基于四旋翼飛行器的氣象勘探無人機

1、項目編號： *大學大學生創(chuàng)新科研基金課題申 請 書課 題 名 稱基于四旋翼飛行器的氣象勘探無人機課 題 申 請 人所 在 院（部）課題指導教師 職稱填 表 日 期填 報 說 明一、填寫申請書之前，請先咨詢指導教師，并查閱安徽科技學院大學生創(chuàng)新課題管理辦法（暫行）及相關文件。二、請實事求是、逐條、認真地填寫申請書的各項內(nèi)容。表達應明確、嚴謹、簡潔。三、格式要求：申報書中各項內(nèi)容以Word文檔格式填寫，表格中的字體為小四，1.5倍行距；表格空間不足的，可以擴展；均用A4紙雙面打印，于左側裝訂成冊。四、正式申請時需提交一式二份申請書（要求一律用打印稿件，并且至少一份為原件），需指導教師和所在學院審查

2、、簽署意見并加蓋印章。五、頁面右上角項目編號由科研處統(tǒng)一填寫。六、凡格式不符合要求的申請書，不予接收。11一、基本信息項目名稱基于四旋翼飛行器的氣象勘探無人機項目類別AA科學研究類 B. 發(fā)明創(chuàng)造類 .設計策劃類申 請 人姓 名項目來源指導教師姓名、職稱課 題 組主要成員申請項目金 額1000預定完成時 間2016.3內(nèi)容摘要（不得少于400字） 當今社會環(huán)境下，對于環(huán)境保護的意識也在不斷增強。于是于此環(huán)境下對環(huán)境的檢測也原來越重要；但是在目前，在高空氣象環(huán)境監(jiān)測方面，最主要的還是使用氣象勘探專用的探空氣球搭載氣象監(jiān)測設備，作為空中氣象站，上升到高空去采集信息，并傳輸?shù)降孛婊?，再對采集得到?/p>

3、信息處理，得到所在區(qū)域的一些重要數(shù)據(jù)；但是我們可以看到這種采用探空氣球的方法，有著比較簡易的低廉的特點。 但是這種探空氣球，也在以下方面存在著問題，首先，在氣球的制作中，雖然單次放飛的成本相對低廉，但是如果在某個地區(qū)需要進行多次嚴密的勘探時，這種方式就顯得十分繁瑣復雜；其次，就是對于勘測設備的回收也是一個十分棘手的方面，如果，當氣球從高空下落時，具有極高的速度，這樣設備就很容易被損壞，這樣檢測設備的使用周期就十分短；再次，由于高空氣流的作用，使得氣球在空中會被吹走，使得探空氣球的定點性很差，同時也加大了回收的難度。 不過我們團隊的設計的四旋翼氣象勘探無人機，則不會有這些問題首先，我們的飛行器的

4、控制可以采用遙控方式進行控制，使得可以氣象的勘探變得簡單了，設備的回收也簡單了，通過對于四旋翼飛行器的設定，就可以使飛行器定點在某一個位置進行定點勘探。同時，通過讓飛行器攜帶攝像頭，見圖像回傳，也就可以實現(xiàn)對飛行器的超視距控制。二、項目論證（一）申請理由（包括自身具備的知識、自己的特長、興趣、已有的實踐創(chuàng)新成果等，不得少于1000字，可附頁） 經(jīng)過在校這一年半的學習，我們都已具備了進行電子開發(fā)的能力，在這一年半時間里，我們利用課余時間自學了單片機，學習了altium designer的使用，已具備了自主進行電子開發(fā)的能力，同時我也在暑假隨隊參加了飛思卡爾杯全國大學生智能車大賽安徽組的比賽，具有

5、自主開發(fā)的能力。 本人具有嫻熟的電子制作基礎，具備硬件設計開發(fā)能力，熟練掌握電子開發(fā)技巧，可以對產(chǎn)品做出深入開發(fā)，并且對于電子開發(fā)有著濃郁的興趣。曾經(jīng)在校循跡車比賽中獲得三等獎，在第九屆飛思卡爾全國大學生競賽中獲得安徽區(qū)三等獎 我們的隊員鄧云飛具備一定的c語言、單片機和電路知識，可以編制簡單單片機程序比如循跡智能車的程序。 擅長編寫軟件程序，同時對硬件的設計也很有興趣，曾在校循跡智能車大賽中獲得三等獎。 隊員張兵，心思細膩，在硬件調試方面特別細心，且學習能力很強，對硬件的適應能力很強，喜歡電子制作，并且具備一定的開發(fā)能力，曾在校智能尋跡小車比賽中獲得二等獎； 隊員閻其樂，有著非?；钴S的思路，在

