四旋翼飞行立项申请书

1、项目等级项目批准号重点一般衡水学院大学生科技创新活动项目申请书（ 2013年度）项目名称： 四旋翼飞行器申 请 人：所在系： 物理与电子信息工程系专业年级： 12 级电子信息工程联系电话：指导教师 : 职称申报日期： 2013 年 03 月 25 日成果类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作 A 类科技发明制作 B 类衡水学院大学生科技创新活动项目办公室填表说明一、 填写立项申请书前，请先咨询指导教师或有关专业教师。申请书的各项内容要求实 事求是，逐条认真填写，表达明确、严谨。二 、申请书一律要求用 A4 纸的打印稿件，于左侧装订成册。一式两份，由指导教师和

2、所在系审查并签署意见后报送大学生学术科技创新活动项目办公室。三 、“项目等级”“项目批准号”不填，由学院统一填写。 四、“项目组成员”原则上不超过 5 人。五、如表格不够，可以加附页。一、简表项目简况项目名称神奇的磁悬浮申请经费3500元起止年月至自 22001143 年年 0044 月月类别个人项目 集体项目申请等级重点项目一般项目申请者（集体项目代表）情况姓名张智性别男年龄22 电话别电子信息工程年级10 级专业电子信息工程项 目 组 成 员姓名性 别出生年月年级专业 班级所在系上学年综 合测评分项目中的 分工男级电信电子信息工程男级电信电子信息工程男级电信电子信

3、息工程指导教师情况姓名性男 别男学位 本科职称讲师研究方向电子设计授课名称电路、模拟电子技术、数字电子技术、电子实验等课题论证 （项目研究的目的、意义、用途、国内外现状、水平与发展趋势、本项 目的特色与创新之处）目的: 第一：从汶川地震开始，我们关注到，在许多地区发生灾害以后，各种通讯设备无 法使用导致与外界的交流阻断， 同时受灾地区交通阻塞，救援队伍无法进入勘察受灾状 况。于是，我们想到使用小型的遥控航模可以附带上实施航拍以及GPS导航功能，快速及时地反映那些对外交流困难的受灾地区的受灾情况，从而更有利于救援行动的开展。第二：现代交通业的迅速发展和膨胀导致了公路拥堵现象越发严重。尤其是经历了

4、2012 年十一假期个全国性交通堵塞， 我们深感及时的了解前方路况让车辆分流有多么重 要。并且，现在的城市道路上都已经装上摄像头，这些设备可以协助交通部门管理城市 道路。但高速公路上缺少这样的设备。并且高速公路路况可能变化很快，这更需要某种 机制可以帮助疏导车流。 所以，我们设想，与交通部门取得联系， 在我们完成航模之后， 借用交通部门高速公路上的网络端口， 将拍摄的图像实时传输回来，以保证车辆的快速 通过。第三：四旋翼飞行器是微型飞行器的其中一种，也是一种智能机器人。是最初是由 航空模型爱好者自制成功， 后来很多自动化厂商发现它可以用于多种用途而积极参于研 制。它利用有四个旋翼作为飞行引擎来

5、进行空中飞行，它的尺寸较小、重量较轻、适合 携带和使用的无人驾驶飞行器一样能够携带一定的任务载荷，具备自主导航飞行能力。 在复杂、危险的环境下完成特定的飞行任务。用途和意义 ：将来可以应用于军事上在复杂、危险的环境下完成特定的飞行任务。 也能用于救援，另外可以航拍探索记录等。国内外现状 ：国外的四旋翼飞行器能在钢琴上方悬停，在黑白键中定位，弹出钢琴 曲。可作出许多高难度动作，上百个四旋翼飞行器编队飞行，在这方面领先中国很多。创新之处： 运用了四个旋翼作为动力更为稳定，比单旋翼直升机要零活速度快，还 可以急速上升下降，给搜救，军事，航拍人员提供了方便。衡水学院还没有人做过飞行 器，所以我们要努力

6、做好。三、技术可行性分析和研究工作准备情况技术可行性分析： 经过调查，我们发现，四旋翼飞行器飞机的稳定性和可控制性都比较好，我们不涉 足机械，只需要写飞行控制软件，从而让她实现自主的飞行平衡。四旋翼飞行器原理不复杂， 四个桨构成一个旋翼平面，靠飞控板控制每个动力组的 输出，来控制旋翼平面的倾斜，靠升力的分力来改变飞行方向。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源， 旋翼对称分布在机体的前后左 右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼轴距几何中心的距离相等，旋翼 1 和旋翼 3 逆时针旋转，旋翼 2 和旋翼 4 顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的 支架端，支架中间空间安放飞行控

