四旋翼飞行器开题报告

1、华北理工大学本科生毕业设计开题报告题目：基于STM32的小型陆空两栖四旋翼飞行器设计学院：_XXX专业：XXX班级：XXX姓名：XXX学号：XXX2015年 11月 28日一、题目来源背景(现状、前景)在当下的信息化战争中，低投入、高精度成为了信息化战争的重要指标。无人 机的普及，对现代化信息战争有着许多无可比拟的优势。在几次局部战争中，无人 机都得以应用。四旋翼飞行器的准确度、高效性以及灵便的侦查能力得到了充分的 发挥，并且促进了四旋翼飞行器的军事应用和装备技术等相关问题的研究和发展。 在本世纪的陆地战争、海洋战争甚至是空中的战争，都出现过许多无人驾驶的武器， 它们自行进行着军事活动。因为四

2、旋翼飞行器有着许多优势，其智能化的普及和低成本的特点也越来越受 到消费者的喜爱。除了最基本的供学习娱乐的功能外，在拓展了许多外部设备，以 及加入了一些控制算法后，四旋翼飞行器的优势则更加明显了。四旋翼飞行器可以 进行各个方面的作业，如航拍功能、搜索功能等等。随着人工智能化的应用与普及，智能机器人的使用也渐入高潮，一些人工智能 的设备普及以及新的信息技术功能的实现使得智能化普及于现代社会。四旋翼飞行器就是很好的体现。其具有以下特点：体积较小可以工作在许多狭小的空间中，如深井、巷道、洞穴、管道等。2)可以工作在恶劣的，危害人类健康和生命的环境中，从而最大限度地减少 人员伤亡，四旋翼飞行器可以全天工

3、作，无需休息，工作效率高。支持配备高端的电子产品，多种外设相连接，如照相机、机械臂等，可以实 现多种功能。机械简单，能够避免复杂的空气动力学问题。军事上，无论直升机有多么先进，在进入战局的时候，或多或少都会成为首要 打击目标，如果仅仅是一些普通的侦察机，则可能受到敌方打击而造成不必要的机 体人员伤亡，因此，无人的四旋翼直升机则可以很好地起到替代作用。利用四旋翼 飞行器作为侦察机，具有震颤小、噪声小、可靠性高、成本要求低、反侦察能力强、 自我销毁等优势。因此，四旋翼飞行器的军事价值不可估量。在社会上，四旋翼飞行器的运用也是多方面的，除了最基础的供学习参考、娱 乐休闲的功能外，还具有实际意义的价值

4、。比如，在拓展外部摄像头的情况下，可 以实现地形地貌航拍功能，为地质测量提供数据支持；进行野外探寻，高空寻找失 散物；对森林火灾进行现场航空拍摄，得到控制。在外拓一些温湿度传感器，大气 微粒传感器等设备外，还可以对高空空气质量状况提供详细数据。同时，四旋翼飞行器还有着更为广阔的前景有待开发。可以通过飞行器的智能 算法来实现人与飞机、飞机与飞机之间的互动；可以通过飞行器的智能化管理实现 飞行器帮助人进行一些基本行为，比如帮人取物件，和人打乒乓球等等活动。因此， 从各个方面看，四旋翼飞行器的普及，可以大大降低成本，减小安全隐患，解放一 些客观因素的束缚。实现多方面的利益，因此其潜力很大。尽管四旋翼

5、飞行器已经在许多领域得到了运用，但是总体而言依然处于初步发 展阶段。四旋翼飞行器将机器人技术、电子信息技术、通信技术、信号处理技术、 视频图像处理技术，控制算法等多门技术融为一体，具有很高的可开发性。本文进 一步对四旋翼的研究，在大幅提高其性能的同时，也大大推动了四旋翼飞行器的发 展。与传统的人工作业比起，四旋翼飞行器在各个方面都有很大的现实效益，同时 还能保证工作人员的生命财产安全。最大限度的利用工具创造更多的价值。从军事 角度来比较，无人四旋翼飞行器的运用，可以使得传统的侦察机效率大大提高。成 本低、隐蔽性强、安全、信息获取能力强、保密性强。从工业作业作对比，工业的 环境可以多种多样，高温

