大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目

1、“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目申請書項目名稱： 四旋翼自主飛行器的設(shè)計 項目類別：創(chuàng)新訓(xùn)練、 創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、 創(chuàng)業(yè)實踐 申報等級： 省 級 校 級 項目負(fù)責(zé)人： 肖昌明 所 在 系： 信息與控制工程系 專業(yè)班級： 電氣14級、自動化13級 指導(dǎo)教師： 單超穎 職稱： 助教 填報時間： 2016年5月9日 教務(wù)處制填寫要求 一、填寫申請書前，請認(rèn)真查閱學(xué)院201499號文件的要求。二、項目分類說明：1.創(chuàng)新訓(xùn)練項目是本科生個人或團隊，在校內(nèi)導(dǎo)師指導(dǎo)下，自主完成創(chuàng)新性實驗方法的設(shè)計、設(shè)備和材料的準(zhǔn)備、實驗的實施、數(shù)據(jù)處理與分析、總結(jié)報告撰寫等工作。2.創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目是本科生團隊，在校內(nèi)導(dǎo)師指導(dǎo)下，團隊中

2、每個學(xué)生在項目實施過程中承擔(dān)一個或多個具體的角色，通過編制商業(yè)計劃書、開展可行性研究、模擬企業(yè)運行、進(jìn)行一定程度的驗證試驗，撰寫創(chuàng)業(yè)報告等工作。3.創(chuàng)業(yè)實踐項目是學(xué)生團隊，在學(xué)校導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師共同指導(dǎo)下，采用前期創(chuàng)新訓(xùn)練項目（或創(chuàng)新性實驗）的成果，提出一項具有市場前景的創(chuàng)新性產(chǎn)品或者服務(wù)，以此為基礎(chǔ)開展創(chuàng)業(yè)實踐活動。申報該類項目需額外提交企業(yè)導(dǎo)師合作指導(dǎo)協(xié)議書作為附件。三、申請書要逐項認(rèn)真填寫，填寫內(nèi)容必須實事求是，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)?？杖表椧睢盁o”。四、格式要求：申報書中各項內(nèi)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(cè)裝訂成冊。五、凡選擇性欄目，請在相應(yīng)

3、的內(nèi)劃“”。六、聯(lián)系部門：教務(wù)處實踐教學(xué)科，。一、基本情況項目名稱 四旋翼自主飛行器的設(shè)計所屬一級學(xué)科 自動化項目來源自主立題 教師指導(dǎo)選題 其它經(jīng)費來源省教育廳資助 學(xué)校資助 企業(yè)資助 其它項目性質(zhì)發(fā)明、設(shè)計 基礎(chǔ)性研究 應(yīng)用性研究 社會調(diào)研經(jīng)費額度5000元項目實施時間起始時間：2016 年 5 月 結(jié)題時間： 2017 年 5 月負(fù)責(zé)人姓名系專業(yè)班級學(xué)號聯(lián)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(dǎo)教師 姓名 單超穎職稱 助教所在學(xué)科電氣工程及其自動化郵箱聯(lián)系電話單位 沈陽城市建設(shè)學(xué)院在該領(lǐng)域的主要成果1 、基于AVR單片機的客車除霜控制系統(tǒng)。2015-03-27電子制作。第一作者2 、下一代互聯(lián)網(wǎng)城市的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)。2015-03-05中小企業(yè)管理。第一作者3 、應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型期實踐教學(xué)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(fā)動機冷卻智能控制

