1、“大學生創新創業訓練計劃”項目申請書項目名稱： 四旋翼自主飛行器的設計 項目類別：創新訓練、 創業訓練、 創業實踐 申報等級： 省 級 校 級 項目負責人： 肖昌明 所 在 系： 信息與控制工程系 專業班級： 電氣14級、自動化13級 指導教師： 單超穎 職稱： 助教 填報時間： 2016年5月9日 教務處制填寫要求 一、填寫申請書前，請認真查閱學院201499號文件的要求。二、項目分類說明：1.創新訓練項目是本科生個人或團隊，在校內導師指導下，自主完成創新性實驗方法的設計、設備和材料的準備、實驗的實施、數據處理與分析、總結報告撰寫等工作。2.創業訓練項目是本科生團隊，在校內導師指導下，團隊中

2、每個學生在項目實施過程中承擔一個或多個具體的角色，通過編制商業計劃書、開展可行性研究、模擬企業運行、進行一定程度的驗證試驗，撰寫創業報告等工作。3.創業實踐項目是學生團隊，在學校導師和企業導師共同指導下，采用前期創新訓練項目（或創新性實驗）的成果，提出一項具有市場前景的創新性產品或者服務，以此為基礎開展創業實踐活動。申報該類項目需額外提交企業導師合作指導協議書作為附件。三、申請書要逐項認真填寫，填寫內容必須實事求是，表達明確嚴謹。空缺項要填“無”。四、格式要求：申報書中各項內容以Word文檔格式填寫；表格空間不足的，可以擴展或另附紙張；均用A4紙打印，于左側裝訂成冊。五、凡選擇性欄目，請在相應

3、的內劃“”。六、聯系部門：教務處實踐教學科，。一、基本情況項目名稱 四旋翼自主飛行器的設計所屬一級學科 自動化項目來源自主立題 教師指導選題 其它經費來源省教育廳資助 學校資助 企業資助 其它項目性質發明、設計 基礎性研究 應用性研究 社會調研經費額度5000元項目實施時間起始時間：2016 年 5 月 結題時間： 2017 年 5 月負責人姓名系專業班級學號聯系電話E-mail肖昌明信息與控制 工程系 自動化134020223成 員杜雨杭信息與控制工程系電氣工程及其自動化144010124孫杰信息與控制工程系電氣工程及其自動化144010115424477807李炎柘信息與控制工程系電氣工程

4、及其自動化1440103141583437346單榮峰信息與控制工程系電氣工程及其自動化144010422932804452何晨銳信息與控制工程系電氣工程及其自動化144010209he719626975指導教師 姓名 單超穎職稱 助教所在學科電氣工程及其自動化郵箱聯系電話單位 沈陽城市建設學院在該領域的主要成果1 、基于AVR單片機的客車除霜控制系統。2015-03-27電子制作。第一作者2 、下一代互聯網城市的發展及關鍵技術。2015-03-05中小企業管理。第一作者3 、應用型高校轉型期實踐教學改革研究。2014-10-21中國會議。第三作者4 、基于AVR單片機的汽車發動機冷卻智能控制

5、器設計。2013-09-01中國會議。第一作者5 、機械加工零件的熱處理技術研究。 2015-02-25。中小企業管理。第二作者6、2014、2015年遼寧省“TI杯”大學生電子設計大賽。指導教師。 二、立論依據1、項目的研究意義（限200字） 隨著自動控制技術的發展，單片機技術也在學習生活中廣泛的應用，本設計基于單片機技術，實現了對四旋翼飛機對飛行控制的要求，完成了飛行控制系統的軟件設計、以及器件選型、硬件電路設計、系統軟件設計,并進行了大量調試,解決了程序與硬件設計中存在的問題。通過本次的四旋翼自主飛行器設計來鍛煉學生從理論到實踐的能力，讓學生體會單片機項目的設計、制作、調試和完成項目的過

6、程及困難，同時也加強了對實際問題的分析、解決能力。2、國內外研究現狀分析并附主要參考文獻（限1000字）四旋翼飛行器的設計有兩個階段。在第一個階段即20世紀初，法國科學家和院士Charles Richet制造了一個小型無人直升機，他的一個學生Louis Bréguet在他的實驗中獲得靈感。1906年，Louis和Jacques Bréguet在Richet教授的指導下做他們自行設計的直升機實驗。1907年，Bréguet兄弟制作了他們第一架旋翼式直升機-Bréguet-Richet Gyroplane No.1，在法國Douai首次試飛，載人飛行高度1.

