自主创新基金项目申请书

武汉理工大学2016年1月受理部门研究生院项目编号武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类，2016版）项目类型：研究生创新研究项目项目子类：研究生自由探索创新项目项目名称：基于STM32的自主导航式四旋翼飞行器设计申请人：联系电话：电子邮箱：所在单位：机电工程学院申请日期：2016年1月18日武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000002填写说明1、填写申请书前，请认真阅读《武汉理工大学自主创新研究基金管理办法（校科字〔2015〕1号）》。2、申请书各项内容要实事求是，逐条认真填写。请严格按照要求填写申请书，形式审查不合格的项目申请将被视为无效申请。3、本申请书包括五个部分：一、基本信息表（申请人信息、项目信息），二、项目组主要成员表，三、经费申请表，四、报告正文，五、签字盖章页。其中前三个部分的信息（简称申请信息）将进入学校数据库。4、本申请书（Word文档）中内嵌了程序脚本（宏），用于辅助申请人填写项目类型（子类）、前三部分以及项目编号，检查申请信息完整性并保护文档。填写申请书时，应先启用宏！1）点击此处的项目类型，选择项目类型和子类。2）点击第一、二部分表格左侧的按钮：申请人信息，项目信息，1至12以及次序，将弹出编辑窗口；请在编辑窗口中输入或选择。编辑窗口中带红色星号（*）的项为必填项；编辑窗口下方信息栏会实时给出填写提示或错误提醒。3）在第三部分（经费申请表）中，请填写预算经费及备注，经费将被自动汇总。5、第四部分（报告正文）可直接在本申请书中填写；建议在其它Word文档中撰写完后，复制到本申请书。6、点击尾页或此处的【检查与保护】，应用程序将自动检查申请信息的完整性和一致性，如有问题会提示更正。通过检查后，将以只读方式保护申请书并将其设置成适合打印与提交的样式。上交申请书前，应该先“检查与保护”。7、如需再编辑文档，包括更改前三部分的申请信息和第四部分的报告正文，请点击尾页或此处的【再编辑文档】。再编辑后需再次“检查与保护”。每次“检查与保护”后申请书会以新的文件名（版本号）保存。请勿重命名。旧版本可自行删除。8、点击申请书首页或此处的项目编号，可填写由学校指定的项目编号。上交的的申请书（正式版）中，一定要有项目编号。9、申请书为A4开本，于左侧装订成册，双面打印，一式三份。需向学校报送一份申请书原件（有关各方签字、签署意见并签章后，由学院统一报送）。其他两份申请书由所在单位及申请人个人留存备档。10、填报申请书的详细说明，可参考《自主创新基金项目申请书使用说明》。武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000003一、基本信息表申请人信息姓名性别男民族汉族出生年月身份证号研究生类别硕士研究生研究生学号1049721501201入学年月2015-09现就读专业机械工程主要研究方向先进制造工艺与设备现就读学院（中心、所）机电工程学院电话电子邮箱研究生导师姓名导师研究方向先进制造工艺与设备项目信息项目名称中文基于STM32的自主导航式四旋翼飞行器设计英文项目研究所属学科二级学科代码1二级学科代码2二级学科名称1二级学科名称2申请经费（万元）1.00起止年月2016-01至2016-08研究属性应用研究和开发研究关键词（分号分隔，最多五个）自主导航；PID控制；姿态解算；路径规划；避障中文摘要（限400字）四旋翼飞行器是一种小型的轻旋翼飞行器，其布局形式新颖，结构紧凑，具有良好的悬停能力和灵活的运动特性，使其在航拍、侦察、救灾、快递等许多领域都发挥着重要的作用，但因为其属于典型的欠驱动强耦合系统，因此飞行控制难度较大。本作品是基于STM32控制的，其各模块的程序设计均自主完成，在数据采集上主要采用了MPU6050模块、超声波传感器、气压计和电子罗盘；其中MPU6050集成了陀螺仪传感器和加速度传感器，用来采集飞行器的姿态角数据；在姿态解算上采用经典的欧拉法导出坐标转换矩阵，并运用四元数法进行姿态更新；通过PID控制器实现了自稳飞行、俯仰、翻滚和偏航等功能；采用气压计实现定高与自主悬停；通过安装上、下、左、右、前5个超声波传感器配合相关算法实现全方位避障功能；通过GIS、GPS、电子罗盘与相关软件实现飞行器定位导航功能，从而实现四旋翼飞行器的自主导航功能。