7、制计算机和外部设备。当对角两个旋翼产生的升力相同时能够保证力矩的平衡 , 四旋翼不会向任何一个 方向倾转 ; 而四个电机一对正转 , 一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡 , 保证了四旋翼飞行器的航向的稳定。四个电机的转速做相应的变化即可实现四旋翼飞行器在横向、纵向、 竖直方向和偏 航方向上的运动：四个桨产生的推力 , 超过或者低于四旋翼飞行器本身重力的时候能够实现竖直方 向上升与下降的运动 , 当桨的升力与四旋翼飞行器本身的重力相等的时候即实现悬停当四旋翼飞行器需要向前方运动时 , 2,4 号电机保持转速不变 , 3 号电机转速下降 , 1 号电机转速上升 , 此时 1 号电机产生

8、的升力大于 3 号电机的升力 , 四旋翼飞行器就会 沿几何中心向前倾转 , 桨叶升力沿纵向的分力驱动四旋翼飞行器向前运动。当四旋翼飞行器要转向左转向时 , 1,3 号电机转速上升 , 2,4 号电机转速下降 , 使 向左的反扭距大于向右的反扭矩 , 四旋翼飞行器在反扭距的作用下向左旋转 . 右转同 理。四旋翼飞行器名词解释通道 ： 通道就是可以遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四旋翼飞行器 上下飞，那么就是 1 个通道。但四旋翼飞行器在控制过程中需要控制的动作路数有：上 下、左右、前后、旋转。所以四旋翼飞行器最低得 4 通道遥控器。要实现航拍功能则就 需要更多通道的遥控器。飞控： 四旋翼

9、飞行器相对于常规航模来说，最最复杂的就是电子部分了。之所以 能飞行得很稳定，全靠电子控制部分 对四旋翼飞行器飞行状态进行快速调整 。在常规 固定翼飞机上，陀螺仪并非常用器件，在相对操控难度大点的直机上，如果不做自动稳 定系统，也只是锁尾才用到陀螺仪。四旋翼飞行器与其不同的地方是必须配备陀螺仪， 这是最基本要求，不然无法飞行，更谈不上飞稳了。不但要有，还得是3 轴向（X、Y、Z） 都得有，这是四旋翼飞行器的机械结构、动力组成特性决定的。在此基础上再辅以 3 轴加速度传感器，这 6 个自由度，就组成了飞行姿态稳定的基本部分，也是关键核心部 分- 惯性导航模块， 简称 IMU。飞行中的姿态感测全靠这

10、个 IMU了，可见它是整架模型 的核心部件 。电调： 电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的 转速。四旋翼飞行器四个桨转动时的离心力是分散的。 不象直机的桨，只有一个能产生集中的 离心力形成陀螺性质的惯性离心力， 保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常用到的舵 机控制信号更新频率很低。 四旋翼飞行器为了能够快速反应，以应对姿态变化引起的飘 移，需要高反应速度的电调，常规 PPM电调的更新速度只有 50Hz 左右，满足不了这种 控制所需要的速度， 且 PPM电调 MCU内置 PID 稳速控制， 能对常规航模提供顺滑的转速 变化特性，用在四旋翼飞行器上就不合适了， 四旋翼飞

11、行器需要的是快速反应的电机转 速变化。用高速专用电调， IIC 总线接口传送控制信号，可达到每秒几百上千次的电机 转速变化，在四旋翼飞行器飞行时，姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击， 依旧安然无恙。无刷电机 ： 电机分为有刷电机和无刷电机， 无刷是四旋翼飞行器的主流。 它力气大， 耐用。正反桨： 四旋翼飞行器飞行为了抵消螺旋桨的自旋， 相隔的桨旋转方向是不一样 的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋 转的是反浆。锂电池： 同样电池容量锂电最轻，起飞效率最高。平衡充电： 如 3s 电池，内部是 3 个锂电池，因为制造工艺原因，没办法保证每个 电池完全

12、一致，充电放电特性都有差异，电池串联的情况下，就容易照常某些放电过度 或充电过度，充电不饱满等，所以解决办法是分别对内部单节电池充电。四、预期成果 （ 成果应用前景或预期达到的目的） 我们预期能通过改装和程序控制，使得四旋翼飞行器飞机的四个螺旋桨方向都能 成为机首，以实现六通道甚至直接斜上斜下的飞行功能，达到尽量准确快速勘察情况 的目的。同时，考虑到载重的限制，我们首先会选择大小适合的机型，使得其载重能够达 到要求，比如能承载达到功率要求的无线传输设备。另外为了使航模能飞行并且较为 平稳，我们会选择轻质的设备，尽量减小其载重。五、项目进度安排 （起止时间、年进度、结题时间）2013.042013.06进行资料收集分析2013.072013.10进行实验电路设计2013.112013.12进行软件程序编写2014.012014.04进行试验产品优化六、结题方式实验作品展示七、经费预算预算支出经费项目申请经费及年度计划四旋翼飞行器机架 300 元 飞控板 280 元 无刷电机 4*100=400 电调 4*98=392 正反桨 4*30=120 元 锂电池 180*2=360 元 12V60A开关电源 150