大学生科技创新项目立题申报书资料

1、申请编号兰州交通大学大学生科技创新项目立题申报书项 目名称 四轴飞行控制器的硬件运行检测仿真平台起止年限 委托单位承担单位课题负责人马清宗专家委员会负责人 兰州交通大学大学生科技创新工作领导小组2015年9月27日填表说明1. 填写申请书前，请先查阅兰州交通大学大学生科技创新基金管 理办法，申请书各项内容要实事求是，认真填写。2. 填写申报书时请用小四号宋体填写，外来语要同时用原文和中文 表达，第一次出现缩写词须注出全称。3. 申报书请用A4纸打印，于左侧装订成册，学院大学生科技创新工 作领导小组审核遴选后签署意见，统一汇总报送校大学生科技创新工作领导小组办公室426室，联系人：王斌；电话 4

2、957079。4. 本表一至七栏由课题组负责人填写，申请编号由校大学生科技创 新工作领导小组办公室填写。5. 科研业务费系指：1) 动力消耗/设备租用费2) 计算、测试、分析费3) 业务资料费4) 科研调研费5) 报告、论文印刷费6. 实验材料费：指科研用消耗性材料、试剂、药品等购置费，样品采集加工和运杂、包装费。7. 仪器设备费：指课题所特需的专用小型仪器或设备，学校实验室已有的不得购买。所购仪器设备形成学校固定资产。8. 本申报书可在校团委网页下载。 .c n/list.aspx?cid=2389. 为了环保节约，请双面打印。课 题 组 成 贝序 号姓名年级年

3、龄学历所在学院1马清宗2013 级22本科自动化与电气工程学院2邢科2013 级21本科自动化与电气工程学院3张建雄2013 级21本科自动化与电气工程学院4张山高2013 级23本科机电工程学院指 导 教 师序 号姓名职称年学历所在学院1旷文珍副教授37研究生自动化与电气工程学院2_李强讲师35研究生自动化与电气工程学院一.课题简介（主要研究内容、预期目标、成果形式）。（限300字以内）本课题是用STM32微控制器搭建的一个用于检测和评估飞控板运行状态的 平台。主要研究内容一个为三轴陀螺仪三轴加速度计（mpu6050传感器）数据模拟模块的建立，并且通过串口发送到 PC终端的上位机，以实时显示

4、当前平台所 处的状态，以达到对各种参数的实时观测；再一个为PC终端上位机的编写，所编写的上位机可以通过调节自身的参数，可以模拟各种复杂环境下四轴飞行器的 实际运行状态，并且将其实际飞行姿态以3D形式显示出来；最后一个为NRF24L01无线通信模块，通过此模块可以达到 PC终端上位机和检测平台之间 的实时通信。课题的预期目标是打造一款能够最真实检测和评估四轴飞行器的硬件平台， 成果形式为硬件平台的设计和实物的制做。二. 项目研究的内容（技术路线、需解决的关键问题及研究方法等）1、研究内容：（1）四轴飞行器的控制理论；（2）设计能实现本方案目标的硬件电路；（3）通过VC+编写针对硬件平台的上位机软

5、件；（4）控制程序代码的编写，包括硬件平台的各个模块的程序和飞控板固件 程序等；（5）测试以及最后的方案总结。2、方案总体设计硬件框图：针对方案设计的目标以及结合方案设计框图有：（1）通信模块包含有 NRF24L01、WIFI模块以及通用串口 RS232;（2）储存模块包含有SD卡用于储存拍摄的图像信息、EEPROM储存一些关键 信息防止掉电丢失；（3）传感器模拟模块最少包含有加速度计、陀螺仪以及电子罗盘，同时还可以 包含气压计传感器、温度传感器或者 GPS北斗等；（4） 遥控器接收机主要是为了与专业的遥控器配对，他可以实现1000米的距离 控制，这是 WIFI和NRF24L01都无法比拟的；

6、（5）由于本次设计的数据量比较大，同时对运算速率也有很苛刻，所以我们选 择的主控器MCU必须能够达到以上的要求，初步选择的主控器是 STM32F4系 列，他的主频是168MHZ，最高数据处理速率为210DMIPS、支持浮点运算、内 部最高可集成1MB的Flash、192KB的SRAM。（6）飞控监测模块是将管脚出来的 PWM利用解析算法分析之后传给无线收发 模块，以传输到PC终端上位机进行3D显示当前四轴飞行器运行的姿态。（6）PC终端上位机的作用是通过无线收发模式， 将硬件仿真平台传回来的数据 进行解析，并且通过设置上位机自身的参数（包括机架的大小、螺旋桨的大小、 电机的额定参数、电调的型号

7、和电池电量的变化等），将四轴飞行器的实际运行 状态（包括各个姿态角、气压的大小、所处的海拔高度、偏航角的大小和在空间 所处的大体位置等）以3D形式在上位机上直观的显示出来。3、方案总体设计软件结构图：软件部分可以分为六大部分，其中 STM32F4飞控板固件程序设计是最基本 的，也是整个方案是否能够完成的核心。其次就是移动控制终端的程序设计和 PC终端上位机的编写，可以通过移动终端向平台发送相关指令，同时也可以接 受平台发送过来的信息。4、项目的研究方案：本项目在研究过程中，遵循有简单到复杂，由认识到创新的循序渐进的原则； 将该项目分成以下几个模块，分阶段对各个模块进行研究。下面将该项目分成如