6、產(chǎn)品開發(fā)中曾給我?guī)砹撕芏鄦l(fā)，心思細膩，尤其善于調試硬件，曾在校循跡智能車比賽中，獲得二等獎； 隊員馬振亞，有著極強的學習能力，有著扎實的C語言編程基礎，做事穩(wěn)重沉著，極具責任心，動手能力強，有著扎實的電路知識基礎，對電子開發(fā)富有熱情；曾在校智能循跡車比賽中獲得三等獎。立項依據(jù)：本課題理論意義與研究現(xiàn)狀與趨勢，應用價值，創(chuàng)新點。（三部分逐項填寫，不得少于2000字，可附頁）必要性： 目前國內(nèi)外對于氣象勘探多采用氫氣球或者氦氣球搭載儀器升空，做高空勘探，其中又分為兩類，一種是有與地面有連的叫系留氣球。另外一種是沒有與地面連接的叫自由氣球；從這可以看出利用氣象氣球作為勘探工具的一些弊端：1，利用

7、系留氣球做勘探時，由于有與地面連接的纜繩的關系，使得其升空高度受到纜繩長度的限制，另外，由于高空氣流的作用，使得氣球的實際滯空高度將遠遠小于纜繩的長度；2，如果采用另外一種沒有纜繩連接的自由氣球時，雖然沒有纜繩限制其滯空高度，但是受到高空氣流的影響使得氣球會被氣流吹離目標觀測點很遠使得，其設備的回收變得比較困難；3同時由于采用有纜繩連接的系留氣球時，為了保證氣球的儀器的回收，則就要使用高強度的纜繩，這時纜繩的質量折優(yōu)惠使得系留氣球的升空載重變小，可攜帶的儀器儀表較少；4當采用自由氣球是由于氣球的回收麻煩，即使回收成功，由于高空墜落的原因，使得儀器儀表，極易受損；5 另外在用氣球做勘探時受氣流影

8、響使得氣球的頂定點性極差；6，另外由于氣象氣球作為一種無動力飛行器，使得其可操控性極差，使得需要對某一點做巡回勘探時期難度極差。我們的設計經(jīng)過全體隊員的激烈討論研究，決定采用現(xiàn)在以相對成熟的四旋翼飛行器技術，這使得其開發(fā)的難度相對降低，對于飛行器的控制也相對穩(wěn)定，也有利于作品的成型，同時也具有相對較大的可行性。另外只要稍稍修改攜帶的設備就可以輕松完成不同項目的測的檢測。方案設計：1 起初我們團隊本打算采用例如探空的方案氣球，可是由于這個方案的幾個問題，被我們放棄了。經(jīng)過縝密的討論之后，我們決定采用在現(xiàn)在以成熟的四旋翼飛行器作為平臺，來打載儀器儀表升空進行勘探任務；2 傳感器方面，我們討論決定采

9、用氣壓計作為高度的傳感器，姿態(tài)方面。我決定使用mpu6050陀螺儀傳感器，他可以檢測飛行器當前的姿勢狀態(tài)并通過四元數(shù)裝換歐拉角的算法得到飛行器當前的飛行狀態(tài)，得到飛行器當前的姿態(tài)，并將通過過調整四個旋翼的轉速來使飛行器處在一個相對的穩(wěn)定的狀態(tài)，這就構成了一個閉環(huán)的PID控制系統(tǒng)。 3 控制與數(shù)傳部分，我們計劃使用頻率為2.5GHz的無線控制芯片nrf2401，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其Du

10、oCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)； 4 電機部分，為了提高飛行器的載重能力，我們計劃使用高速的無刷電機，由于其沒有電刷，所以其使用壽命和維護起來也較容易。在配合高速高強度的槳片就可以使載重能力大大提高； 5骨架設計，我們計劃采用高強度且十分輕的碳纖維管，這可使飛行器的自重極大降低，提高了飛行器的運載能力。6 圖像的回傳，我們將使用無限圖傳模塊家攝像頭拍攝到的圖像回傳到控制的操作員處，以實現(xiàn)操作上的超視距控制。其中傳送上可以采用Nrf2401的一個頻道。課題目標：制作出四旋翼氣象勘探無人

11、機的產(chǎn)品，控制穩(wěn)定；并且可以達到遠程超視距控制，使得飛行器空載到0.5公斤；攜帶一些較輕的氣象儀器，并將采集到的數(shù)據(jù)回傳，得帶高空的一個氣象數(shù)據(jù)。推廣應用：我們的飛行器在搭載不同的氣象學儀器后即可完成不同的氣象學工作，同時擴展后，讓它攜帶其他設備，既可以進行地質學或者生物學上的勘探。也可應用于野生生物的生物保護上。還可應用于環(huán)保部門對所轄區(qū)域的監(jiān)管。創(chuàng)新點： 在于取代了傳統(tǒng)的氣球方式，使得其可以受控，同時維護成本低，可實現(xiàn)定點的監(jiān)測任務，也可以實現(xiàn)一個巡回的檢測任務。使得氣象監(jiān)控變得易于操作，（3） 前期準備情況：本單位所具備條件，查閱資料及主要參考文獻（不得少于1000字，可附頁） 在21世

