大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目立題申報(bào)書資料

1、申請(qǐng)編號(hào)蘭州交通大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目立題申報(bào)書項(xiàng) 目名稱 四軸飛行控制器的硬件運(yùn)行檢測仿真平臺(tái)起止年限 委托單位承擔(dān)單位課題負(fù)責(zé)人馬清宗專家委員會(huì)負(fù)責(zé)人 蘭州交通大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新工作領(lǐng)導(dǎo)小組2015年9月27日填表說明1. 填寫申請(qǐng)書前，請(qǐng)先查閱蘭州交通大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金管 理辦法，申請(qǐng)書各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，認(rèn)真填寫。2. 填寫申報(bào)書時(shí)請(qǐng)用小四號(hào)宋體填寫，外來語要同時(shí)用原文和中文 表達(dá)，第一次出現(xiàn)縮寫詞須注出全稱。3. 申報(bào)書請(qǐng)用A4紙打印，于左側(cè)裝訂成冊，學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新工 作領(lǐng)導(dǎo)小組審核遴選后簽署意見，統(tǒng)一匯總報(bào)送校大學(xué)生科技創(chuàng)新工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室426室，聯(lián)系人：王斌；電話 4

2、957079。4. 本表一至七欄由課題組負(fù)責(zé)人填寫，申請(qǐng)編號(hào)由校大學(xué)生科技創(chuàng) 新工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室填寫。5. 科研業(yè)務(wù)費(fèi)系指：1) 動(dòng)力消耗/設(shè)備租用費(fèi)2) 計(jì)算、測試、分析費(fèi)3) 業(yè)務(wù)資料費(fèi)4) 科研調(diào)研費(fèi)5) 報(bào)告、論文印刷費(fèi)6. 實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)：指科研用消耗性材料、試劑、藥品等購置費(fèi)，樣品采集加工和運(yùn)雜、包裝費(fèi)。7. 儀器設(shè)備費(fèi)：指課題所特需的專用小型儀器或設(shè)備，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室已有的不得購買。所購儀器設(shè)備形成學(xué)校固定資產(chǎn)。8. 本申報(bào)書可在校團(tuán)委網(wǎng)頁下載。 .c n/list.aspx?cid=2389. 為了環(huán)保節(jié)約，請(qǐng)雙面打印。課 題 組 成 貝序 號(hào)姓名年級(jí)年

3、齡學(xué)歷所在學(xué)院1馬清宗2013 級(jí)22本科自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2邢科2013 級(jí)21本科自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院3張建雄2013 級(jí)21本科自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院4張山高2013 級(jí)23本科機(jī)電工程學(xué)院指 導(dǎo) 教 師序 號(hào)姓名職稱年學(xué)歷所在學(xué)院1曠文珍副教授37研究生自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2_李強(qiáng)講師35研究生自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院一.課題簡介（主要研究內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)、成果形式）。（限300字以內(nèi)）本課題是用STM32微控制器搭建的一個(gè)用于檢測和評(píng)估飛控板運(yùn)行狀態(tài)的 平臺(tái)。主要研究內(nèi)容一個(gè)為三軸陀螺儀三軸加速度計(jì)（mpu6050傳感器）數(shù)據(jù)模擬模塊的建立，并且通過串口發(fā)送到 PC終端的上位機(jī)，以實(shí)時(shí)顯示

4、當(dāng)前平臺(tái)所 處的狀態(tài)，以達(dá)到對(duì)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)觀測；再一個(gè)為PC終端上位機(jī)的編寫，所編寫的上位機(jī)可以通過調(diào)節(jié)自身的參數(shù)，可以模擬各種復(fù)雜環(huán)境下四軸飛行器的 實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并且將其實(shí)際飛行姿態(tài)以3D形式顯示出來；最后一個(gè)為NRF24L01無線通信模塊，通過此模塊可以達(dá)到 PC終端上位機(jī)和檢測平臺(tái)之間 的實(shí)時(shí)通信。課題的預(yù)期目標(biāo)是打造一款能夠最真實(shí)檢測和評(píng)估四軸飛行器的硬件平臺(tái)， 成果形式為硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)物的制做。二. 項(xiàng)目研究的內(nèi)容（技術(shù)路線、需解決的關(guān)鍵問題及研究方法等）1、研究內(nèi)容：（1）四軸飛行器的控制理論；（2）設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)本方案目標(biāo)的硬件電路；（3）通過VC+編寫針對(duì)硬件平臺(tái)的上位機(jī)軟

