四旋翼飞行器

武汉纺织大学2014届毕业设计论文1武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书课题名称：四旋翼飞行器的研究与设计完成期限：2014年3月1日至2014年6月6日院系名称电子与电子工程学院指导教师田裕康专业班级电气102指导教师职称讲师学生姓名喻威院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字武汉纺织大学2014届毕业设计论文2一、课题训练内容1.使学生进一步巩固和加深对基础理论、基本技能和专业知识的认识与掌握，使之系统化、综合化。2.培养学生综合运用基础知识和基本技能进行分析问题和解决实际问题的能力，将理论与实践结合。3.培养学生的设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、MicrosoftOffice、Cadence、AltiumDesigner、KeilMDK、QuartusII等专业软件应用和程序调试等基本实践能力，以及外文资料的阅读和翻译的基本技能，使学生初步掌握科学研究的基本方法。4.熟悉PCB制版的流程和方法.5.培养学生利用单片机进行应用系统开发的能力，掌握单片机最小系统设计的一般方法和步骤。熟悉和掌握复杂系统的调试方法以及系统设计，了解惯性导航知识、自动控制、无线遥测的相关理论。6.培养学生的学习能力和动手能力，以及与他们合作、交流的能力。7.使学生树立符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，培养严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。8.使学生获得从事科研工作的初步训练，培养学生独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养学生独立获取新知识的能力。武汉纺织大学2010届毕业设计（论文）二、设计（论文）任务和要求1、设计任务1)以ATmega2560为核心，设计一个MCU的最小系统，并在此基础上通过编写C程序进行系统的开发。2)能够实现SPI、IIC、UART总线上数据的接收和发送。3)试用上位机，对数据进行图形化的显示和分析。4)利用arduino软件，用C程序编写各功能模块。2、设计要求1)要求系统运行稳定可靠。2)能够实时读取SPI、IIC、UART总线上数据。武汉纺织大学2014届毕业设计论文33)完成飞行器姿态的解算。4)完成系统框图和详细原理图，并对各部分进行详细说明。5)设计要考虑经济性、实用性和可靠性。6)按《武汉纺织大学毕业设计（论文）格式模板》要求书写毕业设计报告。三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料1、主要设计参数1)读取各传感器数据2)解算出飞行器的当前姿态3)系统主频时钟：16MHz4)系统供电电压：11.1V、5V、3.3V5)功能扩展方便。2、主要参考资料[1]M.Bendjedia,Y.Ait-Amirat,B.Walther,DSPImplementationofRototPositionDetectionMethodforHybridStepperMotors,PowerElectronicsandMotionControlConference,2006.[2]C.A.Patel,S.K.Rao,ATestbedforMiniQuadrotorUnmannedAerialVehiclewithProtectiveShroudWichitaStateUniversity,Wichita,Kansas.[3]M.Bendjedia,Y.Ait-Amirat,B.Walther,DSPImplementationofRototPositionDetectionMethodforHybridStepperMotors,PowerElectronicsandMotionControlConference,2006.[4]LillyWhiteKirt,LeeDah-Jye,TIPPETTSBeau,Anembeddedvisionsystemforanunmannedfour-rotorhelicopter,ProceedingsofSPIE,theInternationalSocietyforOpticalEngineering.[5]ErykBrianNice,DesignofaFourRotorHoveringVehicle,AThesisinpartialfulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScience,CornellUniversity,May,2004.[6]RichardK.ArningandStefanSassen.FlightControlofMicroAerialVehicles.InAIAAGuidance,Navigation,andControlConferenceandExhibit,2004.[7]胡宇群，微型飞行器中的若干动力学问题研究，[博士学位论文]，南京航空航天大学，2002[8]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.[9]彭军桥.四旋翼蝶形飞行器[D];硕士学位论文,上海,上海大学,2001..[10]GPS700Ll/L2Antennas,NovAtelInc,2004.[11]CastilloP,DzulA,LozanoR.Real-TimeStabilizationandTrackingofaFour-RotorMiniRotorcraf,IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2004,12(4):510-516.[12]文治洪，胡文东，李晓京等.基于PL2303的USB的接口设计[J].电子设计工程，2010.武汉纺织大学2014届毕业设计论文4[13]黄旭,王常虹,伊国兴,等.利用磁力计及微机械加速计和陀螺仪的姿态估计扩展卡尔曼滤波器[J].