四旋翼飛行器-開題報(bào)告

華北理工高校本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目：基于STM32的小型陸空兩棲四旋翼飛行器設(shè)計(jì)學(xué)院：XXX專業(yè)：XXX班級(jí)：XXX姓名：XXX學(xué)號(hào)：XXX2015年11月28日一、題目來源背景（現(xiàn)狀、前景）在當(dāng)下的信息化斗爭(zhēng)中，低投入、高精度成為了信息化斗爭(zhēng)的重要指標(biāo)。無人機(jī)的普及，對(duì)現(xiàn)代化信息斗爭(zhēng)有著很多無可比擬的優(yōu)勢(shì)。在幾次局部斗爭(zhēng)中，無人機(jī)都得以應(yīng)用。四旋翼飛行器的精確度、高效性以及靈活的偵查實(shí)力得到了充分的發(fā)揮，并且促進(jìn)了四旋翼飛行器的軍事應(yīng)用和裝備技術(shù)等相關(guān)問題的探討和發(fā)展。在本世紀(jì)的陸地斗爭(zhēng)、海洋斗爭(zhēng)甚至是空中的斗爭(zhēng)，都出現(xiàn)過很多無人駕駛的武器，它們自行進(jìn)行著軍事活動(dòng)。因?yàn)樗男盹w行器有著很多優(yōu)勢(shì)，其智能化的普及和低成本的特點(diǎn)也越來越受到消費(fèi)者的寵愛。除了最基本的供學(xué)習(xí)消遣的功能外，在拓展了很多外部設(shè)備，以及加入了一些限制算法后，四旋翼飛行器的優(yōu)勢(shì)則更加明顯了。四旋翼飛行器可以進(jìn)行各個(gè)方面的作業(yè)，如航拍功能、搜尋功能等等。隨著人工智能化的應(yīng)用與普及，智能機(jī)器人的運(yùn)用也漸入高潮，一些人工智能的設(shè)備普及以及新的信息技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)使得智能化普及于現(xiàn)代社會(huì)。四旋翼飛行器就是很好的體現(xiàn)。其具有以下特點(diǎn)：體積較小可以工作在很多狹小的空間中，如深井、巷道、洞窟、管道等。2)可以工作在惡劣的，危害人類健康和生命的環(huán)境中，從而最大限度地削減人員傷亡，四旋翼飛行器可以全天工作，無需休息，工作效率高。(3)支持配備高端的電子產(chǎn)品，多種外設(shè)相連接，如照相機(jī)、機(jī)械臂等，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。(4)機(jī)械簡潔，能夠避開困難的空氣動(dòng)力學(xué)問題。軍事上，無論直升機(jī)有多么先進(jìn)，在進(jìn)入戰(zhàn)局的時(shí)候，或多或少都會(huì)成為首要打擊目標(biāo)，假如僅僅是一些一般的偵察機(jī)，則可能受到敵方打擊而造成不必要的機(jī)體人員傷亡，因此，無人的四旋翼直升機(jī)則可以很好地起到替代作用。利用四旋翼飛行器作為偵察機(jī)，具有震顫小、噪聲小、牢靠性高、成本要求低、反偵察實(shí)力強(qiáng)、自我銷毀等優(yōu)勢(shì)。因此，四旋翼飛行器的軍事價(jià)值不行估量。在社會(huì)上，四旋翼飛行器的運(yùn)用也是多方面的，除了最基礎(chǔ)的供學(xué)習(xí)參考、消遣休閑的功能外，還具有實(shí)際意義的價(jià)值。比如，在拓展外部攝像頭的狀況下，可以實(shí)現(xiàn)地形地貌航拍功能，為地質(zhì)測(cè)量供應(yīng)數(shù)據(jù)支持；進(jìn)行野外探尋，高空找尋失散物；對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)航空拍攝，得到限制。在外拓一些溫濕度傳感器，大氣微粒傳感器等設(shè)備外，還可以對(duì)高空空氣質(zhì)量狀況供應(yīng)具體數(shù)據(jù)。同時(shí)，四旋翼飛行器還有著更為廣袤的前景有待開發(fā)?？梢酝ㄟ^飛行器的智能算法來實(shí)現(xiàn)人與飛機(jī)、飛機(jī)與飛機(jī)之間的互動(dòng)；可以通過飛行器的智能化管理實(shí)現(xiàn)飛行器幫助人進(jìn)行一些基本行為，比如幫人取物件，和人打乒乓球等等活動(dòng)。因此，從各個(gè)方面看，四旋翼飛行器的普及，可以大大降低成本，減小平安隱患，解放一些客觀因素的束縛。實(shí)現(xiàn)多方面的利益，因此其潛力很大。盡管四旋翼飛行器已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了運(yùn)用，但是總體而言依舊處于初步發(fā)展階段。