5、件；（4）控制程序代碼的編寫，包括硬件平臺(tái)的各個(gè)模塊的程序和飛控板固件 程序等；（5）測試以及最后的方案總結(jié)。2、方案總體設(shè)計(jì)硬件框圖：針對(duì)方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)以及結(jié)合方案設(shè)計(jì)框圖有：（1）通信模塊包含有 NRF24L01、WIFI模塊以及通用串口 RS232;（2）儲(chǔ)存模塊包含有SD卡用于儲(chǔ)存拍攝的圖像信息、EEPROM儲(chǔ)存一些關(guān)鍵 信息防止掉電丟失；（3）傳感器模擬模塊最少包含有加速度計(jì)、陀螺儀以及電子羅盤，同時(shí)還可以 包含氣壓計(jì)傳感器、溫度傳感器或者 GPS北斗等；（4） 遙控器接收機(jī)主要是為了與專業(yè)的遙控器配對(duì)，他可以實(shí)現(xiàn)1000米的距離 控制，這是 WIFI和NRF24L01都無法比擬的；

6、（5）由于本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)量比較大，同時(shí)對(duì)運(yùn)算速率也有很苛刻，所以我們選 擇的主控器MCU必須能夠達(dá)到以上的要求，初步選擇的主控器是 STM32F4系 列，他的主頻是168MHZ，最高數(shù)據(jù)處理速率為210DMIPS、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、內(nèi) 部最高可集成1MB的Flash、192KB的SRAM。（6）飛控監(jiān)測模塊是將管腳出來的 PWM利用解析算法分析之后傳給無線收發(fā) 模塊，以傳輸?shù)絇C終端上位機(jī)進(jìn)行3D顯示當(dāng)前四軸飛行器運(yùn)行的姿態(tài)。（6）PC終端上位機(jī)的作用是通過無線收發(fā)模式， 將硬件仿真平臺(tái)傳回來的數(shù)據(jù) 進(jìn)行解析，并且通過設(shè)置上位機(jī)自身的參數(shù)（包括機(jī)架的大小、螺旋槳的大小、 電機(jī)的額定參數(shù)、電調(diào)的型號(hào)

7、和電池電量的變化等），將四軸飛行器的實(shí)際運(yùn)行 狀態(tài)（包括各個(gè)姿態(tài)角、氣壓的大小、所處的海拔高度、偏航角的大小和在空間 所處的大體位置等）以3D形式在上位機(jī)上直觀的顯示出來。3、方案總體設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)圖：軟件部分可以分為六大部分，其中 STM32F4飛控板固件程序設(shè)計(jì)是最基本 的，也是整個(gè)方案是否能夠完成的核心。其次就是移動(dòng)控制終端的程序設(shè)計(jì)和 PC終端上位機(jī)的編寫，可以通過移動(dòng)終端向平臺(tái)發(fā)送相關(guān)指令，同時(shí)也可以接 受平臺(tái)發(fā)送過來的信息。4、項(xiàng)目的研究方案：本項(xiàng)目在研究過程中，遵循有簡單到復(fù)雜，由認(rèn)識(shí)到創(chuàng)新的循序漸進(jìn)的原則； 將該項(xiàng)目分成以下幾個(gè)模塊，分階段對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行研究。下面將該項(xiàng)目分成如