武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000004拟参加学术实践活动信息名称全国研究生智慧城市技术与创意设计大赛主办方教育部学位与研究生教育发展中心届次第三届举办时间2016年8月27至29日武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000005二、项目主要成员表（注：项目主要成员不包含项目申请人）次序姓名出生年月性别身份证号现就读单位学习层次所学专业电话项目分工年参加月数签名123456789101112参与人数统计：总人数博士生数硕士生数本科生数说明：a)点击表格左上角“次序”按钮，可对项目主要成员次序进行调整。b)参与人数统计子表“总人数”需填写；其他项为零可不填。武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000006三、经费申请表预算科目申请经费（万元）年度预算经费（万元）备注（计算依据与说明）2016.032016.062016.092016.121.设备费0.002.材料费0.003.测试化验加工费0.004.差旅费0.005.会议费0.006.国际合作与交流费0.007.出版/文献/信息传播/知识产权事务费0.008.劳务费0.00总计0.000.000.000.00说明：年度经费预算只需填写不为零的项；如总计行未及时更新，请任选一项，按TAB键。武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000007四、报告正文（一）立项依据1.1项目的研究意义四旋翼无人机因其体积小、重量轻、结构简单、成本低、对起降要求低、机动性好等一系列特点，成为当今国内外最为大众化的飞行器之一。按照欧洲无人机系统协会的综合分类，无人机可根据其用途、最大起飞重量、最大飞行高度、巡航时间和飞行半径分为微型无人机、小型无人机、战术型无人机、战略型无人机和特殊任务型无人机。四旋翼无人机属于微小无人机的一种，因其拥有体积小、结构紧凑简单易于控制、机动性能出色、噪音低、隐蔽性和安全性好的特点，其中绝大多数机型拥有垂直起降和空中悬停功能，可以和各类中、大型无人机形成互补。军事上可用于战场侦察、敌情监视、情报获取、自杀式袭击和充当通信链节点。同时可用于公共安全事务、航空测绘、灾难救援等各类常规任务。我国近期的几次地震救灾过程中就使用了无人机对受灾区域进行航拍和监控，为决策机构进行救援工作的部署提供了支持；在澳大利亚的偏远地区，数以千计的矿主正在享受着航空勘测所带来的便利。可见，无人机可以执行许多复杂危险的任务而不造成巨大经济损失和人员伤亡。民用领域方面其可用于短距离运输、航空测绘、航拍等各类活动。因为四轴飞行器的小型化和灵活稳定的飞行性能又具有一定的载重能力和续航能力。美国知名在线购物网站亚马逊以及国内知名快递公司顺丰快递也于近期开始尝试使用小型无人机进行小范围内的货物投递，这将大大提高小件物品的投递效率。同时，还可以搭载拍摄云台和摄像设备，实现一定范围内的航空拍摄任务。比起传统的出动有人操控直升机或者固定翼飞机成本更为低廉而且安全便捷。目前几乎各种比赛赛事都有多轴飞行器执行航拍任务，是四轴飞行器应用最为广泛的民用领域应用之一。可见，无人机可以执行许多复杂危险的任务而不造成巨大经济损失和人员伤亡，在军事和民用领域都占有不可替代的位置，具有非常好的市场前景和开发价值。四旋翼飞行器具有四个控制输入量和六个状态输出量，因此是一个欠驱动系统。使用经典的建模方法难以准确描述系统模型，这给经典控制理论提出了巨大的挑战，也为控制科学领域带来新的研究课题。由于四旋翼飞行器带载能力有限，难以使用传统惯性传感器组成的导航系统，因此这也给基于微机电系统（MEMS）构成的微型导航系统的研究领域带来了发展机遇，同时，这对于如何使用低精度惯性测量装置实现导航功能也有很高的研究价值。