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“大学生创新创业训练计划”项目申请书项目名称： 四旋翼自主飞行器的设计 项目类别：创新训练、 创业训练、 创业实践 申报等级： 省 级 校 级 项目负责人： 肖昌明 所 在 系： 信息与控制工程系 专业班级： 电气14级、自动化13级 指导教师： 单超颖 职称： 助教 填报时间： 2016年5月9日 教务处制填写要求 一、填写申请书前，请认真查阅学院201499号文件的要求。二、项目分类说明：1.创新训练项目是本科生个人或团队，在校内导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。2.创业训练项目是本科生团队，在校内导师指导下，团队中每个学生在项目实施过程中承担一个或多个具体的角色，通过编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、进行一定程度的验证试验，撰写创业报告等工作。3.创业实践项目是学生团队，在学校导师和企业导师共同指导下，采用前期创新训练项目（或创新性实验）的成果，提出一项具有市场前景的创新性产品或者服务，以此为基础开展创业实践活动。申报该类项目需额外提交企业导师合作指导协议书作为附件。三、申请书要逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。四、格式要求：申报书中各项内容以Word文档格式填写；表格空间不足的，可以扩展或另附纸张；均用A4纸打印，于左侧装订成册。五、凡选择性栏目，请在相应的内划“”。六、联系部门：教务处实践教学科，024-31679813。一、基本情况项目名称 四旋翼自主飞行器的设计所属一级学科 自动化项目来源自主立题 教师指导选题 其它经费来源省教育厅资助 学校资助 企业资助 其它项目性质发明、设计 基础性研究 应用性研究 社会调研经费额度5000元项目实施时间起始时间：2016 年 5 月 结题时间： 2017 年 5 月负责人姓名系专业班级学号联系电话E-mail肖昌明信息与控制 工程系 自动化13402022315304029400939267506成 员杜雨杭信息与控制工程系电气工程及其自动化144010124137225465291422036524孙杰信息与控制工程系电气工程及其自动化14401011518248605150424477807李炎柘信息与控制工程系电气工程及其自动化144010314153820985341583437346单荣峰信息与控制工程系电气工程及其自动化14401042215382098104932804452何晨锐信息与控制工程系电气工程及其自动化14401020915382098294he719626975指导教师 姓名 单超颖职称 助教所在学科电气工程及其自动化邮箱Scy6069联系电话13478245921单位 沈阳城市建设学院在该领域的主要成果1 、基于AVR单片机的客车除霜控制系统。2015-03-27电子制作。第一作者2 、下一代互联网城市的发展及关键技术。2015-03-05中小企业管理。第一作者3 、应用型高校转型期实践教学改革研究。2014-10-21中国会议。第三作者4 、基于AVR单片机的汽车发动机冷却智能控制器设计。2013-09-01中国会议。第一作者5 、机械加工零件的热处理技术研究。 2015-02-25。中小企业管理。第二作者6、2014、2015年辽宁省“TI杯”大学生电子设计大赛。指导教师。 二、立论依据1、项目的研究意义（限200字） 随着自动控制技术的发展，单片机技术也在学习生活中广泛的应用，本设计基于单片机技术，实现了对四旋翼飞机对飞行控制的要求，完成了飞行控制系统的软件设计、以及器件选型、硬件电路设计、系统软件设计,并进行了大量调试,解决了程序与硬件设计中存在的问题。通过本次的四旋翼自主飞行器设计来锻炼学生从理论到实践的能力，让学生体会单片机项目的设计、制作、调试和完成项目的过程及困难，同时也加强了对实际问题的分析、解决能力。2、国内外研究现状分析并附主要参考文献（限1000字）四旋翼飞行器的设计有两个阶段。在第一个阶段即20世纪初，法国科学家和院士Charles Richet制造了一个小型无人直升机，他的一个学生Louis Bréguet在他的实验中获得灵感。1906年，Louis和Jacques Bréguet在Richet教授的指导下做他们自行设计的直升机实验。1907年，Bréguet兄弟制作了他们第一架旋翼式直升机-Bréguet-Richet Gyroplane No.1，在法国Douai首次试飞，载人飞行高度1.5米。之后在1921年，George De Bothezat建造了另一架大型的四旋翼直升机。其飞行控制过程仍有问题，直升机无法实现稳定飞行。直到1924年，Oemichen四旋翼飞行器的出现，才首次实现了直升机的稳定垂直飞行，飞行高度为1000米。第二个阶段即从21世纪初开始到现在，四旋翼飞行器的动力能源采用电动，主要是无人机（Unmanned Aerial Vehicles，UAV），广泛应用于军事、商业和工业领域。无人机主要包括两大类：固定翼无人机和旋翼无人机。