8、下幾個(gè)模塊，并對(duì)各個(gè)模塊制定具體的方案如下：（1）平臺(tái)PC終端上位機(jī)的編寫：利用 VC+根據(jù)四軸飛行器的原理進(jìn)行算法 模擬，將四軸飛行器的動(dòng)力原理編寫到平臺(tái)的 PC端上位機(jī)中，并且通過 上位機(jī)上顯示運(yùn)行的各種參數(shù)。（2）對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)各個(gè)模塊的功能和要求，確定出各個(gè)模塊的電路 圖，根據(jù)所需元器件搭建出硬件平臺(tái)。（3）對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：根據(jù)各個(gè)模塊的要求、參數(shù)、承載能力和功耗問題，利用工程優(yōu)化知識(shí)對(duì)各個(gè)元器件和平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化各個(gè)元器件及總體結(jié)構(gòu)。（4）對(duì)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)：將設(shè)計(jì)好的平臺(tái)系統(tǒng)用于實(shí)際，使其能夠順利的完 成各項(xiàng)測試。三. 項(xiàng)目意義（科學(xué)技術(shù)本身及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益分

9、析）。1、研究的意義：隨著科技的發(fā)展，四軸飛行器不僅在軍事和民生的各個(gè)方面帶來了很多的便 利，而且在大學(xué)生中也流行起來了，社會(huì)上也有很多的開源網(wǎng)站和論壇供大家一 起學(xué)習(xí)和討論，但是這些論壇和網(wǎng)站都是需要有一定基礎(chǔ)和水平人才能更加升入 的去學(xué)習(xí)，而對(duì)于小白來說，這些網(wǎng)站和平臺(tái)都有一定的高度。而本項(xiàng)目所制作 的硬件平臺(tái)剛好巧妙的避開了這一弊端，他不僅可以使開發(fā)人員減小研發(fā)周期， 降低一些不必要的經(jīng)濟(jì)支出，增強(qiáng)安全性，而且它面向許多的新手和小白，可以 讓他們從零基礎(chǔ)開始玩四軸飛行器， 在平臺(tái)上調(diào)試自己的代碼，對(duì)于很多新手和 小白有很大的幫助，讓他們不再為一些底層的東西所困擾。 此平臺(tái)最大的優(yōu)點(diǎn)就 是

10、通過PC終端上位機(jī)以3D模型直觀的顯示四軸飛行器在各種復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn) 行姿態(tài)，很清楚的了解到四軸飛行器在運(yùn)行時(shí)的各個(gè)參數(shù)，最大限度的避免用實(shí)物去直接調(diào)試。此平臺(tái)面向廣大航模愛好者，而對(duì)于有興趣而有沒有一定的基礎(chǔ) 的人來說更是首選，具有較大的市場前景。四. 前期工作（國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，本單位所具備條件，查閱資料及發(fā)表論文情況）。由于四軸飛行器的各種優(yōu)勢，在軍事方面，它是重要的戰(zhàn)術(shù)武器，可用于 巡視偵察、攻擊目標(biāo)、信息對(duì)抗、通信中斷、反潛等多中場合。因此引起各國軍 隊(duì)的高度重視。在民用方面，可用于災(zāi)情探測和搜救災(zāi)情中的傷員、地質(zhì)勘探， 航空自攝、氣象探測、大氣污染探測等場合?；谒妮S飛行器

11、的優(yōu)越性能和用途 廣泛，使其有很大的研究空間和意義。正是在這種背景下，社會(huì)上誕生出了很多開源平臺(tái)供大家一起學(xué)習(xí)和交流， 但是缺少一款用于調(diào)試程序的平臺(tái)， 此平臺(tái)就是應(yīng)這種需求而誕生，不僅可以在 此平臺(tái)學(xué)習(xí)如何制作四軸飛行器，如何調(diào)試自己的程序代碼，也可以在此平臺(tái)上 搭建自己的功能，是一款最直觀最真實(shí)檢測四軸飛器實(shí)際運(yùn)行的平臺(tái)， 從而為制 造四軸飛行器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而成為廣大航模愛好者的一個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)。 現(xiàn)從 本?，F(xiàn)在所具備的的各種科技條件來看，此平臺(tái)所需要的一些元器件和實(shí)驗(yàn)過程 所必須的儀器完全具備，所以完全有能力開發(fā)這一款仿真平臺(tái)。根據(jù)所學(xué)課程模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)

