基于四旋翼飞行器的气象勘探无人机文档格式.docx
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五、页面右上角项目编号由科研处统一填写。
六、凡格式不符合要求的申请书，不予接收。
一、基本信息
项目名称
项目类别
A
A．科学研究类B.发明创造类Ｃ.设计策划类
申请人
姓名
项目来源
指导教师姓名、职称
课题组
主要成员
申请项目
金额
1000
预定完成
时间
2016.3
内容摘要（不得少于400字）
当今社会环境下，对于环境保护的意识也在不断增强。
于是于此环境下对环境的检测也原来越重要；
但是在目前，在高空气象环境监测方面，最主要的还是使用气象勘探专用的探空气球搭载气象监测设备，作为空中气象站，上升到高空去采集信息，并传输到地面基站，再对采集得到的信息处理，得到所在区域的一些重要数据；
但是我们可以看到这种采用探空气球的方法，有着比较简易的低廉的特点。
但是这种探空气球，也在以下方面存在着问题，首先，在气球的制作中，虽然单次放飞的成本相对低廉，但是如果在某个地区需要进行多次严密的勘探时，这种方式就显得十分繁琐复杂；
其次，就是对于勘测设备的回收也是一个十分棘手的方面，如果，当气球从高空下落时，具有极高的速度，这样设备就很容易被损坏，这样检测设备的使用周期就十分短；
再次，由于高空气流的作用，使得气球在空中会被吹走，使得探空气球的定点性很差，同时也加大了回收的难度。
不过我们团队的设计的四旋翼气象勘探无人机，则不会有这些问题首先，我们的飞行器的控制可以采用遥控方式进行控制，使得可以气象的勘探变得简单了，设备的回收也简单了，通过对于四旋翼飞行器的设定，就可以使飞行器定点在某一个位置进行定点勘探。
同时，通过让飞行器携带摄像头，见图像回传，也就可以实现对飞行器的超视距控制。
二、项目论证
（一）申请理由（包括自身具备的知识、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等，不得少于1000字，可附页）
经过在校这一年半的学习，我们都已具备了进行电子开发的能力，在这一年半时间里，我们利用课余时间自学了单片机，学习了altiumdesigner的使用，已具备了自主进行电子开发的能力，同时我也在暑假随队参加了飞思卡尔杯全国大学生智能车大赛安徽组的比赛，具有自主开发的能力。
本人具有娴熟的电子制作基础，具备硬件设计开发能力，熟练掌握电子开发技巧，可以对产品做出深入开发，并且对于电子开发有着浓郁的兴趣。
曾经在校循迹车比赛中获得三等奖，在第九届飞思卡尔全国大学生竞赛中获得安徽区三等奖
我们的队员邓云飞具备一定的c语言、单片机和电路知识，可以编制简单单片机程序比如循迹智能车的程序。
擅长编写软件程序，同时对硬件的设计也很有兴趣，曾在校循迹智能车大赛中获得三等奖。
队员张兵，心思细腻，在硬件调试方面特别细心，且学习能力很强，对硬件的适应能力很强，喜欢电子制作，并且具备一定的开发能力，曾在校智能寻迹小车比赛中获得二等奖；
队员阎其乐，有着非常活跃的思路，在产品开发中曾给我带来了很多启发，心思细腻，尤其善于调试硬件，曾在校循迹智能车比赛中，获得二等奖；
队员马振亚，有着极强的学习能力，有着扎实的C语言编程基础，做事稳重沉着，极具责任心，动手能力强，有着扎实的电路知识基础，对电子开发富有热情；
曾在校智能循迹车比赛中获得三等奖。
立项依据：
本课题理论意义与研究现状与趋势，应用价值，创新点。
（三部分逐项填写，不得少于2000字，可附页）
必要性：
目前国内外对于气象勘探多采用氢气球或者氦气球搭载仪器升空，做高空勘探，其中又分为两类，一种是有与地面有连的叫系留气球。
另外一种是没有与地面连接的叫自由气球；
从这可以看出利用气象气球作为勘探工具的一些弊端：
1，利用系留气球做勘探时，由于有与地面连接的缆绳的关系，使得其升空高度受到缆绳长度的限制，另外，由于高空气流的作用，使得气球的实际滞空高度将远远小于缆绳的长度；
2，如果采用另外一种没有缆绳连接的自由气球时，虽然没有缆绳限制其滞空高度，但是受到高空气流的影响使得气球会被气流吹离目标观测点很远使得，其设备的回收变得比较困难；
3同时由于采用有缆绳连接的系留气球时，为了保证气球的仪器的回收，则就要使用高强度的缆绳，这时缆绳的质量折优惠使得系留气球的升空载重变小，可携带的仪器仪表较少；
