进行折叠，旋翼也可以进行快速的安装与替换。因此，可以方便地进行运输与快速的部署。其紧凑的结构同时也提高了六旋翼无人机的可靠性。仅需保证电机的正 常运作即可，不 需考虑如直升 机中运用的复杂机 械结构的可靠性问题。 （3）机身小巧、便于携带。由于六旋翼无人 机具有紧凑的结构设计，因此，组装与拆分也变得非常方便。可以方便地携带与运输。使得六旋翼无人机在军事应用中更加方便。 在民用方面，无人机 可以进行地震等灾害之后的救援，对高压线、大坝进行巡线监察，可以对林区进行防火监察，可以在农田中喷洒农用药物，在装备摄像头之后，可以在空中采集图像，完成电影拍摄等任务。在军用方面，可以实现作战小分队的小范围空中侦察，完成对地面目标的持续监视功能，弥补大型固定翼无人机装备级别较高，无法灵活进行战场部署的缺点 。 而且，对于无人机控制理论的研究方兴未艾，有许多热点问题正在被世界各地的科研工作者共同探讨。例如把惯性测量元件与视觉识别结合起来，提供对包括无人机姿态、位置信息在内的机体信息的估计 ，可以取得比单独使用惯性测量元件和视觉识别方法更优的姿态、位置信息的估计。由于小型无人机的数学模型中具有较多的非线性以及耦合性，因此具有较大的模型不确定性，从而导致了对控制方法提出了各种难点，有待进一步的研究 。 同时，小型六旋翼无人 飞行器具有很大的经济潜力，具有很大的潜在市场。相比于通常的大型固定翼无人机，小型六旋翼无人机具有紧凑的机械结构、低廉的成本与卓越的低速运动性能，因此，在民用领域与军用领域中都具有及其广泛的用途，对于该种无人机的研究是具有比较可观的应用前景的。 综上所述，该论文对六旋翼无人机理论的研究以及在工程上的实践对于进一步的理论研究、无人机技术的发展、开发潜在的市场需求等方面都具有很强的实际意义。 1.2 国内外研究现状 多旋翼无人机的研究主要集中在四旋翼领域，而对于六旋翼的研究则 比较少，四旋翼的研究对于六旋翼的研究也具有很大的借鉴意义，它们在姿态测量、传感器滤波与融合等方面具有很强的共通性，因此，下面分两部分进行现状探讨。 2 4哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 1.2.1 四旋翼无人机的研究现状 最近几年，四旋翼无人机领域的研究成果急速增长，下面对一些具有代表性的研究成果进行列举。 OS4 是瑞士洛桑理工学院的一支研究团队研发的一种小型四旋翼飞行器，主要研究飞行自主 控制算法与结 构设计，他们的 目标是实现四 旋翼在室内环 境与室外环境内的完全自主飞行。该项目分为两个阶段，OS4I 质量约为 235 g，最大长度为 73cm；团队成员开发出了一套从上到下的设计方法论，通过飞机总体质量，总体尺寸以及推重比等参数，在可选的数据库中挑选最佳的设计方案。团队成员采用万向节制作测试平台。他们将四旋翼机架放置在通过万向节连接的测试平台上，能够在俯仰、横滚、偏航三个转动方向上提供自由度。而 OS4 I 的电机调速装置、电源、飞行控制均由外部提供。OS4 团队对于各种控制方法都进行了有效地实验，最后通过实验得出 IB 控 制方法可以得到较好控制特性的结论。由于初期的四旋翼只能依靠测试平台进 行三个自由度以 内的自由运动 ，而不能完全脱 离对于地 面系统的依赖，团队成员开发出了第二代 OS4，使其能够脱离测试平台进行飞行 试验。OS4II 与 OS4I 相比，完全脱离了对万向节实验平台的依赖，机载锂电池与飞行控制系统。续航时间约为 30 分钟，到 2006 年，项目团队已经初步完成了所有的研究工作。 16GTMARS图 1-1 OS4 与 OS4II 是面向火星探测而设计的小型旋翼飞行器系统，由佐治亚理工大学研制，该飞行器具有很大的重量，可以背负较大的载荷，其旋翼尺寸达到了惊人的 1.8m。在能量不足的时候，该无人机可以自动在能量补充点降落完成能量补充。 3 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） EADS Quattrocopter飞行器。 