12、、 自動(dòng)控制原理完成硬件電路的搭建，利用 C+語言和VC+編寫PC終端上 位機(jī)，有利用C語言編寫飛控板固件程序，從而完成該項(xiàng)目。五. 項(xiàng)目預(yù)期成果形式及技術(shù)指標(biāo)。1、項(xiàng)目預(yù)期成果形成：提交報(bào)告，四軸飛行器硬件檢測平臺(tái)實(shí)物和上位機(jī)軟件。2、技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)工作時(shí)，CPU通過IIC通信協(xié)議將模擬傳感器 MPU6050的原始數(shù)據(jù)， 通過數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP : Digital Motion Process。)硬件加速引擎，向應(yīng)用 端輸出完整的6軸融合演算數(shù)據(jù)。經(jīng)過 CPU程序算法的處理最終將輸出四路 PWM波，通過NRF24L01無線模塊將信息發(fā)送給 PC終端的上位機(jī)，PC終端又 通過各種解析算法和

13、自身的參數(shù)， 對(duì)所得到PWM波進(jìn)行分析解算，模擬出飛控 中程序當(dāng)前所執(zhí)行的狀態(tài)，并且以 3D模型在上位機(jī)上直觀的顯示出來。并且硬 件平臺(tái)上裝有通過攝像頭，將采集的圖像實(shí)時(shí)的無線模塊傳回到電腦，從而達(dá)到模擬航拍的功能。并且硬件平臺(tái)上自帶了2.4G的無線通信模塊(NRF24L01模塊)，通過無通信線模塊不僅可以將硬件平臺(tái)上的各中數(shù)據(jù)發(fā)送到PC終端，也可以通過PC終端發(fā)送指令，以達(dá)到對(duì)硬件平臺(tái)實(shí)施遠(yuǎn)程無線操控。最主要的技 術(shù)指標(biāo)在于飛控固件程序的編寫和優(yōu)化，還有 PC終端上微機(jī)的編寫。六. 試驗(yàn)地點(diǎn)、課題進(jìn)度安排。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：自動(dòng)化學(xué)院717 課題進(jìn)度安排：課題研究工作分為五個(gè)階段完成：第一階段(20

14、15.10-2015.12):主要收集資料和理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，具體包括 mpu6050的姿態(tài)解算和NRF24L01無線通信方式的學(xué)習(xí)，攝像頭圖像的采集矯正 和顯示等。這一期間主要通過圖書館，網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際調(diào)研等途徑搜集與整理相關(guān)資 料，并通過其他途徑收集必要的實(shí)際數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目的實(shí)施打下良好的基礎(chǔ)。 對(duì)方案的可行性進(jìn)一步論證，同時(shí)，跟指導(dǎo)老師進(jìn)行多次的交流，進(jìn)一步明確研究方 向與重點(diǎn)，從2016年1月來時(shí)進(jìn)入項(xiàng)目的第二階段。第二階段(2016.01-2016.02):在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，購買元器件，搭建各個(gè)模 塊的硬件平臺(tái)，并且編寫各個(gè)模塊的程序，并對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行修正，進(jìn)一步的改 進(jìn)，最后制作遙控器，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行模擬仿真。第三階段(：飛控板固件程序的編寫和優(yōu)化。第四階段(2016.06-2016.08 : PC終端上位機(jī)的編寫和自身參數(shù)的設(shè)定。第五階段(2016.09-2016.10):對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行綜合測試，尋找問題，修改 和改進(jìn)模塊，最后編寫綜合測試程序。最后提交報(bào)告，演示所制作的仿真平臺(tái)。七. 經(jīng)費(fèi)預(yù)算(科研業(yè)務(wù)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)、儀器設(shè)備費(fèi)等)序號(hào)項(xiàng)目預(yù)算預(yù)算金額(元)1實(shí)驗(yàn)材料2400.02 圖書資料費(fèi) 600.0備注STM32系列核心板，液