7、5米。之后在1921年，George De Bothezat建造了另一架大型的四旋翼直升機。其飛行控制過程仍有問題，直升機無法實現穩定飛行。直到1924年，Oemichen四旋翼飛行器的出現，才首次實現了直升機的穩定垂直飛行，飛行高度為1000米。第二個階段即從21世紀初開始到現在，四旋翼飛行器的動力能源采用電動，主要是無人機（Unmanned Aerial Vehicles，UAV），廣泛應用于軍事、商業和工業領域。無人機主要包括兩大類：固定翼無人機和旋翼無人機。四旋翼飛行器的優點：可垂直起降（Vertical Take Off and Landing，VTOL）；執行精確緩慢的運動、懸停；

8、擁有更大的載荷量和良好的操控性；能以各種姿態飛行，如前飛側飛和倒飛；多障礙和狹小的空間穿越飛行。 四旋翼飛行器能夠執行搜救和偵察等任務，決定了四旋翼飛行器具有更廣闊的應用前景。四旋翼飛行器作為一種具有獨特飛行性能的無人機，正越來越受到人們的重視，迅速成為國際上新的研究熱點。國內對于四旋翼飛行器的研究起步較晚，但是發展迅速。昆士蘭州技術大學的PipeDream項目已經設計并制作了一個四螺旋槳飛行器，并且是基于模型氣動機的，但是飛行器的通常形式都存在推力不足和控制可行性差的問題，。上海交通大學微納米科學技術研究院曾成功研制出以直徑2mm電磁微馬達作為驅動器，能離地飛行的雙旋翼微型直升機。現在研制能

9、帶負載并可離地飛行的四旋翼微型直升機。STC89SC52單片機作為整機的控制單元，超聲波測距模塊為HC-SR04包括了超聲波發射器，接收器，控制電路，飛行姿態的測量采用慣性裝置（陀螺儀MPU6050）。通過給單片機編程控制四旋翼飛行器。 參考文獻1.龐慶霈 .四旋翼飛行器設計與穩定控制研究D.中國科學技術大學.2011.2.王偉，馬浩，孫長銀.四旋翼飛行器姿態控制系統設計J科學與技術工程.2013,13(19).3.龐慶霈,李家文,黃文浩. 四旋翼飛行器設計與平穩控制仿真研究J. 電光與控制,2012,03:51-55.4.魏麗文.四旋翼飛行器控制系統設計D.哈爾濱工業大學,2010.5.程敏

10、. 四旋翼飛行器控制系統構建及控制方法的研究D.大連理工大學,2012. 6.段世華. 四旋翼飛行器控制系統的設計和實現D.電子科技大學,2012. 7. X. Deng, L. Schenato and S.S Sastry, Attitude Control for a Micromechanical Flying Insect Including Thorax and Sensor Models ICRA 2003, Teipei, Taiwan 2003. 8. S. Sastry, A mathematical introduction to robotic manipulation

11、 . Boca Raton, FL, 1994. 三、研究方案1、研究目標（限200字） 通過利用STC89C52單片機作為整機的控制單元和以該芯片為核心的控制電路對四旋翼飛行器進行系統的設計。包括硬件電路的設計和軟件仿真的測試，在設計中，我們采用在原有四旋翼飛機的模型的基礎上，運用PID控制來實現速度與位置的控制，通過控制4個直流電機無刷電機轉速來實現飛行器的驅動系統飛行，在飛機上加上傳感器檢測模塊，超聲波測距模塊，并將數據傳送至單片機上進行處理，然后通過軟件仿真技術進行編程，通過控制單片機，根據所檢測的各種數據來實現對四旋翼飛機的智能控制。 2、 研究內容（限400字） 利用單片機對四旋翼

12、飛機智能功能的設計主要包括硬件和軟件電路的設計，硬件電路的設計主要包括MPU-6050整合性4軸運動處理組件，STC89C52單片機作為整機的控制單元，電源模塊，電機調速控制模塊，傳感器檢測模塊，攝像拍照功能模塊。軟件部分的設計包括控制算法的設計，將四旋翼飛行器實時控制算法分為2個PID控制回路。系統軟件采用C語言編寫，主要功能是接受遙控指令，對飛行器進行遙控操作，同時通過采集飛行器姿態信號，對飛行器進行閉環控制，提高飛行器的飛行穩定性和可靠性，飛行器的姿態的解算和PID控制器的參數的確定是控制系統設計的核心內容，通過分析四旋翼飛機的飛行原理可以總結出飛行控制系統由姿態感測裝置、微處理控制器和

13、無刷電機驅動模塊，動力組等部分組成一個閉環系統。 以STC89C52單片機為核心的控制電路，采用模塊化的設計方案，實現飛機的起飛，懸空，上升的高度，飛行速度，航拍等內容。 3、 擬解決的關鍵問題（限200字） 四旋翼飛行器是一種外形新穎，性能優越的垂直起降飛行器，具有結構簡單、操作靈活等特點，在災區救援，軍事運輸上有重要價值，越來越被人們所關注。所以研究的意義及其重大。關鍵問題分為以下三種：第一，資金問題，在研究過程需要大量的道具及相關器件以便達到更加效果 第二，研究場地，研究過程需要更為優質的環境便于研究的更高效率。第三，研究的輔助工具，如電腦，書籍等4、 擬采取的研究方法及技術路線（限80

