毕业设计（论文）开题报告-四旋翼飞行器设计与控制（全套图纸三维）.doc

毕业设计开题报告 论文题目： 四旋翼飞行器设计与控制 论文(设计)题目四旋翼飞行器设计与控制四旋翼飞行器（全称：四桨非共轴多旋翼飞行器），是指由操作手进行控制的，由4个呈十字交叉型布局的螺旋桨进行驱动，以自动控制理论为基础进行控制的一种多旋翼飞行器，如图1所示。作为多旋翼飞行器的典型代表，其结构简单，灵活性较高，无论是在人类的日常生活中还是在国家的军事领域中，由于其功能可扩展性高，在多地点多领域中都发挥了很重要的作用，如在近地面可进行航拍摄像，在军事领域可进行目标侦查和搜索，在矿井下可进行瓦斯含量及矿井温度等数据的采集，在复杂地形中可进行地址勘探，在对人身体有害的环境中可进行货物的运输等等，由此可以看出，航拍四旋翼飞行器在诸多任务中可以降低任务本身的成本和保障人员的生命安全，具有极高的应用价值和较高的研究价值。早在2003年，作为美军未来作战系统(FCS,Future Combat Systems)的重要组成部分，美国国防部先进项目研究局(DARPA,Defense Advanced ResearchProjects Agency)开展了有关微型飞行器(lUAV,Micro Air Vehicle)的研究计划，其目的就是将微小型飞行器装备部队以使美军常规武器装备向小型化和信息化方向发展。微小型飞行器具有很强的隐身性能，能够完成对生物或者是化学武器战场以及有毒地区执行监测、侦察等非常规性任务,目前已在单兵探测、目标跟踪、定点爆破等方面取得了相当程度的进展。2005年10月，美国第25步兵师在代号为“明星-2005”的联合军事演习中首次展示了其XM156排级(Class I)微小型飞行器(又名Honeywell RQ-16T-Hawk)。该飞行器能够在市区等各类复杂的环境下进行盘旋和监视,在战术作战中广泛前景，如图1-6所示：图1-1 美军XM156排级(Class I)微小型飞行器近十年来国内外诸多高校、研究团体和商业机构也在非军事领域对以四旋翼飞行器为代表的多旋翼飞行器及其应用进行了大量密集的研究和探索，目前的研究也主要集中在微型四旋翼飞行器和小型四旋翼飞行器两方面，更加清晰地凸现了嵌入式技术在其中的应用。2003年，美国宇航局先进概念研宄所(NASAsInstitute for Advanced Concepts)与斯坦福大学(Stanford University)联合设计并制造了一架微型四旋翼飞行器(Mesicopter)，如图1-7所示：图1-2 美国宇航局研究的微型飞行器Mesicopter该飞行器使用直径为1.5厘米的三叶片螺旋桨，依靠四个内转子无刷电机进行驱动，每个螺旋桨可以产生700毫克的升力，因而足以将总重量为325毫克的机身和电池等推离地面。目前，针对该飞行器的微型螺旋桨、微型内转子无刷电机、微型飞行控制器的研究已经完成。2005年，斯坦福大学的Gabriel M. Hoffmann等人设计并制作了一架小型四旋翼飞行器(STARMAC)，如图1-8所示： 图1-3 斯坦福大学的设计一架小型四旋翼飞行器STARMACSTARMAC 的全称为 Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for Multi-AgentControl，使用了多达三个强大的处理器和操作系统控制，其中一片Pentium M(1.8GHz、IG RAM)处理器用于高级飞行控制，一片Intel PXA270 (400MHz64MB RAM)用于导航，一片Atmel Mega 128用于基本飞行控制。STARMAC是多传感器数据融合控制的典范，其飞行控制系统融合了包括惯性测量单元、GPS、红外距离传感器和超声波雷达等的多个传感器数据。2010年，法国Parrot公司在国际消费电子展(CES, International ConsumerElectronics Show)上推广了第一架可以由手机等多种智能设备控制的四旋翼飞行器(AR.Drone)，如图1-9所示。该飞行器的飞行控制系统使用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁阻传感器和气压传感器等,由嵌入式Linux操作系统控制，可以由iPhone、iPad、iPod Touch等运行iOS操作系统的智能设备和其他运行Android操作系统的智能设备控制，支持蓝牙和Wi-Fi等多种连接方式。