四旋翼飛行器將機(jī)器人技術(shù)、電子信息技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)，限制算法等多門技術(shù)融為一體，具有很高的可開發(fā)性。本文進(jìn)一步對(duì)四旋翼的探討，在大幅提高其性能的同時(shí)，也大大推動(dòng)了四旋翼飛行器的發(fā)展。與傳統(tǒng)的人工作業(yè)比起，四旋翼飛行器在各個(gè)方面都有很大的現(xiàn)實(shí)效益，同時(shí)還能保證工作人員的生命財(cái)產(chǎn)平安。最大限度的利用工具創(chuàng)建更多的價(jià)值。從軍事角度來比較，無人四旋翼飛行器的運(yùn)用，可以使得傳統(tǒng)的偵察機(jī)效率大大提高。成本低、隱藏性強(qiáng)、平安、信息獲得實(shí)力強(qiáng)、保密性強(qiáng)。從工業(yè)作業(yè)作對(duì)比，工業(yè)的環(huán)境可以多種多樣，高溫、強(qiáng)輻射、高空、空間狹小、有毒等環(huán)境完全可以代替人完成其任務(wù)。甚至比人工完成的效率還要高，效率得到最大化。同時(shí)，假如發(fā)生森林火災(zāi)，或者是災(zāi)后搜尋，僅僅憑借人類勞動(dòng)力去搜尋，那將會(huì)是一個(gè)很大的工程，并且須要花費(fèi)很大的人力物力，同時(shí)時(shí)間將會(huì)很長，甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)過最佳救助時(shí)間，假如運(yùn)用四旋翼飛行器，在空中對(duì)災(zāi)難處進(jìn)行定點(diǎn)搜尋，然后縮小范圍搜尋，可以很好地探尋到所需的目標(biāo)，極大地提高了效率，并且成本較低。因此，四旋翼飛行器的探討生產(chǎn)是非常符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)的。探討發(fā)展四旋翼飛行器也具有巨大的現(xiàn)實(shí)效益。二、探討內(nèi)容：本設(shè)計(jì)主要通過單片機(jī)采集軸加速度傳感器和軸陀螺儀對(duì)飛行器的姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，限制四個(gè)微型高速無刷電機(jī)帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的室內(nèi)外飛行及地面行走，內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)建模、自動(dòng)限制理論、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。完成了四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型的建立，飛行限制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，軟硬件設(shè)計(jì)，限制算法。硬件：1．采納STM32單片機(jī)作為限制核心，負(fù)責(zé)限制各個(gè)傳感器獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行姿態(tài)擬合和限制參數(shù)的計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)無刷電機(jī)的有效限制；2．傳感器采納MPU6050傳感器模塊，包含三軸加速度傳感器，三軸陀螺儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲得；3．采納最大電流為30A的電調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；4．搭建飛行機(jī)整體機(jī)架。軟件：1．MPU6050傳感器模塊驅(qū)動(dòng)程序；2．姿態(tài)擬合程序；3．PID限制程序。本設(shè)計(jì)以四旋翼飛行器室內(nèi)飛行為探討重點(diǎn)，使得飛行器可以搭載攝像機(jī)進(jìn)行室內(nèi)多角度拍攝。三、擬采納的探討方法、手段及試驗(yàn)打算狀況四旋翼的動(dòng)力結(jié)果主要由電子調(diào)速器、直流無刷電機(jī)和螺旋槳構(gòu)成。模型分析主要涉及空氣動(dòng)力學(xué)、無刷電機(jī)模型和電子調(diào)速器硬件電路。