中国惯性技术学报.2005.13(2):27-30,34.四、毕业设计（论文）进度表武汉纺织大学毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期2010.3.1-2010.3.5查阅资料，了解四旋翼飞行器的基本原理22010.3.6-2010.3.12确定方案，确定系统框图，进行可行性分析，进行方案改进。32010.3.13-2010.3.18完成开题报告。42010.3.19-2010.3.22确定设计中要用到芯片的型号52010.3.22-2010.3.31绘制电路原理图，进行分析，替换不易购买的元器件，改正错误，改进不足，完善设计方案，确定最终的原理图。62010.4.1-2010.4.7绘制PCB图，并对所绘PCB进行查错，确定无误后送去加工。72010.4.8-2010.4.18完成样板焊接及硬件检测。82010.4.19-2010.4.25搜集编程相关资料和工具。92010.4.26-2010.5.12编写和调试C程序。102010.5.13-2010.5.20系统的联调112010.5.21-2010.5.26完成撰写毕业论文所需工作，并制作PPT，准备答辩。注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照《武汉纺织大学毕业设计（论文）规范》执行。1武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称四旋翼飞行器的研究与设计院系名称电子与电气工程学院专业电气工程及其自动化班级电气102班学生姓名喻威一、课题研究的意义飞行器（UAV）是指自身具备动力装置、不需要人工操控、可预设飞行的的飞行器；它利用空气动力来抵消自身的重量，可以实现自主飞行或者遥控飞行；依据机翼类型可分为固定翼飞行器和旋翼飞行器。随着科学技术的不断提高，飞行器得到了迅速的发展，其在军事领域和民用方面都有着大量的应用，比如：应用于地面侦查、高空勘测、数据采集、通信中继、灾害救援等等，通过飞行器来完成上述的任务，不仅操作灵活，降低成本，还可以避免人员消耗。相对固定翼飞行器，旋翼飞行器的发展却较为缓慢，这是因为旋翼飞行器的控制较固定翼复杂，早期的技术水平无法实现飞行器的自主飞行控制；然而，旋翼飞行器却拥有其自身独特的优点：1）机械结构较为简单，只需协调旋翼电机的转速即可实现控制，飞行较为灵活；2）不受较大机翼的限制，能够应用于各种环境中；3）具备垂直起飞、自主起飞和降落的功能，系统高度智能，可以实现较多的飞行姿态，例如：垂直悬停、俯仰升降、偏航转向等等，且飞行器姿态保持能力较高。这些优势也就决定了旋翼飞行器在未来将有着更为广阔的应用前景。随着旋翼飞行器越来越受到人们的关注，研究方向也更深更广，其涉及到众多领域的高精尖技术，如空气动力学、自动控制、惯性导航、传感技术、遥感遥测等等；目前随着四旋翼飞行器设计任务的到来，为研究和设计超小型飞行器创造了条件。当前，四旋翼飞行器的研究还处在初级发展阶段。随着微、纳米科技的迅猛发展和微电子机械系统(MEMS)的蓬勃兴起，在不远的将来，四旋翼飞行器必定会走向实用化，但目前急需解决的关键技术和难点还很多，有些问题甚至在较长一段时间内都可能难以解决，只有用现有的技术尽最大可能地解决现有的问题，我们才能不断地走在科技发展的前列。2二、四旋翼飞行器的发展现状近年来，随着微电子机械系统(MEMS)、捷联式惯性导航技术、动力锂电池技术、现代控制理论的蓬勃兴起，配合高速的低功耗处理器，使得开发和研制四旋翼飞行器有了重大突破，特别是四旋翼飞行器潜在的应用前景和使用价值，使其在较短的时间内就吸引了许多研究者的注意，出现了较多的关于四旋翼飞行器的研究论文和开发项目。国外对四旋翼飞行器的研究主要集中在三个方面：自主飞行器系统控制方案、基于视觉的自主飞行控制和基于捷联式惯性导航的自主飞行控制。典型代表分别是：佐治亚理工大学的GTMARS、瑞士洛桑联邦科技学院的OS4和宾夕法尼亚大学的HMX4。GTMARS是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的CAD机系统，其动力子系统和飞行控制子系统的设计方案均在第17届美国直升机协会学生设计竞赛中获得第一名。它重20kg，旋翼半径0.92m，续航时间30min。折叠封装的GTMARS随四面体着陆器登陆火星后，能自动将机构展开；能自主起飞和降落，巡航速度可达72km/h；还能返回到着陆器补充能量。OS4是瑞士洛桑联邦科技学院开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。2004年，OS4I实现了基于多种控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode)的姿态增稳控制。2006年，OS4II已经实现了在室内环境中基于惯性导航的自主悬停控制。HMX4机体底部有五个彩色标记，地面摄像头跟踪并测量标记的位置和面积，从而获得飞行器的三个姿态角和位置。目前已经实现了基于视觉的自主悬停控制，使用的控制算法是Backstepping。最近研究人员又开发了于机载和地面双摄像头的视觉定位与定姿系统，进一步提高了测量的精度。目前，国内的四旋翼机正在蓬勃发展，2009年5月21日，一台叫做“旋翼飞行机器人”的空中多功能自主飞行机器人在中国中科院沈阳自动化研究所研制成功，并在灾害搜救的实际测试中取得很好的效果，并已经小批量地投入生产。据相关人员介绍，较大的四旋翼飞行器最长可在4小时中持续执行任务，并且速度可以达到每小时100公里，起飞时的自身重量为120公斤，并负担有效载荷40公斤；而较小一点的飞行器拥有最长2小时的续航时间，最大巡航速度可达每小时70公里，起飞3是的自身重量仅仅40公斤，同时负担14公斤的有效载荷。三、本课题的研究内容本次课题设计的是一个四旋翼飞行器，系统具有很强的稳定性和可靠性，可以空中悬停、遥控飞行、自主飞行、GPS定点定位、任务执行。本文的主要研究内容包括以下几个方面：(1)通信方法课题最终实现飞行器在无线控制的条件下进行安全稳定的运动，设计采用常用的2.4G作为通信频段，采用欧洲通用的小