该论文的原版在我共享的外文资料中，体积最大的那一篇。题名为：
Design Optimization of a Quad-Rotor Capable of Autonomous Flight
是一篇伍斯特大学理工学院航空航天工程专业的学士学位论文。
本文文章表述浅显易懂，辅以大量实例和图片，具备相当大的可操作性。读者可以根据本文自行复制出性能强大的四旋翼飞行器。
在本文的翻译过程中，我作为一个空气动力、自动控制的小白，几乎一无所知，拿着一本牛津词典和金山快译痛并快乐着地爬着这篇好文。最开始看这文章就很喜欢，有图有说明，就好像是论坛里的精华帖一样，一点国内的学术文章那种陈腐乏味通篇数据堆陈的感觉都没有。因此，读到一半，感觉好物不能独享，还有很多朋友没有精力读外文论文，所以索性就翻译出来，一来加深理解，二来与众同乐。
由于本人大学英语四级水平，但六级从没及格过，因此肯定语法错误一大堆。尤其是一些专业词汇的拿捏和翻译必定错误连篇，希望各位指点。
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下面是本文的摘要和目录:
对四旋翼飞行器自主航行的优化设计
伍斯特大学理工学院
航空航天工程专业
学士学位论文
April 24, 2008
导师:
Michael A. Demetriou
mdemetri@wpi.edu
David J. Olinger
olinger@wpi.edu
摘要
四旋翼飞行器是一种拥有4个成四边形水平分布旋翼的直升机，可用于查找和定位遇险者或军事信息探测以及监控等。项目组设计了一种微型四旋翼飞行器，使之能够通过板载的传感器自主控制飞行高度。板载的处理系统通过规范化的电脑编程控制可使四旋翼飞行器自主判断并控制正确的高度以飞向制定目标位置。
目录
1介绍
1.1发展历史
1.2对基本设计的创新及潜在应用分析
2 动力学
2.1 四旋翼物理学.
2.2 运动方程
2.3 控制策略
2.3.1 高度控制
2.3.2 偏航控制
2.3.3 俯仰和翻滚控制
2.4 PWM马达控制
2.5 MATLAB仿真
3 四旋翼飞行器的设计
3.1 Silverlit遥控X-UFO飞行器
3.1.1 Silverlit遥控X-UFO飞行器的飞行能力
3.2 重新设计的四旋翼飞行器
3.2.1 马达和电子调速器
3.2.2 电池和PSUs
3.2.3 Gear Box .齿轮组
3.2.4 螺旋桨
3.2.5 电子设备
3.2.6 传感器
3.2.7 XBee
3.2.8 晶振
3.2.9 机架设计
3.3 具体制作
3.3.1 **枢纽
3.3.2 单柱式平台
3.3.3 变速箱总成
3.4 校准
3.4.1 声纳
3.4.2 螺旋桨平衡
3.4.3 陀螺仪和加速度计
3.4.4 推力和转矩测量实验
3.5 减振
3.6 各种电子组件的电脑控制
3.6.1 马达
3.6.2 电子调速器
4 微型控制器
4.1 微型控制器的类型
4.1.1 CuBLOC
4.1.2 MSP430
4.2 硬件
4.2.1 微型控制器
4.2.2 协同处理器
4.3界面
4.3.1 I2C
4.3.2 PWM
4.3.3 UART
4.3.4 模数转换器
4.4 软件
4.4.1 处理器软件
4.4.2 上位机
4.4.3 How-To
4.5 结论
4.5.1 需求计算
4.5.2 计时的困难
5 结论
5.1 导航系统
5.1.1 超声波和射频
5.1.2 超声波或射频
5.1.3 摄像机
5.2 iRobot®通信系统
5.3 展望
1 绪论