四旋翼飞行器的优点：可垂直起降（Vertical Take Off and Landing，VTOL）；执行精确缓慢的运动、悬停；拥有更大的载荷量和良好的操控性；能以各种姿态飞行，如前飞侧飞和倒飞；多障碍和狭小的空间穿越飞行。 四旋翼飞行器能够执行搜救和侦察等任务，决定了四旋翼飞行器具有更广阔的应用前景。四旋翼飞行器作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视，迅速成为国际上新的研究热点。国内对于四旋翼飞行器的研究起步较晚，但是发展迅速。昆士兰州技术大学的PipeDream项目已经设计并制作了一个四螺旋桨飞行器，并且是基于模型气动机的，但是飞行器的通常形式都存在推力不足和控制可行性差的问题，。上海交通大学微纳米科学技术研究院曾成功研制出以直径2mm电磁微马达作为驱动器，能离地飞行的双旋翼微型直升机。现在研制能带负载并可离地飞行的四旋翼微型直升机。STC89SC52单片机作为整机的控制单元，超声波测距模块为HC-SR04包括了超声波发射器，接收器，控制电路，飞行姿态的测量采用惯性装置（陀螺仪MPU6050）。通过给单片机编程控制四旋翼飞行器。 参考文献1.庞庆霈 .四旋翼飞行器设计与稳定控制研究D.中国科学技术大学.2011.2.王伟，马浩，孙长银.四旋翼飞行器姿态控制系统设计J科学与技术工程.2013,13(19).3.庞庆霈,李家文,黄文浩. 四旋翼飞行器设计与平稳控制仿真研究J. 电光与控制,2012,03:51-55.4.魏丽文.四旋翼飞行器控制系统设计D.哈尔滨工业大学,2010.5.程敏. 四旋翼飞行器控制系统构建及控制方法的研究D.大连理工大学,2012. 6.段世华. 四旋翼飞行器控制系统的设计和实现D.电子科技大学,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 . Boca Raton, FL, 1994. 三、研究方案1、研究目标（限200字） 通过利用STC89C52单片机作为整机的控制单元和以该芯片为核心的控制电路对四旋翼飞行器进行系统的设计。包括硬件电路的设计和软件仿真的测试，在设计中，我们采用在原有四旋翼飞机的模型的基础上，运用PID控制来实现速度与位置的控制，通过控制4个直流电机无刷电机转速来实现飞行器的驱动系统飞行，在飞机上加上传感器检测模块，超声波测距模块，并将数据传送至单片机上进行处理，然后通过软件仿真技术进行编程，通过控制单片机，根据所检测的各种数据来实现对四旋翼飞机的智能控制。 2、 研究内容（限400字） 利用单片机对四旋翼飞机智能功能的设计主要包括硬件和软件电路的设计，硬件电路的设计主要包括MPU-6050整合性4轴运动处理组件，STC89C52单片机作为整机的控制单元，电源模块，电机调速控制模块，传感器检测模块，摄像拍照功能模块。软件部分的设计包括控制算法的设计，将四旋翼飞行器实时控制算法分为2个PID控制回路。系统软件采用C语言编写，主要功能是接受遥控指令，对飞行器进行遥控操作，同时通过采集飞行器姿态信号，对飞行器进行闭环控制，提高飞行器的飞行稳定性和可靠性，飞行器的姿态的解算和PID控制器的参数的确定是控制系统设计的核心内容，通过分析四旋翼飞机的飞行原理可以总结出飞行控制系统由姿态感测装置、微处理控制器和无刷电机驱动模块，动力组等部分组成一个闭环系统。 以STC89C52单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，实现飞机的起飞，悬空，上升的高度，飞行速度，航拍等内容。 3、 拟解决的关键问题（限200字） 四旋翼飞行器是一种外形新颖，性能优越的垂直起降飞行器，具有结构简单、操作灵活等特点，在灾区救援，军事运输上有重要价值，越来越被人们所关注。所以研究的意义及其重大。关键问题分为以下三种：第一，资金问题，在研究过程需要大量的道具及相关器件以便达到更加效果 第二，研究场地，研究过程需要更为优质的环境便于研究的更高效率。第三，研究的辅助工具，如电脑，书籍等4、 拟采取的研究方法及技术路线（限800字） 研究方法： 采用硬件底层平台和软件高级应用程序协同设计的基本思路，其研究方法流程如下图所示：软硬件任务划分系统描述硬件/软件接口硬件设计软件设计软硬件集成设计仿真验证综合实现 (2)技术路线：技术上将系统分模块化，层次化进行设计的方法，系统模块及层次化设计如下所示； 1）主控系统：采用c51单片机作为系统的核心，用其控制飞行器以实现既定的性能指标。单片机资源丰富，有较为强大的控制功能及位寻址操作功能，价格低廉，应用方便等优点。 2）硬件设计： 驱动模块：本试验利用主控芯片输出PWM脉冲波，通过编程改变其占空比来控制四个电机的转速，四个电机的转速的配合就可以实现飞行器的起飞，前行，降落，拍照，摄影传送所拍图片及视频功能。采用直流电机专用驱动芯片L298。L298作为驱动的原理与H型PWM电路相同，只是将这些分立元件集成在一块芯片内部，方便适用。 机械系统：本设计要求飞行器的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备以上特点。 电源模块：使用四节1.5V南孚电池为整个系统供电，电压可达到6.5v，该电源输出电流能力较大，而且能较长时间为小车提供稳定的电流，使系统运行稳定，符合实际要求。 