20图 1-2 GTMARS 与 MD4-200 均为具有非常好的飞行性能的四旋翼无人图 1-3 MD4-200 图 1-4 EADS 24斯坦福大学也有关于小型四旋翼无人机的飞行控制研究，他们选择Draganflyer 作为他们研 究平台 STARMAC 的基础平台。该平台主要由MicroStrain 的惯性测姿模块，微控制芯片，超声波传感器，GPS 接收机与蓝牙通讯设备。地面站系统由 PC 机、操纵杆组成。机载平台将飞行器的实时姿态信息与控制信息发送给地面站。由于飞行器的震动，所以对飞行速度与位置的估计不是很准确，因此使用扩展卡尔曼滤波改善信息估计。最后取得了较好的悬停性能与抗风扰性能。 1.2.2 六旋翼无人机的研究现状 美国 Dragan fly 公司在六旋翼无人机的研究上有一些代表性的产品。 Dragan fly X6 六旋翼无人机重量小于 2kg，载 重能力 500g，具有 GPS 定位功能，可以进行高度锁定。其机架采用一体化的碳纤维制作。具有一体化设计的遥控器，在遥控器上面实时显示电池电量、飞行高度、飞行速度、飞行朝向等飞行信息，可以传输视频信息。同时配备光学相机或红外热成像相机。续航时间约为 15 分钟。可以配备视频眼镜辅助操作。该型无人机具有特殊设计的可折叠机架，在保证机体机械强度的前提下提供便携的结构设计。该型无人机已经在诸如公共安全、航拍摄影、工业探查与教育领域进行了广泛的应用。 4 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 图 1-5 Draganfly 无人机 图 1-6 Draganfly 无人机飞行图片 图 1-7 折叠状态下 图 1-8 视频眼镜 大疆创新公司推出了针对专业航拍领域的六旋翼无人机S800，该六旋翼无人机采用分列放置旋翼的方法，其采用旋翼内翻一定的角度的方法，增强无人机系统的稳定性。配合其生产的 WooKong 飞控，可以达到很高的控制精度与极高的飞行稳定性，配合禅思云台，可以达到电影拍摄级别的航拍画面。 图 1-9 S800 六旋翼无人机 六旋翼无人机与四旋翼无人机均属于多旋翼无人机的范畴，均具有可垂直起降无人机具有的所有优点，例如可以在复杂的城市环境中完成对低速目标的监视；对复杂的地面情况进行详细的探查；在空中特定方位定点悬停完成特定任务。然而，六旋翼无人机相比于四旋翼无人机，也具有一些显著的优点： （1）在保证机体尺寸相当的前提下，六旋翼 无人机比四旋翼无人机更好地利用了机体的结构空间，增加了旋翼的个数，提升了负载能力，将动力系统为机体提供的最大拉力提升，而且并没有对总重量造成显著的增加。因此提高了整个飞行器的推重比，由于控制系统的性能受飞行器推重比的影响比较大，控制系统在系统推5 1-2,44 1哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 力裕量较大时才 能较好地克服 诸如大风、机体 抖动等干扰的 影响达到较好地 控制效果。因此，六旋翼具有使控制系统性能更加优秀的机体特性。 （2）六旋翼无人机相比于四旋翼无人机具有 更加可靠的工作性能。对于四旋翼无人机，由于它的每个旋翼对于维持自身姿态稳定都是必不可少的，因此，如果飞行时因为某种外 部因素造成 旋翼破损，四旋 翼无人机将无法 稳定自身姿态并 很有可能坠毁。然而对于六旋翼无人机，为了维护姿态的稳定，它的每个旋翼并不都是必不可少的，从理论角度来讲，缺失两个旋翼的情况下，六旋翼无人机仍旧具有保持自身姿态稳定的条件。因此，只需要从控制方面对飞行时的状态进行判断，即可以灵活地对总拉力的分配进行重新考虑，避免失控情况的出现，进而提高整个无人机系统的鲁棒性 与可靠性， 这种可靠性的提 升对于无人机 的广泛应用是有 重要意义的。 （3）六旋翼无人机相比于四旋翼无人机，具有灵活的机械 结构配置方式，通过采用上下共轴双桨的方式，可以只采用三根机臂的设计，这样可以使便携性更容易实现。可以在短时间内完成整个机体的拆装工作。 综上所述，六旋翼无人机在 推重比、控制性能、可靠性等方面较四旋翼无人机具有更好的特性，但也不是完全否定四旋翼无人机的合理性，必须承认的是，由于六旋翼无人机共轴双桨的电机配置造成了一定效率上的损失，但是，由于其它方面的优越性，本论文着重开展了对六旋翼无人机的研究工作。 