自主航行的四旋翼飞行器是一种无人控制直升机，其拥有4个程四边形分布的旋翼，分布结构对称，前后旋翼程逆时针旋转，两侧旋翼程顺时针旋转。四旋翼飞行器的概念由George de Bothezat 博士与Ivan Jerome 于二十世纪20年代提出，并成功使原型机于五米以上高度悬停[1]。在之后的时间里，四旋翼飞行器的发展和应用就很少出现。直到最近几年，四旋翼飞行器才再次成为遥控直升机界的新宠。
由于采用了固定旋翼的简单设计，相比单旋翼的遥控直升机而言，没有多余机械结构的四旋翼飞行器降低了故障几率。拥有的四个马达与单马达相比，为飞行器提供了富余的推力，从而使四旋翼飞行器以其惊人的机动性成为了非常出色的室内/室外遥控直升机。
自主航行的微型四旋翼飞行器可以拥有许多应用，比如在火灾或雪崩中定位遇险者以及用于军事情报的侦察。因此，自主航行四旋翼飞行器的优势使其具备了众多的研究价值。
同时对自主航行四旋翼飞行器的开发也面临了许多困难。首先需要对不同种类的马达、螺旋桨翼型、电池以及控制方式进行选择并搭配有效的航线规划以完成飞行任务。马达和旋翼必须提供足够的升力以使得机体能够完成航线飞行并实施机动。电池需要具备足够的容量以支持充足的飞行时间。同时必须为姿态控制配备以适宜的算法以维持飞行器在飞行中的平稳并适时纠错。运动控制、位置辨析以及导航系统应选取并校准和集成于一个电路中。
此外机架的设计也应考虑到支撑飞行系统中的所有组件，包括马达及所有相关电子元件。当完成所有四旋翼飞行器的组件整合后，还需编制适配的程序以利用各种算法控制飞行器移动。
飞行器的构筑难点在于整合所有组件使之达到彼此适配，这是一项十分具有挑战性的系统工程。本项目的设计目标是设计一个微型自主四旋翼飞行器，使之能够从起飞点起飞，机动到利用iRobot®编程所确定的地点，完成悬停并返回起飞点降落。项目团队设计了基于现有遥控直升机配置的四旋翼飞行器，并对推力系统和电力控制系统进行了优化和改进以完成设计目标。项目团队设计并加工了适用的机架以保障飞行器的各个组件的工作平稳、高效。设计了能够映射微型四旋翼飞行器的姿态算法和控制其飞行的控制程序。最后，项目团队对iRobot®进行了编程使其与飞行中的四旋翼飞行器通信并提供位置坐标。
1.1 发展历史
四旋翼飞行器的创意在20世纪初便已提出了。纵览整个20世纪，并没有多少多旋翼飞行器被设计开发。最早设计并完成试飞的四旋翼飞行器是由George DeBothezat, Etienne Oemichen 以及D.H. Kaplan研制的。Oemichen的四旋翼飞行器是历史上最早设计的拥有四个旋翼并能悬停的载机。在1920年代，Oemichen的最初设计以失败告终，其飞行器无法提供足够的升力和操控性以致不得不额外添加氦气球以接近飞航的任务目标。经过一系列的重新计算和重新设计，Oemichen改进了机体的各项指标，使其不但能够离地并且将当时直升机飞行时间的世界记录刷新到14分钟，该项记录一直保持到1923年。
图1.1 DeBothezats设计的的四旋翼飞行器，1922年
DeBothezat于1921年与美国空军签订了设计合同。在经过两年时间的研发设计之后，他设计出了一款能够提供除飞行员外重达三人的有效载荷的四旋翼直升机。但他的设计被判定为动力不足、反应迟钝并且可靠性差。此外，他的飞行器仅仅只能离地5米左右，这与100米的巡航高度也有很大差距。
图1.2 Oeminchen设计的的第二个四旋翼飞行器1922年
早期的四旋翼飞行器中都将额外的垂直于主旋翼的旋翼设置于飞行器的前方或后方以提供推力或拉力，驱动飞行器前进。因此，它们并不能真正算作四旋翼设计。直到1950年代，真正的四旋翼直升机才由马克•亚当•卡普兰设计完成并试飞。卡普兰设计出的Convertawings Model “A”四旋翼飞行器可以说是最早成功飞行的多旋翼飞行器。