信号检测模块：起飞后能到达指定位置并且能够返回起飞点，在飞行过程中能够实现拍照功能。 3）软件设计 主要是采用c语言编程，对程序的控制，改变数据的大小来定电压，提高电流，促进飞机正常的飞行。 5、实验方案（限500字）采用STC89SC52单片机作为整机的控制单元。以STC89SC52单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案。运用超声波传感器，惯性测量装置组成不同的检测装置，来实现四旋翼飞行器在飞行中的垂直运动，前后运动等问题，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对四旋翼飞行器的智能化控制。在本系统中： 1）采用MPU-6050整合性4轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。 2）超声波测距模块为HC-SR04包括了超声波发射器，接收器，控制电路，性能稳定，测量距离精确，模块高精度，盲区小。 3）飞行姿态的测量采用惯性装置（陀螺仪mpu6050）。 4）超声波传感器高度控制是通过PID闭环控制算法实现的，这种控制采用闭环反馈，通过超声波传感器发射的时间和收到反射波的时间差，计算距离，反馈给主控芯片，同时控制四个电机的转速。 5）为四旋翼飞行器飞行控制系统，无刷电机等提供电源。由于四旋翼飞行器载重有限，所以电源系统应该尽可能轻，能量密度要大。考虑到线性稳压方式转换效率不高，能量损耗大的缺点，本系统改用开关电源的方式来稳压。但开关电压会产生较强的电磁干扰，而且存在电源波纹，这样对PPM的遥控方式影响很大。6、 具备的知识基础（限150字） 为了设计四旋翼自主飞行器，必须具备单片机的基础知识，能够灵活运用单片机的内部资源，能够熟练使用编程语言实现飞行器的基本功能，掌握基本的模拟电子技术以及数字电子技术，能够实现模拟量与数字量之间的相互转换,熟练掌握电子技术基础用以设计单片机的外围电路从而实现相应的功能。 7、 设备条件（限150字） 为了设计出能够完成一些指定飞行任务的四旋翼自主飞行器就必须具备充实的单片机基础知识，能够灵活的运用单片机的八个I/O口控制两路电机的四个输入端，对四旋翼飞机的四个电机进行控制从而使电机转向，前进，停止等一系列动作。熟悉整个系统设计，用到了单片机基本功能模块:电源模块、时钟模块、PWM输出模块、超声波传感器模块、ECT模块、航拍模块以及普通I/O模块。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。8. 本项目的创新之处（限200字）摄像模块：飞行器在飞行过程中进行拍摄，能有效的储存视频。用模块设计的思想给出了四旋翼飞行器的整体设计框架，以及飞行姿态的的解算。飞行模块：陀螺仪调整飞行姿态，输出的误差小，完全能满足飞行器在飞行过程中的姿态矫正。 系统控制模块：选择STC89C52单片机进行系统的控制。该单片机具有IAP功能，运行稳定，保密性强，支持在线下载。 电源模块：使用四节1.5V南孚电池为整个系统供电，电压可达到6.5v，使系统运行稳定，符合实际要求。 9.项目研究年度计划2016/05/15-2016/05/31 明确完成基本任务2016/06/01-2016/07/10 设计单片机最小系统,完成外围硬件电路的设计 2016/07/10-2016/08/10 搭建开发平台根据电路原理图使用C语言编写四旋翼程序, 对系统程序进行仿真，查找错误并进行优化。2016/08/12-2016/08/16 参加大学生电子设计大赛，完成实物制作并进行最终调试2016/09/01-2016/10/30 撰写相关论文10. 项目成果（论文、设计、产品研制、软件开发、专利、研究报告等，至少选其中一项填写）1.技术特点和优势 本设计采用STC89C51单片机为控制核心，电机的硬件驱动采用L298芯片，由单片机输出PWM控制电机转速，利用飞行模块实现起飞，方向准确，拍照摄像。整个系统的电路结构简单，可靠性高。设计测试结果满足要求，设计原理简明，方案正确。可实现性强，具有很好的扩展功能和实用价值。 2.适用范围和推广前景四旋翼集中地运用了计算机、传感、自动控制等技术。四旋翼自主飞行器可应用于科学探测等人工无法实现且需自动控制的领域。.具有相当的实际应用价值。因此，该设计市场前景良好，具有很好的经济效益。 四、经费预算支出科目金额（元）预算根据及理由购买电子器件2000.00购买摄像头、各类芯片、电线、电烙铁等资料费2000.00资料、出版物、文献、论文版面劳务费500.00学生补助每人100元专家讲座费500.00聘请专家来校交流合作合 计5000五、审批意见指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日系意见 系主任签字（公章）： 年 月 日教务处意见 处长签字（公章）： 年 月 日学院意见 负责人签字（公章）： 年 月 日六、申请者承诺我保证上述填报的内容真实准确。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，保证项目研究工作的时间，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交相关材料。负责人签字： 年 月 日