12、紀，人們保護環(huán)境的意識越來越強，國家也提出了建設中國夢的主張，其中環(huán)境的保護就是其中一項極其重要的要點，但是，對環(huán)境的監(jiān)管在手段犯法上還不夠完善，故此，我們提出了利用四旋翼無人機作為一個環(huán)境監(jiān)測站的想法。 四旋翼飛行器歷史回顧： 1907 年，法國Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升機，這次飛行中沒有用到任何旋翼式直升機，這次飛行中沒有用到任何的控制，所以飛行穩(wěn)定性是很差。 1921年，George De Bothezat在美國俄亥俄州西南部城市代頓的美國空軍部建造了另架大型的四旋翼直升機先后進行了一架大型的四旋翼直升機，先后進行了100多次的飛行試驗但是仍然無法很好的控制其飛行，并且沒

13、有達到美國空軍標準。 1924 年，出現(xiàn)了一種叫做Oemichen的四旋翼直升機，直升機首次實現(xiàn)了1km 的垂直飛行。 1956 年，Convertawing造了一架四旋翼直升機，該飛行器的螺旋槳在直徑上超過了19 英尺，用到了兩個發(fā)動機，并且通過改變每個螺旋槳提供的推力了來控制飛行器。 1956 年，Convertawing造了一架四旋翼直升機，該飛行器的螺旋槳在直徑上超過了19 英尺，用到了兩個發(fā)動機，并且通過改變每個螺旋槳提供的推力了來控制飛行器。 在此之后的數(shù)十年中，四旋翼垂直起降機沒有什么大的進展。近十幾年來，隨著微系統(tǒng)、傳感器以及控制理論等技術的發(fā)展四旋翼垂直起降機制理論等技術的發(fā)

14、展，四旋翼垂直起降機又引起人們極大的興趣。研究集中在小型或微型四旋翼飛行器的結構、飛行控制以及能源動力等方面。目前在國內(nèi)也出現(xiàn)了像大疆科創(chuàng)這樣的技術承受的四軸公司，以及以及象匿名科創(chuàng)這樣的以技術分享為主的四軸公司，還有以及一些象佳航科技專注農(nóng)業(yè)方面的四軸公司，目前國內(nèi)四軸產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出一幅朝氣蓬勃如雨后春筍般的景象。（四）研究內(nèi)容和提綱（不得少于3000字，可附頁） 結構：相對的兩個電機逆時針旋轉的同時，另外兩個電機順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。與電直相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機1和電機3逆時針

15、旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。四旋翼飛行器在空間共有6個自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作），這6個自由度的控制都可以通過調節(jié)不同電機的轉速來實現(xiàn)。構造：四軸飛行器其構造特點是在它的四個角上各裝有一旋翼，由電機分別帶動，葉片可以正轉，也可以反轉。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導航模塊，它還通過電子調控器來保證其快速飛行。運行模式：垂直運動：圖a中，因有兩對電機轉向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器

16、便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。俯仰運動圖（b）中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機2、電機4的轉速保持不變。為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉速該變量的大小應相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉（方向如圖所示），同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現(xiàn)飛行器的

17、俯仰運動。滾轉運動與圖b的原理相同，在圖c中，改變電機2和電機4的轉速，保持電機1和電機3的轉速不變，則可使機身繞x軸旋轉（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉運動。偏航運動四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的來年各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖d中，當電機1和電機3的轉速上升，電機2和電機4的轉

18、速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉向與電機1、電機3的轉向相反。前后運動要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖e中，增加電機3轉速，使拉力增大，相應減小電機1轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。當然在圖b圖c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運動。側向運動在圖f中，

19、由于結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。（五）擬采取的研究方法和技術路線（不得少于1000字，可附頁）設計制作出飛行器的原型機控制算法設計，并進行模擬，設計出可靠的算法在原型機上進行調試，是飛行器在空載下達到穩(wěn)定對數(shù)傳圖傳進行調試，使獲得穩(wěn)定數(shù)據(jù)，圖像將飛行器與數(shù)傳圖傳組合調試將飛行器的功能擴展在室內(nèi)進行試飛到室外做飛行試驗擬解決的關鍵問題（不得少于1000字，可附頁） 技術難點： 首先，在飛行過程中它不僅受到各種物理效應的作用，還很容易受到氣流等 外部環(huán)境的干擾，很難獲得其準確的性能參數(shù)。其次，微型四旋翼無人飛行器是一個具有六個自由度，而只有四個控制輸入的欠驅動系統(tǒng)。它具有多變量、非線性、強耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設計變得非常困難。再次，利用陀螺進行物體姿態(tài)檢測需要進行累計誤差的消除，怎樣建立誤差模型和通過組合導航修正累積誤差是一個工程難題。這三個問題解決成功與否，是實現(xiàn)微型四旋翼無人飛行器自主飛行控制的關鍵，具有非常重要的研究價值。 另外就是對四軸飛行器的的制作的資金方面，目前我們還處于在校學習階段，經(jīng)濟承受能力有限，所以我們需要學校撥發(fā)給我們一部分啟動資金，為研究和制作購買一些必須使用的元件、器材。（七）