巡航四轴飞行器-硬件设计开题报告

1、杭州电子科技大学毕业设计（论文）开题报告题目学院专业姓名班级学号指导教师巡航四轴飞行器-硬件设计自动化自动化邓毅1306281113061121余善恩一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.1选题的背景及意义无人驾驶E机(unmannedaerialvehicle)简称''无人机”，英文缩写为"UAV",是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机这几大类。与载人飞机相比，它具有体积小、结构简单、机械稳定性

2、好、成本低廉等优点，现在己经被广泛应用到航拍、遥感绘测、森林防火、电力巡线、搜索及救援、影视广告等工业及商业用途。同时，由于无人驾驶飞机对未来空战有着重要的意义，世界各主要军事国家都在加紧进行无人驾驶飞机的研制工作。当前世界上主流的无人机，基本分为两大类：固定翼飞行器和旋翼飞行器。由于飞行器系统有稳定和不稳定、驱动完整和不完整的区分，固定翼让人控制难度相对不高；多旋翼控制难度相对而言较高，需要自动控制器来控制飞行器的姿态。相比于自动控制器，固定翼的自动控制器较好做，多旋翼的自动控制器比较难做。雪上加霜的是飞行器自动控制器通常需要惯性导航系统获取自身的姿态2】，而在20世纪90年代以前，惯性导航

3、系统一般是十几公斤“铁疙瘩”。人们发现，不管是用油机还是电机作为动力系统，多旋翼飞行器都难以承受载荷。同时，固定翼已经足够当时实际环境使用，所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。随着时代发展,固定悬疑的缺点也越发明显。固定旋翼飞行器需要非常复杂的旋翼机械结构，这极大地增加了其设计制造难度和维护成本。在电子技术高度发达的今天，有必要设计一种新型飞行装置，依靠机载电子设备取代部分机械结构，在以不损失飞行器性能为前提下降低生产和维护成本。四旋翼飞行器卩】，乂称为四轴飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述，机械结构非常简单，动力系统只需要电机直接连桨就行,最初的一段时间主

4、要是学术研究人员研究四旋翼，并开发了专用的飞行控制系统体系。四轴飞行器可以自由地实现悬停和空间中的自由移动4】，具有很大的灵活性。此外，因为它结构简单，机械稳定性好，所以成本低廉、性价比很高。早期主要的应用是玩具、航模，以及航拍。到2012年左右，国际上普遍认为四轴飞行器的控制已经不再是学术研究问题，而是成熟的技术。学术研究的方向也转向了基于四轴飞行器做智能导航习或者多飞行器的编队控制。四轴飞行器的智能导航指的是利用机器视觉技术、人工智能技术让四轴飞行器能像人一样在复杂环境中活动。多飞行器的编队控制是指同时控制多个飞行器，或者让多个飞行器自主编队飞行。由此可见，四轴飞行器应用前景璀璨夺目。在过

5、去的儿十年中，国内外专家和学者都在积极开展有关四轴飞行器的研究，对飞行器也做了各方面的探索，在一定程度上取得了很大的进步，但在实际应用过程中，还存在一些尚未解决的难题，因此巡航四轴飞行器-硬件设计是一个相当困难而乂有很强理论意义的研究课题。1.2巡航四轴飞行器的国内外研究现状20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，儿克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器开始进入了攻克阶段。但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出來用，于是人们乂花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法，例如小波算法叫把來自陀螺仪的残差信号由不同尺度的双正交固定小波基

6、分解，证明小波变换在陀螺仪漂移信号的去噪中是可行的。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构：先给它建模,再设计控制算法，最终实现了现在主流的四旋翼姿态控制算法刃。1.2.1国外的研究现状2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器被制作出來。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹫，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Dronedo作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、

7、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出來了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。2012年2月，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是TED成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。1.2.2国内的研究现状我国虽起步相对较晚，但却后來者居上近儿年，商业四轴飞行器的发展在国内也相当迅速。如大

8、疆公司的phantom系列、筋斗云系列以及北京天途航空技术发展有限公司的M系列多旋翼飞行器占领了大部分国内市场。作为全球顶尖的无人机飞行平台和影像系统自主研发和制造商，DJI大疆创新始终以领先的技术和尖端的产品为发展核心。从最早的商用飞行控制系统起步，逐步研发推出FACE系列直升机飞控系统、多旋翼飞控系统、筋斗云系列专业级飞行平台S1000、S900、多旋翼一体机Phantom.Ronin三轴手持云台系统等产品。大疆的领先技术和产品已被广泛应用到航拍、遥感绘测、森林防火、电力巡线、搜索及救援、影视广告等工业及商业用途，同时亦成为全球众多航模航拍爱好者的最佳选择。大疆将结合自身的积累和优势，不断

9、开发创新技术，为用户设计和创造更多更卓越的产品和服务。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：本设计重点是硬件系统整体框架的构建，包括各模块方案选择与论证。本系统模块主要由电机模块、姿态传感器模块、高度传感器模块、室内定位模块、电源模块和简易示高装置组成。本巡航四轴飞行器具体由数据釆集、数据信号处理、飞行姿态和航向控制部分组成。选用STM32单片机作为飞行器姿态控制板，瑞萨R5F100LEA开发板用于数据处理和导航。主要由角度传感器、加速度传感器、气压计、超声波模块、摄像头0V7620模块组成，通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的飞行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分