8、下几个模块，并对各个模块制定具体的方案如下：（1）平台PC终端上位机的编写：利用 VC+根据四轴飞行器的原理进行算法 模拟，将四轴飞行器的动力原理编写到平台的 PC端上位机中，并且通过 上位机上显示运行的各种参数。（2）对平台的结构设计：根据各个模块的功能和要求，确定出各个模块的电路 图，根据所需元器件搭建出硬件平台。（3）对平台的结构优化：根据各个模块的要求、参数、承载能力和功耗问题，利用工程优化知识对各个元器件和平台的总体结构进行分析，优化各个元器件及总体结构。（4）对平台进行系统联调：将设计好的平台系统用于实际，使其能够顺利的完 成各项测试。三. 项目意义（科学技术本身及社会、经济效益分

9、析）。1、研究的意义：随着科技的发展，四轴飞行器不仅在军事和民生的各个方面带来了很多的便 利，而且在大学生中也流行起来了，社会上也有很多的开源网站和论坛供大家一 起学习和讨论，但是这些论坛和网站都是需要有一定基础和水平人才能更加升入 的去学习，而对于小白来说，这些网站和平台都有一定的高度。而本项目所制作 的硬件平台刚好巧妙的避开了这一弊端，他不仅可以使开发人员减小研发周期， 降低一些不必要的经济支出，增强安全性，而且它面向许多的新手和小白，可以 让他们从零基础开始玩四轴飞行器， 在平台上调试自己的代码，对于很多新手和 小白有很大的帮助，让他们不再为一些底层的东西所困扰。 此平台最大的优点就 是

10、通过PC终端上位机以3D模型直观的显示四轴飞行器在各种复杂环境下的运 行姿态，很清楚的了解到四轴飞行器在运行时的各个参数，最大限度的避免用实物去直接调试。此平台面向广大航模爱好者，而对于有兴趣而有没有一定的基础 的人来说更是首选，具有较大的市场前景。四. 前期工作（国内外发展现状及发展趋势，本单位所具备条件，查阅资料及发表论文情况）。由于四轴飞行器的各种优势，在军事方面，它是重要的战术武器，可用于 巡视侦察、攻击目标、信息对抗、通信中断、反潜等多中场合。因此引起各国军 队的高度重视。在民用方面，可用于灾情探测和搜救灾情中的伤员、地质勘探， 航空自摄、气象探测、大气污染探测等场合。基于四轴飞行器

11、的优越性能和用途 广泛，使其有很大的研究空间和意义。正是在这种背景下，社会上诞生出了很多开源平台供大家一起学习和交流， 但是缺少一款用于调试程序的平台， 此平台就是应这种需求而诞生，不仅可以在 此平台学习如何制作四轴飞行器，如何调试自己的程序代码，也可以在此平台上 搭建自己的功能，是一款最直观最真实检测四轴飞器实际运行的平台， 从而为制 造四轴飞行器打下坚实的基础，从而成为广大航模爱好者的一个学习平台。 现从 本校现在所具备的的各种科技条件来看，此平台所需要的一些元器件和实验过程 所必须的仪器完全具备，所以完全有能力开发这一款仿真平台。根据所学课程模拟电子技术、数字电子技术、微机原理与接口技术

12、、 自动控制原理完成硬件电路的搭建，利用 C+语言和VC+编写PC终端上 位机，有利用C语言编写飞控板固件程序，从而完成该项目。五. 项目预期成果形式及技术指标。1、项目预期成果形成：提交报告，四轴飞行器硬件检测平台实物和上位机软件。2、技术指标：系统工作时，CPU通过IIC通信协议将模拟传感器 MPU6050的原始数据， 通过数字运动处理器(DMP : Digital Motion Process。)硬件加速引擎，向应用 端输出完整的6轴融合演算数据。经过 CPU程序算法的处理最终将输出四路 PWM波，通过NRF24L01无线模块将信息发送给 PC终端的上位机，PC终端又 通过各种解析算法和

13、自身的参数， 对所得到PWM波进行分析解算，模拟出飞控 中程序当前所执行的状态，并且以 3D模型在上位机上直观的显示出来。并且硬 件平台上装有通过摄像头，将采集的图像实时的无线模块传回到电脑，从而达到模拟航拍的功能。并且硬件平台上自带了2.4G的无线通信模块(NRF24L01模块)，通过无通信线模块不仅可以将硬件平台上的各中数据发送到PC终端，也可以通过PC终端发送指令，以达到对硬件平台实施远程无线操控。最主要的技 术指标在于飞控固件程序的编写和优化，还有 PC终端上微机的编写。六. 试验地点、课题进度安排。实验地点：自动化学院717 课题进度安排：课题研究工作分为五个阶段完成：第一阶段(20

14、15.10-2015.12):主要收集资料和理论知识的学习，具体包括 mpu6050的姿态解算和NRF24L01无线通信方式的学习，摄像头图像的采集矫正 和显示等。这一期间主要通过图书馆，网络，实际调研等途径搜集与整理相关资 料，并通过其他途径收集必要的实际数据，为项目的实施打下良好的基础。 对方案的可行性进一步论证，同时，跟指导老师进行多次的交流，进一步明确研究方 向与重点，从2016年1月来时进入项目的第二阶段。第二阶段(2016.01-2016.02):在学习的基础上，购买元器件，搭建各个模 块的硬件平台，并且编写各个模块的程序，并对每个模块进行修正，进一步的改 进，最后制作遥控器，对各个模块进行模拟仿真。第三阶段(：飞控板固件程序的编写和优化。第四阶段(2016.06-2016.08 : PC终端上位机的编写和自身参数的设定。第五阶段(2016.09-2016.10):对各个模块进行综合测试，寻找问题，修改 和改进模块，最后编写综合测试程序。最后提交报告，演示所制作的仿真平台。七. 经费预算(科研业务费、实验材料费、仪器设备费等)序号项目预算预算金额(元)1实验材料2400.02 图书资料费 600.0备注STM32系列核心板，液