1.2.3 六旋翼控制理论研究现状 在控制方法上，关于多旋翼无人机的控制方法已经得到了很多来自世界各地学者们的研究，Kim 等人对 PID 控制方法在多旋翼无人机中的应用进行了研究 ，Bouabdallah 在多旋翼无人机的控制中，分别使用了 IB 与 LQ 方法，最终都取得了比较好的控制效果；由于变结构理论的进一步发展，Kim 等人将变结构控制应用到多旋翼无人机的控制方法中； Backstepping 方法也常被运用于多旋翼无人机的控制 ，Sanca 等人对 Backstepping 方法进行了仿真测试 。 此外，国外学者通过结合视觉识别与惯导信息，获取了更好地控制效果。1.3 本文主要研究内容 论 文主要完成 了多旋翼无人 机控制系统 硬件的设 计与控制系 统总体结构 的设计，在实现了控制系统软硬件的基础上，完成了实际飞行试验，证实了控制方法的有效性。具体章节内容安排如下： 第二章完成了对于六旋翼无人机的模型建立，通过分析六旋翼无人机在飞行状态下所受到的力与力矩，运用牛顿欧拉方程建立了六旋翼无人机的力学模型，并建6 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 立了控制系统的运动方程。 第三章设计实现了完整的六旋翼无人机控制系统硬件系统，组建了高精度的传感器系统，并完成了飞行控制器硬件的设计与实现，完成了硬件调试工作以及驱动的编写工作。 第四章主要建立了六旋翼无人机的完整控制系统，其中包含位置控制部分、高度控制部分以及 姿态控制部分， 建立了一套 完整的对姿态传 感器进行机械 防震与数字滤波的方法，提出了一种新颖的气压计、超声波传感器和加速度计的融合方法，通过实验验证了滤 波效果，提 出了一种优化的 拉力分配方法使 得系统的可靠性 得到增强。 第五章主要分为两部分，第一部分介绍了飞行控制软件的设计，详细阐述了设计过程中保证实时性与可靠性的理念，第二部分通过实际的飞行测试，证实了控制系统的优秀性能。 7 第2章哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 六旋翼无人机数学模型的建立 本章完成了对于六旋翼无人机的模型建立，通过分析六旋翼无人机在飞行状态下受到的力与力矩，运用牛顿欧拉方程建立了六旋翼无人机的力学模型，并建立了控制系统的运动方程。 2.1 六旋翼无人机飞行机理分析 六旋翼无人机的机体结构如图 2-1 所示 zM5M6M1M2xM3M4y图 2-1 机体结构 为了简化分析，在 建立数学模型之前首先作出一些假设，首先，假定飞行器机体具有足够的机械强度，视为绝对刚体，不考虑机体变形所产生的影响；而且假定飞行器的机体质量与机体转动惯量不变，保持为一常量，其次，假定旋翼亦为绝对刚体，忽略旋翼运动时候所产生的摆动与扭转；最后，忽略上下旋翼之间的气动干扰且假定机体为左右对称的结构，不存在机体质量偏置，两个旋翼在相同转速下提供相同的升力。 2.1.1 坐标系定义 首先，对坐标系，俯仰角、横滚角、偏航角进行定义。 机体坐标系的 x 轴通过机体的重心，指向飞机的前进方向，y 轴通过机体的重心，指向机体的左翼方向，z 轴通过飞机的重心，与 x，y 垂直指向飞行器的上方。而大地坐标系采用西北天坐标系。姿态角定义如下：俯仰角(pitch)：机体轴 x 与大地水平面间所夹角度，向下为正； 偏航角(yaw)：机体 轴 x 在大地水平面上的投影与大地坐标系中 x 轴之间所8 夹角度，机头向左为正； 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 横滚角(roll)：机体轴 z 与过机体轴 x 的大地竖直平面之间的夹角，飞机向右时为正。 2.1.2 四种基本运动 （1）上升下降：同时增加六个旋翼的转速或 者同时减小六个旋翼的转速可以增加或者减小旋翼所产生的总拉力，因此，在重力不变的前提下，可以实现六旋翼无人机在垂直方向上的上升与下降。 （2）前飞、后飞：如图 2-1 所示，减小 3、4、5、6 号旋翼的转速，同时增加1、2 号旋翼的转速，可以产生一个 y 轴上的正力矩，该力矩作用在机体上会造成俯仰角q 为正，即机体向前倾斜。