6、、强辐射、高空、空间狭小、有毒等环境完全可以代替人 完成其任务。甚至比人工完成的效率还要高，效率得到最大化。同时，如果发生森 林火灾，或者是灾后搜索，仅仅凭借人类劳动力去搜索，那将会是一个很大的工程， 并且需要花费很大的人力物力，同时时间将会很长，甚至会导致错过最佳救助时间， 如果使用四旋翼飞行器，在空中对灾害处进行定点搜索，然后缩小范围搜索，可以 很好地探寻到所需的目标，极大地提高了效率，并且成本较低。因此，四旋翼飞行器的研究生产是十分符合当今社会发展的趋势的。研究发展 四旋翼飞行器也具有巨大的现实效益。二、研究内容：本设计主要通过单片机采集轴加速度传感器和轴陀螺仪对飞行器的姿态进行检 测，

7、控制四个微型高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器的室内外飞行及地面行 走，内容涉及数学建模、自动控制理论、无刷电机驱动、传感器技术等学科领域。 完成了四旋翼飞行器数学模型的建立，飞行控制系统的总体方案设计，软硬件设计， 控制算法。硬件：采用STM32单片机作为控制核心，负责控制各个传感器获取姿态数据，并进 行姿态拟合和控制参数的计算，最终实现对四个无刷电机的有效控制；传感器采用MPU6050传感器模块，包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪，实 现对飞行器姿态数据的获取；采用最大电流为30A的电调实现对无刷电机的驱动；搭建飞行机整体机架。软件：MPU6050传感器模块驱动程序；姿态拟合程序；PID控

8、制程序。本设计以四旋翼飞行器室内飞行为研究重点，使得飞行器可以搭载摄像机进行 室内多角度拍摄。三、拟采用的研究方法、手段及实验准备情况四旋翼的动力结果主要由电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨构成。模型分析 主要涉及空气动力学、无刷电机模型和电子调速器硬件电路。实施方案：利用空气 动力学建立螺旋桨转速和拉升力之间的关系，在利用无刷电机模型和螺旋桨建立输 出波形和转速的关系并最终得出PWM波和拉升力的直接对应关系。陀螺仪和加速度计的主要功能在于采集三个轴向上的角度和加速度，将采用卡 尔曼滤波或滑动均值滤波使获得的数据尽可能的消除干扰，姿态角解算会采用互补 滤波和卡尔曼滤波，通过实验对比两种方法的优劣

9、性来确定最合适的方法。控制算法拟采用双PID环算法或模糊控制。实施方案：做成实物之后，用两种 不同的控制算法编程，拟采用STM32微处理器。调试之后得出两种不同算法的优缺 点以供参考。目前，已经实现对陀螺仪和加速度计数据的采集，并且对加速度计的数据进行 了滑动均值滤波处理，通过互补滤波解算出了姿态角。四、进度安排第3周：明确任务，进行文献检索；第4-5周：学习“自动控制原理”、“卡尔曼滤波”、等相关专业知识；第6-9周：学习STM32中IIC部分和互补滤波相关知识，了解MPU6050的功能 及使用方法，采集传感器数据，进行姿态解算；第10周：撰写开题报告；第11周：完善开题报告并准备开题答辩；

10、第12-15周：使用卡尔曼滤波对传感器数据处理，将计算出的姿态角与互补滤 波得到的姿态角对比，确定最终方案；第16-17周：研究过程控制与自动控制原理，深入学习PID算法。第18周：组装四旋翼飞行器基本框架；第19-20周：编写遥控程序；第20-26周：编写控制程序，调节各项参数，以求实现飞行器基本飞行功能；第27-30周 准备毕业设计技术文件、说明书及图纸等；第31-32周：准备答辩，对设计内容进行总结，弄懂各部分的原理及系统的工 作原理，准备毕业答辩的发言稿。五、参考文献韩志凤，李荣冰，刘建业.小型四旋翼飞行器动力学模型优化J.控 制工程,May，2013,Vol. 20(S0):158-

11、162王小科.C#开发实战宝典M.北京，清华大学出版社,2010.刘火良.STM32库开发实战指南M.北京，机械工业出版社,2013.凌金福.四旋翼飞行器飞行控制算法的研究D.江西，南昌大学,2013.刘峰，吕强,王国胜.四轴飞行器姿态控制系统设计J.计算机测量与控 制,2011.张广玉，张洪涛,李隆球.四旋翼微型飞行器设计J.哈尔滨理工大学学 报，2012.Mian A, Daobo W. Modeling and backstepping-based nonlinear control strategy for a 6 DOF quadrotor helicopterJ. Chinese Journal of Aeronautics, 2008, 21(3): 261-268.Wright RS, Lipchak B. OpenGL超级宝典M.北京，人民邮电出版社,2005.乔维维.四旋翼飞