14、0字） 研究方法： 采用硬件底層平臺和軟件高級應用程序協同設計的基本思路，其研究方法流程如下圖所示：軟硬件任務劃分系統描述硬件/軟件接口硬件設計軟件設計軟硬件集成設計仿真驗證綜合實現 (2)技術路線：技術上將系統分模塊化，層次化進行設計的方法，系統模塊及層次化設計如下所示； 1）主控系統：采用c51單片機作為系統的核心，用其控制飛行器以實現既定的性能指標。單片機資源豐富，有較為強大的控制功能及位尋址操作功能，價格低廉，應用方便等優點。 2）硬件設計： 驅動模塊：本試驗利用主控芯片輸出PWM脈沖波，通過編程改變其占空比來控制四個電機的轉速，四個電機的轉速的配合就可以實現飛行器的起飛，前

15、行，降落，拍照，攝影傳送所拍圖片及視頻功能。采用直流電機專用驅動芯片L298。L298作為驅動的原理與H型PWM電路相同，只是將這些分立元件集成在一塊芯片內部，方便適用。 機械系統：本設計要求飛行器的機械系統穩定、靈活、簡單，而三輪運動系統具備以上特點。 電源模塊：使用四節1.5V南孚電池為整個系統供電，電壓可達到6.5v，該電源輸出電流能力較大，而且能較長時間為小車提供穩定的電流，使系統運行穩定，符合實際要求。 信號檢測模塊：起飛后能到達指定位置并且能夠返回起飛點，在飛行過程中能夠實現拍照功能。 3）軟件設計 主要是采用c語言編程，對程序的控制，改變數據的大小來定電壓，提高電流，促進飛機正常

16、的飛行。 5、實驗方案（限500字）采用STC89SC52單片機作為整機的控制單元。以STC89SC52單片機為核心的控制電路，采用模塊化的設計方案。運用超聲波傳感器，慣性測量裝置組成不同的檢測裝置，來實現四旋翼飛行器在飛行中的垂直運動，前后運動等問題，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對四旋翼飛行器的智能化控制。在本系統中： 1）采用MPU-6050整合性4軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。 2）超聲波測距模塊為HC-SR04包括了超聲波發射器，接收器，控制電路，性能穩定，測量距離精確，模塊高精度

17、，盲區小。 3）飛行姿態的測量采用慣性裝置（陀螺儀mpu6050）。 4）超聲波傳感器高度控制是通過PID閉環控制算法實現的，這種控制采用閉環反饋，通過超聲波傳感器發射的時間和收到反射波的時間差，計算距離，反饋給主控芯片，同時控制四個電機的轉速。 5）為四旋翼飛行器飛行控制系統，無刷電機等提供電源。由于四旋翼飛行器載重有限，所以電源系統應該盡可能輕，能量密度要大。考慮到線性穩壓方式轉換效率不高，能量損耗大的缺點，本系統改用開關電源的方式來穩壓。但開關電壓會產生較強的電磁干擾，而且存在電源波紋，這樣對PPM的遙控方式影響很大。6、 具備的知識基礎（限150字） 為了設計四旋翼自主飛行器，必須具備

18、單片機的基礎知識，能夠靈活運用單片機的內部資源，能夠熟練使用編程語言實現飛行器的基本功能，掌握基本的模擬電子技術以及數字電子技術，能夠實現模擬量與數字量之間的相互轉換,熟練掌握電子技術基礎用以設計單片機的外圍電路從而實現相應的功能。 7、 設備條件（限150字） 為了設計出能夠完成一些指定飛行任務的四旋翼自主飛行器就必須具備充實的單片機基礎知識，能夠靈活的運用單片機的八個I/O口控制兩路電機的四個輸入端，對四旋翼飛機的四個電機進行控制從而使電機轉向，前進，停止等一系列動作。熟悉整個系統設計，用到了單片機基本功能模塊:電源模塊、時鐘模塊、PWM輸出模塊、超聲波傳感器模塊、ECT模塊、航拍模塊以及

19、普通I/O模塊。根據系統實際需求，對各個模塊進行了初始化配置，通過對相應數據寄存器或狀態寄存器的讀寫，實現相應的功能。8. 本項目的創新之處（限200字）攝像模塊：飛行器在飛行過程中進行拍攝，能有效的儲存視頻。用模塊設計的思想給出了四旋翼飛行器的整體設計框架，以及飛行姿態的的解算。飛行模塊：陀螺儀調整飛行姿態，輸出的誤差小，完全能滿足飛行器在飛行過程中的姿態矯正。 系統控制模塊：選擇STC89C52單片機進行系統的控制。該單片機具有IAP功能，運行穩定，保密性強，支持在線下載。 電源模塊：使用四節1.5V南孚電池為整個系統供電，電壓可達到6.5v，使系統運行穩定，符合實際要求。 9.項目研究年度計劃2016/05/15-2016/05/31 明確完成基本任務2016/06/01-2016/07/10 設計單片機最小系統,完成外圍硬件電路的設計 2016/07/10-2016/08/10 搭建開發平臺根據電路原理圖使用C語言編寫四旋翼程序, 對系統程序進行仿真，查找錯誤并進行優化。2016/08/12-2016/08/16 參加大學生電子設計大賽，完成實物制作并進行最終調試2016/09/01-2016/10/3