这会导致旋翼所产生的总拉力在前进方向上有一个正的分力，该分力会拉动机体向前飞行。同理，增大 3、4、5、6 号旋翼的转速，同时减小 1、2 号旋翼的转速，可以产生一个 y 轴上的负力矩，该力矩作用在机体上会造成俯仰角q 为负，即机体向后倾斜。这会导致旋翼所产生的总拉力在前进方向上有一个负的分力，该分力会拉动机体向后飞行。 （3）左飞、右飞：增大 3、4 号旋翼的转速并减小 5、6 号旋翼的转速，可以在 x 轴上产生一个正力矩，该力矩会导致机体的横滚角 f 为正，即机体向右倾斜。这会导致旋翼所产生的总拉力在 y 轴上有一个负分量，该分力拉动机体向右飞行。同理，减小 3、4 号旋翼的转速并增大 5、6 号旋翼的转速，可以在 x 轴上产生一个负力矩，该力矩会导致机体的横滚角 f 为负，即机体向左倾斜。这会导致旋翼所产生的总拉力在 y 轴上有 一个正分量，该分力拉动机体向左飞行。 （4）自旋运动：该六旋翼无人机采用上下并列的电机安装方式，其结构图如图 2-2 所示 图 2-2 共轴旋翼结构 上下旋翼的旋向相反，这样旋翼转动所产生的反扭矩相互抵消，不会造成机体的自旋。在该六旋翼无人机的设计中，规定 1、3、5 号旋翼顺时针旋转，2、4、6号旋翼逆时针旋 转。六旋翼无人 机在偏航轴上 的转动是由旋翼 转动所产生的 反力9 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 矩实现的，由于 1、3、5 号旋翼顺时针旋转，则机体受到 1、3、5 号旋翼逆时针方向的力矩。同理，由于 2、4、6 号旋翼逆时针旋转，则机体受到 2、4、6 号旋翼顺时针方向的力矩。保持这两个力矩相等，六旋翼无人机将在偏航轴上保持不变。 增加 1、3、5 号旋翼的转速，减小 2、4、6 号旋翼的转速，将会在 z 轴上产生一个正力矩，这会导致机体产生一个 z 轴上正的角加速度，进一步使得机体在 z 轴上产生一个正的角度。同理，减小 1、3、5 号旋翼的转速，增大 2、4、6 号旋翼的转速，将会在 z 轴上产生一个负力矩，这会导致机体产生一个 z 轴上负的角加速度，进一步使得机体在 z 轴上产生一个负的角度。 以上是对六旋翼无人机四种基本运动的定性解释。 2.2 六旋翼无人机机体结构设计 对于无人机的需求主要有电影拍摄、航拍摄影、电网巡线、油路巡线、军事侦察、灾害探查等，针对需求进行分析，对于六旋翼无人机的基本要求有：具有一定的载荷，易于携带，具有较强的环境适应性，对于恶劣的环境能够适应，具有一定的续航时间。 首先，考虑到既要拥有一定的载荷和续航时间，旋翼不能过小，至少要达到 9寸以上，才能够保证约为 500g 的载荷与 15 分钟以上的续航时间。 其次，考虑到要能够便于携带，六边形的结构无法满足这个需求。因此，采用三轴六桨的机体结构，如图 2-1 所示。而展开的机翼无法满足便携的要求，因此需要能够折叠机翼。 最后，考虑到对于恶劣环境的适应，需要冗余旋翼的存在，六旋翼相较四旋翼的好处就在于冗余旋翼的存在使得无人机的抗风、抗恶劣环境的能力有较大提升。 2.2.1 机架选型 根据对机架的基本要求，最终选购了 SkyKnigh tY6-700 型机架，如图 2-3 所示 图 2-3 SkyKnightY6 机架 图 2-4 机架折叠状态 该机架机身部分采用碳纤维制作，电机座部分的连接件采用铝合金制作，重量为 558g。它具有简易的折叠机构，每轴一根主螺栓固定，配合防滑螺帽锁定，可以很方便地进行机 架的折叠与展开 。而这种 机械设计又能够 在保证便携性的 前提10 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 下，使得机体取得较高的机械强度，进而减少因为机体抖动对控制系统性能的影响。该机架电机轴距 606mm，适合 11 寸旋翼的安装。机身下部可以接驳云台固定架，方便了硬件的扩展。 2.2.2 动力系统设计 旋翼型无人机通过调节电机转速从而实现对无 人机姿态的控制，而速度控制、位置控制均通过核心姿态控制来实现。因此，电机的特性对于无人机控制系统的性能起着