5、器設(shè)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(shù)研究。 2015-02-25。中小企業(yè)管理。第二作者6、2014、2015年遼寧省“TI杯”大學(xué)生電子設(shè)計大賽。指導(dǎo)教師。 二、立論依據(jù)1、項目的研究意義（限200字） 隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，單片機技術(shù)也在學(xué)習(xí)生活中廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計基于單片機技術(shù)，實現(xiàn)了對四旋翼飛機對飛行控制的要求，完成了飛行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計、以及器件選型、硬件電路設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計,并進(jìn)行了大量調(diào)試,解決了程序與硬件設(shè)計中存在的問題。通過本次的四旋翼自主飛行器設(shè)計來鍛煉學(xué)生從理論到實踐的能力，讓學(xué)生體會單片機項目的設(shè)計、制作、調(diào)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(nèi)外研究現(xiàn)狀分析并附主要參考文獻(xiàn)（限1000字）四旋翼飛行器的設(shè)計有兩個階段。在第一個階段即20世紀(jì)初，法國科學(xué)家和院士Charles Richet制造了一個小型無人直升機，他的一個學(xué)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(dǎo)下做他們自行設(shè)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(xiàn)穩(wěn)定飛行。直到1924年，Oemichen四旋翼飛行器的出現(xiàn)，才首次實現(xiàn)了直升機的穩(wěn)定垂直飛行，飛行高度為1000米。第二個階段即從21世紀(jì)初開始到現(xiàn)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(yīng)用于軍事、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)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(yōu)點：可垂直起降（Vertical Take Off and Landing，VTOL）；執(zhí)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(tài)飛行，如前飛側(cè)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(zhí)行搜救和偵察等任務(wù)，決定了四旋翼飛行器具有更廣闊的應(yīng)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(nèi)對于四旋翼飛行器的研究起步較晚，但是發(fā)展迅速。昆士蘭州技術(shù)大學(xué)的PipeDream項目已經(jīng)設(shè)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(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究院曾成功研制出以直徑2mm電磁微馬達(dá)作為驅(qū)動器，能離地飛行的雙旋翼微型直升機?，F(xiàn)在研制能

9、帶負(fù)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(fā)射器，接收器，控制電路，飛行姿態(tài)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(xiàn)1.龐慶霈 .四旋翼飛行器設(shè)計與穩(wěn)定控制研究D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué).2011.2.王偉，馬浩，孫長銀.四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計J科學(xué)與技術(shù)工程.2013,13(19).3.龐慶霈,李家文,黃文浩. 四旋翼飛行器設(shè)計與平穩(wěn)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(tǒng)設(shè)計D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.5.程敏

10、. 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)構(gòu)建及控制方法的研究D.大連理工大學(xué),2012. 6.段世華. 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)D.電子科技大學(xué),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(biāo)（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(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。包括硬件電路的設(shè)計和軟件仿真的測試，在設(shè)計中，我們采用在原有四旋翼飛機的模型的基礎(chǔ)上，運用PID控制來實現(xiàn)速度與位置的控制，通過控制4個直流電機無刷電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)飛行器的驅(qū)動系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳送至單片機上進(jìn)行處理，然后通過軟件仿真技術(shù)進(jìn)行編程，通過控制單片機，根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對四旋翼飛機的智能控制。 2、 研究內(nèi)容（限400字） 利用單片機對四旋翼

12、飛機智能功能的設(shè)計主要包括硬件和軟件電路的設(shè)計，硬件電路的設(shè)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(diào)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(shè)計包括控制算法的設(shè)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(tǒng)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(jìn)行遙控操作，同時通過采集飛行器姿態(tài)信號，對飛行器進(jìn)行閉環(huán)控制，提高飛行器的飛行穩(wěn)定性和可靠性，飛行器的姿態(tài)的解算和PID控制器的參數(shù)的確定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，通過分析四旋翼飛機的飛行原理可以總結(jié)出飛行控制系統(tǒng)由姿態(tài)感測裝置、微處理控制器和