10、为两个PID控制回路I%即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，并不断地进行调整以此保证飞行器能达到所需的要求。由于巡航四轴飞行器可以在无人操控的情况下在空中完成复杂的飞行任务和各种载重、空投任务，对芯片的各项参数和整体解决方案要求极高。2.1主要研究内容有：（1）图像釆集电路：作为四轴飞行器的寻迹、定点、悬停的数据和理论实物基础。（2）电机驱动电路：四轴飞行器的动力提供源泉，保证无刷电机的正常转动。（3）姿态检测电路：飞行器的各项飞行数据状态获取通道，以确保姿态平稳。（4）电源管理电路：为整个系统的正常运转提供电力保护。（5）以上各模块综合连接

11、电路等2.2主要拟解决以下问题：（1）摄像头釆集电路的设计（2）电机驱动电路方案的选择与设计（3）姿态传感器的方案选择与设计（4）电源模块噪声干扰和效率，数字地与模拟地的隔离（5）主控芯片的选择、后期随着数据增加导致超过芯片本身固有的最大处理速率、预留各项功能扩展口和各模块综合调试出现的硬件问题。三、研究步骤、方法及措施3.1研究步骤1）阅读与课题相关的参考文献，了解相关知识;2）对研究课题提出总体方案和解决方法；3）分各模块之间的关系，提出解决的方案；4）搭建硬件平台；5）组合各模块进行具体调试；6）分析调试结果，进行总结并完善。33.2研究方法和措施3.2.1图像采集方案论证自主研发0V7

12、620摄像头识别模块，0V7620是一款CMOS摄像头器件，是一款彩色CMOS型图像釆集集成芯片，提供高性能的单一小体积封装，该器件分辨率可以达到640X480,传输速率可以达到30帧。用该摄像头开发图像识别算法，识别圆和直线等，效率高，成本低廉，开发难度相对较小，灵活度好，满足要求。3.2.2电机控制电路的选择四轴飞行器是通过控制四个不同无刷直流电机的转速，达到控制四旋翼无人飞行器的飞行姿态和位置。在电机的选型上，主要有直流有刷电机和直流无刷电机两种。无刷较好地解决了直流有刷电机非接触式的电子换向导致电刷磨损的缺点，并且启动转矩大、启动电流小、过载转矩大，效率高，因此增强了电机的可靠性。现在

13、电调技术发展的非常成熟，我们采用电调来控制电机。电调全称电子调速器,电调具有以下优点：接线简单，转换功率高，使用寿命长，对不同的控制信号变化敏感，安全性高等特点。3.2.3姿态检测选择与论证十轴传感器模块（包括MPU6050、HMC588.MS5611三个芯片）,整合了三轴加速度器、三轴陀螺仪、三轴地磁和气压计。带來10维的测量空间，它们彼此串联在一起，这样在工作时能够补偿彼此的缺陷，支持IIC和串口总线通讯方式，其内置16位的AD转换器，其加速度和角速度测量范围可编程.并且电源完全兼容3-5V系统,含IIC电路。同时在使用算法滤波时提供了一个清晰的方向，价格相对便宜。3.2.4系统电源选择系

14、统由TPS54229E稳压芯片降压供电，其他外设由电子调速器输出端5V供电。这样就避免了资源的浪费。四、研究工作进度:序号时间内容12016.12.20任务下达22016.12.20-2017.1.5任务相关资料查阅i32017.1.6-207.3.6任务方案初步确定及设计5142017.3.7开题报告会52017.3.8-2017.4.13文献综述、外文翻译、及前期方案设计62017.4.14中期检查72017.4.15-2017.5.20毕业设计本体设计、实现及测试，材料撰写1111i8111112017.5.21-2017.5.31毕业设计完善、论文等过程材料撰写，查重i等192017.

15、6.1-2017.6.6答辩报告会102017.6.7-2017.6.15材料整改五、主要参考文献：LlJPaulGerinFahlstrom,ThomasJamesGleason,法尔斯特伦，等.无人机系统导论Ml.国防工业出版社，2015.2 BrittingKR.InertialNavigationSystemAnalysisJ.Avionics,1971.3 AshleyS.Palm-SizeSpyPlanesJ.1998.11(3):74-78.孙骅.基于GPS与AHRS的四轴飞行器悬停算法研究J.机械科学与技术,2013,32.5 曹云峰，王柳文.微型飞行器控制与导航系统研究J.航

16、空电子技术,2002,33(1):31-35.6 朱战霞，郑莉莉.无人机编队飞行控制器设计J.飞行力学,2007,25(4):22-24.7 王立鼎，刘冲.微机电系统科学与技术发展趋势J.大连理工大学学报,2000,40(5):505-508.8 JiXS,WangSR.ApplicationofthewavelettransformationintheMEMSgyroscopede-noiseJ.ChineseJournalofSensors&Actuators,2006,19(1):150-152.9 邓矛.关于四轴飞行器的姿态动力学建模J.科技创新导报,2012(9):256-256.10 BristeauPJ,CallouF,VissiereD,etal.TheNavigationandControltechnologyinsidetheAR.DronemicroUAVJ.IFACProceedingsVolumes,2011,44(1):1477-1484.lljLiuXJ,ZhaoXH,SanchezA,etal.DesignandimplementationofanembeddedcontrolsystemforsmallUnmannedAerialVehicles:Applicationtoafour-rotorminirotorcraf