AR.Drone在机身前方和机身下方分别内置了两枚摄像头，最高可录制高达480P的视频,视频画面会同步传送到手机或平板电脑上。由于嵌入式软/硬件的使用AR.Drone的飞行非常稳定，在飞行控制上也无需过多人工干预，只需倾斜或轻触手机或平板电脑等智能设备即可实现控制，即使控制连接突然断开，该飞行器也可以进入自动飞行状态,在保证飞行稳定的前提下实现自主安全降落。图1-4 智能控制的四轴飞行器AR.Drone使用了 S3C6440嵌入式微控制器和嵌入式Linux操作系统,成为嵌入式技术应用的经典范例。得益于嵌入式硬件和软件技术的迅猛发展，AR.Drone以极低的成本使四旋翼飞行器在消费电子领域获得了巨大的成功，使四旋翼飞行器第一次走进了人们的生活。截至2012年12月5 FJ. AR.Drone在我国大陆京东商城( )屮的售价仅为人民2399元。四旋翼飞行器的重要特性之一是多学科交叉性，主要交叉了机械设计、机械原理、自动控制技术、计算机科学技术、无线通讯技术、传感器技术等。在目前的众多产品中，这些技术都有所应用，但是技术应用的效果还是不尽人意，存在着许多问题，如在机械设计方面机构的可靠性和稳定性不够高，在无线通讯方面图像的传输容易失真，传感器方面加速度计和陀螺仪传感器所采集来的信号存在漂移，自动控制方面图像无线传输易失真、控制不稳定等问题，所以对于四旋翼飞行器的研究具有重要意义。 图1-5 四旋翼飞行器一、 主要内容和要求（不够可以另加页）：主要内容和要求主要包括三个部分：1） 机械系统的设计：a) 对四轴飞行器的机架进行设计与计算，使其满足尺寸、质量、体积等要求b) 电机的计算与选型，使其满足飞行动力要求c) 螺旋桨的计算与选型，使其满足升力要求2） 电控系统的设计： a） 传感器的选择与计算，使其能够对飞机的姿态（俯仰角、偏航角、高度等）进行测量b） 单片机的选择与最小系统的设计，主要考虑单片机的字长、时钟频率等，使其能够对传感器传来的数据进行快速并且有效地进行处理c） 电子调速器的计算与选择，使其能够满足对选定的电机型号能够有效并且高效地进行调速d） 电源稳压模块的设计与计算，使其能够满足电控系统各个部件对不同电源电压的要求e） 安全报警模块的设计与计算，使其在低电、电机故障或电路故障时能够主动进行报警f） 控制系统的动态设计与计算，使其提高飞行的动态稳定性3） 软件的设计： 用c语言编制一套可以使其稳定飞行的控制程序二、 设计方案或论文撰写提纲（不够可以另加页）：1） 总体设计方PID调速器电机螺旋桨调速器电机螺旋桨调速器电机螺旋桨调速器电机螺旋桨四旋翼飞行器机架陀螺仪、加速度计、磁力计遥控信号总体方案进一步细化说明：1） 机械系统部分a） 机架的设计与计算：i. 确定飞机的整体尺寸，大约直径为450ii. 确定飞机的总重量，大约1000giii. 确定飞机机架的材料为ABS塑料b） 螺旋桨的计算与选型根据所需升力的要求和电机的型号进行计算，然后查找螺旋桨手册，进行选型c） 电机的计算与选型i. 根据控制要求和实际情况，选直流无刷电机ii. 根据整个机体的质量、螺旋桨的型号、电源电压、所需的额定转速等参数，来选择电机的具体型号2） 电控系统部分a) 传感器的选择与计算i. 测量高度，选用高度计ii. 测量俯仰角和偏航角，选择陀螺仪和加速度计相互协调工作b) 单片机的选择和最小系统设计i. 根据系统所需要的处理速度与数据类型，选择单片机，可选32位的ARM架构的单片机ii. 根据所需要的时钟频率和扩展需求等要求设计其最小系统c) 电子调速器的计算与选择根据电机型号和所提供的电源电压进行选择d) 电源稳压模块的计算与设计i. 首选要能够输出多种电压，来满足系统中各芯片的额定电压的要求ii. 使其输出的电压稳定e) 安全报警模块的计算与设计i. 电池低电量提示ii. 电机故障提示iii. 电路故障提示f) 控制系统的动态设计i. 反馈电路的选择：选择负反馈ii. 数字控制器的选择：数字PID3） 软件部分设计i. 将传感器传入到单片机的数据进行处理，计算得到飞机飞行的姿态角ii. 将姿态角与系统的输入信号做比较，进行PID控制，得出纠正过的结果iii. 