實(shí)施方案：利用空氣動(dòng)力學(xué)建立螺旋槳轉(zhuǎn)速和拉升力之間的關(guān)系，在利用無刷電機(jī)模型和螺旋槳建立輸出波形和轉(zhuǎn)速的關(guān)系并最終得出PWM波和拉升力的干脆對(duì)應(yīng)關(guān)系。陀螺儀和加速度計(jì)的主要功能在于采集三個(gè)軸向上的角度和加速度，將采納卡爾曼濾波或滑動(dòng)均值濾波使獲得的數(shù)據(jù)盡可能的消退干擾，姿態(tài)角解算會(huì)采納互補(bǔ)濾波和卡爾曼濾波，通過試驗(yàn)對(duì)比兩種方法的優(yōu)劣性來確定最合適的方法。限制算法擬采納雙PID環(huán)算法或模糊限制。實(shí)施方案：做成實(shí)物之后，用兩種不同的限制算法編程，擬采納STM32微處理器。調(diào)試之后得出兩種不同算法的優(yōu)缺點(diǎn)以供參考。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)的采集，并且對(duì)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了滑動(dòng)均值濾波處理，通過互補(bǔ)濾波解算出了姿態(tài)角。四、進(jìn)度支配第3周：明確任務(wù)，進(jìn)行文獻(xiàn)檢索；第4-5周：學(xué)習(xí)“自動(dòng)限制原理”、“卡爾曼濾波”、等相關(guān)專業(yè)學(xué)問；第6-9周：學(xué)習(xí)STM32中IIC部分和互補(bǔ)濾波相關(guān)學(xué)問，了解MPU6050的功能及運(yùn)用方法，采集傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行姿態(tài)解算；第10周：撰寫開題報(bào)告；第11周：完善開題報(bào)告并打算開題答辯；第12-15周：運(yùn)用卡爾曼濾波對(duì)傳感器數(shù)據(jù)處理，將計(jì)算出的姿態(tài)角與互補(bǔ)濾波得到的姿態(tài)角對(duì)比，確定最終方案；第16-17周：探討過程限制與自動(dòng)限制原理，深化學(xué)習(xí)PID算法。第18周：組裝四旋翼飛行器基本框架；第19-20周：編寫遙控程序；第20-26周：編寫限制程序，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，以求實(shí)現(xiàn)飛行器基本飛行功能；第27-30周打算畢業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)文件、說明書及圖紙等；第31-32周：打算答辯，對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，弄懂各部分的原理及系統(tǒng)的工作原理，打算畢業(yè)答辯的發(fā)言稿。五、參考文獻(xiàn)[1]韓志鳳,李榮冰,劉建業(yè).小型四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化[J].限制工程,May，2013,Vol.20(S0):158-162[2]王小科.C#開發(fā)實(shí)戰(zhàn)寶典[M].北京,清華高校出版社,2010.[3]劉火良.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2013.[4]凌金福.四旋翼飛行器飛行限制算法的探討[D].江西,南昌高校,2013.[5]劉峰,呂強(qiáng),王國勝.四軸飛行器姿態(tài)限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與限制,2011.[6]張廣玉,張洪濤,李隆球.四旋翼微型飛行器設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工高校學(xué)報(bào),2012.[7]MianA,DaoboW.Modelingandbackstepping-basednonlinearcontrolstrategyfora6DOFquadrotorhelicopter[J].ChineseJournalofAeronautics,2008,21(3):261-268.[8]WrightRS,LipchakB.OpenGL超級(jí)寶典[M].北京,人民郵電出版社,2005.[9]喬維維.四旋翼飛行器飛行限制系統(tǒng)探討與仿真[D].山西,中北高校,20