13、無刷電機驅(qū)動模塊，動力組等部分組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。 以STC89C52單片機為核心的控制電路，采用模塊化的設(shè)計方案，實現(xiàn)飛機的起飛，懸空，上升的高度，飛行速度，航拍等內(nèi)容。 3、 擬解決的關(guān)鍵問題（限200字） 四旋翼飛行器是一種外形新穎，性能優(yōu)越的垂直起降飛行器，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活等特點，在災(zāi)區(qū)救援，軍事運輸上有重要價值，越來越被人們所關(guān)注。所以研究的意義及其重大。關(guān)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(guān)器件以便達(dá)到更加效果 第二，研究場地，研究過程需要更為優(yōu)質(zhì)的環(huán)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(shù)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(yīng)用程序協(xié)同設(shè)計的基本思路，其研究方法流程如下圖所示：軟硬件任務(wù)劃分系統(tǒng)描述硬件/軟件接口硬件設(shè)計軟件設(shè)計軟硬件集成設(shè)計仿真驗證綜合實現(xiàn) (2)技術(shù)路線：技術(shù)上將系統(tǒng)分模塊化，層次化進(jìn)行設(shè)計的方法，系統(tǒng)模塊及層次化設(shè)計如下所示； 1）主控系統(tǒng)：采用c51單片機作為系統(tǒng)的核心，用其控制飛行器以實現(xiàn)既定的性能指標(biāo)。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(yīng)用方便等優(yōu)點。 2）硬件設(shè)計： 驅(qū)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(zhuǎn)速，四個電機的轉(zhuǎn)速的配合就可以實現(xiàn)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(qū)動芯片L298。L298作為驅(qū)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(nèi)部，方便適用。 機械系統(tǒng)：本設(shè)計要求飛行器的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。 電源模塊：使用四節(jié)1.5V南孚電池為整個系統(tǒng)供電，電壓可達(dá)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(wěn)定的電流，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，符合實際要求。 信號檢測模塊：起飛后能到達(dá)指定位置并且能夠返回起飛點，在飛行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)拍照功能。 3）軟件設(shè)計 主要是采用c語言編程，對程序的控制，改變數(shù)據(jù)的大小來定電壓，提高電流，促進(jìn)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(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)傳送至單片機進(jìn)行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對四旋翼飛行器的智能化控制。在本系統(tǒng)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(fā)射器，接收器，控制電路，性能穩(wěn)定，測量距離精確，模塊高精度

17、，盲區(qū)小。 3）飛行姿態(tài)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(huán)控制算法實現(xiàn)的，這種控制采用閉環(huán)反饋，通過超聲波傳感器發(fā)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(zhuǎn)速。 5）為四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)，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(tǒng)應(yīng)該盡可能輕，能量密度要大?？紤]到線性穩(wěn)壓方式轉(zhuǎn)換效率不高，能量損耗大的缺點，本系統(tǒng)改用開關(guān)電源的方式來穩(wěn)壓。但開關(guān)電壓會產(chǎn)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(chǔ)（限150字） 為了設(shè)計四旋翼自主飛行器，必須具備

18、單片機的基礎(chǔ)知識，能夠靈活運用單片機的內(nèi)部資源，能夠熟練使用編程語言實現(xiàn)飛行器的基本功能，掌握基本的模擬電子技術(shù)以及數(shù)字電子技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換,熟練掌握電子技術(shù)基礎(chǔ)用以設(shè)計單片機的外圍電路從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。 7、 設(shè)備條件（限150字） 為了設(shè)計出能夠完成一些指定飛行任務(wù)的四旋翼自主飛行器就必須具備充實的單片機基礎(chǔ)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(jìn)行控制從而使電機轉(zhuǎn)向，前進(jìn)，停止等一系列動作。熟悉整個系統(tǒng)設(shè)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(jù)系統(tǒng)實際需求，對各個模塊進(jìn)行了初始化配置，通過對相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器或狀態(tài)寄存器的讀寫，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。8. 本項目的創(chuàng)新之處（限200字）攝像模塊：飛行器在飛行過程中進(jìn)行拍攝，能有效的儲存視頻。用模塊設(shè)計的思想給出了四旋翼飛行器的整體設(shè)計框架，以及飛行姿態(tài)的的解算。飛行模塊：陀螺儀調(diào)整飛行姿態(tài)，輸出的誤差小，完全能滿足飛行器在飛行過程中的姿態(tài)矯正。 系統(tǒng)控制模塊：選擇STC89C52單片機進(jìn)行系統(tǒng)的控制。該單片機具有IAP功能，運行穩(wěn)定，保密性強，支持在線下載。 電源模塊：使用四節(jié)1.5V南孚電池為整個系統(tǒng)供電，電壓可達(dá)到6.5v，使系統(tǒng)運行穩(wěn)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(wù)2016/06/01-2016/07/10 設(shè)計單片機最小系統(tǒng),完成外圍硬件電路的設(shè)計 2016/07/10-2016/08/10 搭建開發(fā)平臺根據(jù)電路原理圖使用C語言編寫四旋翼程序, 對系統(tǒng)程序進(jìn)行仿真，查找錯誤并進(jìn)行優(yōu)化。2016/08/12-2016/08/16 參加大學(xué)生電子設(shè)計大賽，完成實物制作并進(jìn)行最終調(diào)試2016/09/01-2016/10/3