将纠正过的结果，进行解算，得到输出的4路pwm值2） 论文提纲第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义1.2 国内外的现状1.3 本论文所研究的内容和意义1.4 论文的组织结构第2章 相关原理和技术研究2.1 飞行器飞行原理2.2 自动控制的技术依据第3章 系统总体方案设计第4章 机械系统设计与实现4.1 机架的设计与计算4.2 电机的计算与选型4.3 螺旋桨的计算与选型4.4 其他零件的设计与选型第5章 电控系统设计与实现5.1 电控系统的总体方案的设计5.2 电控系统的硬件模块的设计5.3 电控系统的动态设计-PID第6章 软件设计与实现第7章 样机制作与调试机械图纸量规划图纸项目图纸尺寸装配图A0上机架部件图A1下支撑架部件图A1上机架臂零件图A3上机架上面板零件图A3上机架下面板零件图A3下支撑架支架零件图A3电控图纸量规划图纸项目图纸尺寸电路原理图A1PCB图A1四、设计进度安排：1) 4月10 完成完成总体方案的设计、2) 4月17 完成机架的设计与计算3) 4月21 完成电机与螺旋桨的计算与选型4) 4月30 完成传感器的计算与选型、电源模块和安全监测报警模块的设计5) 5月4 完成三维图的绘制6) 5月10 完成机械二维图的绘制7) 5月16 完成电路原理图和PCB的绘制8) 5月21完成程序的编写9) 6月1 实体的制作与调试五、主要参考文献（不少于20篇，其中英文至少3篇）：1. 聂博文，马宏绪，王剑等微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术J电光与控制，2007，第 14 卷，第 6 期：113117 页 2. 杨明志，王敏四旋翼微型飞行器控制系统设计J计算机测量与控制，2008，第 16 卷，第 4 期：485487 页，490 页 3. 张垚，鲜斌，殷强等基于 ARM 处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究J中国科学技术大学学报，2012，第 42 卷，第 9 期：753760 页 4. 岳基隆，张庆杰，朱华勇等.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析J.电光与控制, 2010，第 17 卷，第 10 期：4652 页 5. 刘晓杰，赵晓晖,，顾海军等微小型四旋翼无人机实时嵌入式控制系统设计与实现J电子技术应用，2009，第 35 卷，第 5 期：3538 页 6. 张广玉，张洪涛，李隆球等四旋翼微型飞行器设计J哈尔滨理工大学学报， 2012，第 17 卷，第 3 期：110114 页 7. 江杰,朱君,岂伟楠等.四旋翼无人飞行器姿态数据采集处理系统J计算机测量与控制，2012， 第 20 卷，第 6 期：17031706 页 8. 刘乾，孙志锋基于 ARM 的四旋翼无人飞行器控制系统J机电工程，2011，第 28 卷，第 10 期：12371240 页 9. 于雅莉，孙枫，王元昔等基于多传感器的四旋翼飞行器硬件电路设计J传感器与微系统， 2011，第 30 卷，第 8 期：113115 页，123 页 10. 杨力，张帆，张峰等四旋翼飞行器动力控制系统研究与设计J科学技术与工程， 2012，第 12 卷，第 24 期：60876090 页11. 王松月，杨福兴基于 ARM 920T 嵌入式通信控制系统设备驱动开发J电力自动化设备， 2006，第 26 卷，第 6 期：7578 页 12. 周文霞，胡志忠，肖前贵等基于 ARM 的某型无人机飞控计算机设计J计算机测量与控制， 2009，第 17 卷，第 7 期：12861288 页 13. 陈何杰，郑灵翔ARM Linux 中断系统移植研究J厦门大学学报（自然科学版），2010，第 49 卷，第 3 期：339343 页 14. 李明ARM Linux 的移植过程及分析J电子设计应用，2003，第 7 期：5557 页，69页15. 周敬琼，周凤星基于 ARM 的 Linux 网络设备驱动程序开发J计算机工程与设计， 2009，第 30 卷，第 22 期：51245127 页 16. 郑浩，徐国治ARM Linux 中断处理实时性能分析J计算机工程与应用， 2005，第 41卷，第 19 期：101104 页 17. 张欢庆，高丽，宋承祥等基于 ARM 的嵌入式 Linux 交叉编译环境的研究与实现J计算机与数字工程，2012，第 40 卷，第 2 期：151-153 页18. 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