在1956年，该原型机首次试飞并取得巨大成功。这个重2200磅的飞行器使用两个90马力的引擎，每个引擎都可以在备份模式下驱动所有的四个旋翼，可以使飞行器悬停和机动。在飞行器的两侧并没有添加额外的旋翼，相反，利用旋翼间不同的推力对飞行器进行控制。因此这是真正意义上能够成功向前飞进的四旋翼飞行器。
尽管有这些早期的验证机存在，但四旋翼飞行器并没有多少实际应用。它们相对于传统布局的飞机在性能规格上（速度、有效载荷、航程等）没有任何优势。因此没有生产厂商对四旋翼飞行器表示出开发、生产的兴趣。
但是近年来，人们（尤其是业余爱好者）开始重新关注四旋翼这种飞行器。这个尘封已久的项目现在以王者的姿态回归遥控航模界并展示出巨大潜力。
图 1.3 Convertawings Model A 四旋翼飞行器1956年
1.2对基本设计的创新及潜在应用分析
本项目的目标是设计和建造一个完全自主控制的四旋翼飞行器。配套编制的程序包括飞行器的启动、悬停、移动、着陆以及其他类型任务的组合。要执行更加困难的任务则需要诸如定位或者导航系统等额外的组件并且辅以适配的编程，但这些对于这个四旋翼项目而言轻而易举。这种轻量、迅速、小型的无人飞行器能够携带重达1公斤的小型有效负载以完成诸多应用，诸如休闲和考查任务或者用于搜救和军事任务。
该四旋翼飞行器项目基于许多可以直接在模型店或者因特网上购买到的成熟遥控直升机设计。比如鼎鼎有名的Draganflyer® ，起步价800美元。虽然本项目的预算允许购置1200美元的四旋翼飞行器。但是要使Draganflyer®四旋翼飞行器进行自主航行的各种附加传感器和处理设备过于昂贵，因此根本不可行。因此本项目的四旋翼飞行器需要从头开始构建并使其动力与重量配比达到最优。使其在速度与功能上与目前市售的顶级航模相媲美而且拥有更长的飞行时间。熟练的航模爱好者完全可以根据本报告中的设计图纸构筑一个强大的四旋翼飞行器。所有的机械设计以及电路板布局均包含其中，完全可以根据本报告进行制作。并且电路板的设计构思是基于开放式组件的，可以方便的进行替换和升级。
该自主航行四旋翼飞行器的一个实际应用是对人类无法接近的崎岖地形进行探索。诸如进入火山、冰川、洞穴等容易崩塌或者其他无法接近的场所进行航拍。如果一个人被困在矿井等救援队无法短期内到达的地方，四旋翼飞行器可避免矿井坍塌的危险并找到矿工为其输送食物与水。如果有人迷失在深山中，机板上综合配备的热传感器可辅助其找到他们。在更大范围内的搜救行动，诸如开放海域之类，可以派遣一大群可以彼此进行无线通信的自主航行四旋翼飞行器执行地毯式搜救任务，该方式可使搜救成功几率大大提升。飞行器的性能在狭小和充满障碍物的空间内比如室内会受到限制，但通过特定的优化设计飞行器也能够很快适应这些特定的环境。
多个飞行器同样可以彼此建立数据链路并与计算机控制连接。这使得所有的飞行器都可以通过同一台计算机实施控制。以多个协同工作的四旋翼飞行器组成完整的异构系统完成特定的任务。飞行器在军事用途中可以采用更加昂贵的材料和更加复杂的传感器并对其进行优化以满足性能要求。这将满足军事演习中对精确任务的需求，或者利用大量飞行器远程执行任务以降低参战部队的风险。
[ 本帖最后由 aluken 于 2012-8-3 23:24 编辑 ] | 
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发表于 2012-8-3 23:08
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