近年来，随着机载硬件计算能力的提高和新型传感器的发展，越来越多的无人飞行器利用陀螺仪、加速度计和磁力计等获得姿态数据，使用四元数和欧拉角结合智能算法处理数据实现位姿估计；利用超声波、声纳、激光、红外、电磁和视觉传感器等采集四旋翼周围的信息，实现无人机的避障功能。计算机技术的快速发展，解决了大量数据处理计算的难题。随着遥感通信等相关科学技术的发展，四旋翼无人机向着避障、自主导航的方向发展。本项目通过对四旋翼飞行器动力学原理分析，建立系统的动力学模型，进行整体系统的设计，旨在进一步提高四旋翼飞行器的飞行稳定性和良好的跟踪性能，实现悬停、避障和自主导航的功能，对未来无人飞行器的发展具有一定的现实意义。1.2项目的科学依据1.2.1四旋翼飞行原理四旋翼飞行器，顾名思义有四个旋翼，成十字交叉两对角布局，常见的控制飞行方式有“十”字型和“X”型两种；它通过改变四个螺旋桨的升力来获取不同的运动，主要方法是改变螺旋桨的转速。四旋翼有且仅有四个输入力，却需要产生六个自由度方向的运动，属于典型的欠驱动系统。而且四旋翼飞行器具有高度的耦合动特性，一个螺旋桨速度发生变化，将会引起整个系统的不稳定。武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000008四个旋翼提供升力，整个系统力学简图如图所示。特别是为保证系统水平力矩平衡，对角电机转向需相同，桨叶方向也需要相同；不同对角的两组电机需要完全相反。1.2.2四旋翼飞行控制四旋翼飞行控制主要包括飞行姿态解算与PID控制两部分，其中飞行姿态解算是对四旋翼的当前飞行状态进行计算和更新，PID控制的作用是精确控制飞行器姿态且具有较强抗干扰和环境自适应能力。四旋翼在飞行状态下的姿态时刻变化，对四旋翼进行控制时需要对四旋翼的姿态进行实时更新。四旋翼的当前状态一般由陀螺仪和加速度传感器分别测得的角速度和加速度融合计算而得，由当前状态更新到下一状态一般采用四元数更新算法。四元数更新算法有计算量小，计算速度快和实时性强等优点。四元数更新算法流程图如图4.6所示：四旋翼飞行器有效完成输送指令的指定动作需采用闭环控制。PID控制器是目前工程中应用最为广泛的控制器，它具有结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便等优点。PID控制器由偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）来对被控对象进行控制，是应用最为广泛的一种自动控制器。PID算法可定义为：0()()()+tPidDIetdetUtKetKdtKTTdt（）=该公式中包含比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制部分，其中PK、iK、dK分别为比图2.1四旋翼受力简图欧拉角（i）四元数（i）四元数（i+1）欧拉角（i+1）………….....循环更新陀螺仪输出角速度龙格-库塔法矩阵0qC转换公式图4.6四元数更新算法流程图武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（研究生类2016版）版本00000000009例常数、积分常数、微分常数。pK乘以误差et，用以消除当前误差；积分项系数iK乘以误差et的积分，用于消除历史误差积累，可以达到无差调节；微分项系数dK乘以误差et的微分，用于消除误差变化，也就是保证误差恒定不变。四旋翼控制系统的PID控制算法属于角度PID控制，以姿态欧拉角的期望值与计算值之差作为PID控制器的输入，每个电机的对应的PWM控制量都是三个PID控制器输出的叠加，叠加量的正负与电机位置相关。控制框图如图4.7所示。1.3国内外研究现状及趋势分析四旋翼是一种具有遥控、自动、半自主、全自主飞行能力的飞行器。四旋翼构造简单、成本低、机动性能好、环境适应能力强，并且可以携带各式各样的设备完成相应的任务。从上个世纪90年代开始，随着智能技术、微电子技术、数字通信技术、传感技术和虚拟现实技术等的蓬勃发展，一些原本存在于技术发