4当采用自由气球是由于气球的回收麻烦，即使回收成功，由于高空坠落的原因，使得仪器仪表，极易受损；
5另外在用气球做勘探时受气流影响使得气球的顶定点性极差；
6，另外由于气象气球作为一种无动力飞行器，使得其可操控性极差，使得需要对某一点做巡回勘探时期难度极差。
我们的设计经过全体队员的激烈讨论研究，决定采用现在以相对成熟的四旋翼飞行器技术，这使得其开发的难度相对降低，对于飞行器的控制也相对稳定，也有利于作品的成型，同时也具有相对较大的可行性。
另外只要稍稍修改携带的设备就可以轻松完成不同项目的测的检测。
方案设计：
1起初我们团队本打算采用例如探空的方案气球，可是由于这个方案的几个问题，被我们放弃了。
经过缜密的讨论之后，我们决定采用在现在以成熟的四旋翼飞行器作为平台，来打载仪器仪表升空进行勘探任务；
2传感器方面，我们讨论决定采用气压计作为高度的传感器，姿态方面。
我决定使用mpu6050陀螺仪传感器，他可以检测飞行器当前的姿势状态并通过四元数装换欧拉角的算
法得到飞行器当前的飞行状态，得到飞行器当前的姿态，并将通过过调整四个旋翼的转速来使飞行器处在一个相对的稳定的状态，这就构成了一个闭环的PID控制系统。
3控制与数传部分，我们计划使用频率为2.5GHz的无线控制芯片nrf2401，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。
其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。
nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统；
4电机部分，为了提高飞行器的载重能力，我们计划使用高速的无刷电机，由于其没有电刷，所以其使用寿命和维护起来也较容易。
在配合高速高强度的桨片就可以使载重能力大大提高；
5骨架设计，我们计划采用高强度且十分轻的碳纤维管，这可使飞行器的自重极大降低，提高了飞行器的运载能力。
6图像的回传，我们将使用无限图传模块家摄像头拍摄到的图像回传到控制的操作员处，以实现操作上的超视距控制。
其中传送上可以采用Nrf2401的一个频道。
课题目标：
制作出四旋翼气象勘探无人机的产品，控制稳定；
并且可以达到远程超视距控制，使得飞行器空载到0.5公斤；
携带一些较轻的气象仪器，并将采集到的数据回传，得带高空的一个气象数据。
推广应用：
我们的飞行器在搭载不同的气象学仪器后即可完成不同的气象学工作，同时扩展后，让它携带其他设备，既可以进行地质学或者生物学上的勘探。
也可应用于野生生物的生物保护上。
还可应用于环保部门对所辖区域的监管。
创新点：
在于取代了传统的气球方式，使得其可以受控，同时维护成本低，可实现定点的监测任务，也可以实现一个巡回的检测任务。
使得气象监控变得易于操作，
（3）前期准备情况：
本单位所具备条件，查阅资料及主要参考文献（不得少于1000字，可附页）
在21世纪，人们保护环境的意识越来越强，国家也提出了建设中国梦的主张，其中环境的保护就是其中一项极其重要的要点，但是，对环境的监管在手段犯法上还不够完善，故此，我们提出了利用四旋翼无人机作为一个环境监测站的想法。
四旋翼飞行器历史回顾：
1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何的控制，所以飞行稳定性是很差。
1921年，GeorgeDeBothezat在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另架大型的四旋翼直升机先后进行了一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准。
1924年，出现了一种叫做Oemichen的四旋翼直升机，直升机首次实现了1km的垂直飞行。
1956年，Convertawing造了一架四旋翼直升机，该飞行器的螺旋桨在直径上超过了19英尺，用到了两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器。
在此之后的数十年中，四旋翼垂直起降机没有什么大的进展。
近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展四旋翼垂直起降机制理论等技术的发展，四旋翼垂直起降机又引起人们极大的兴趣。
研究集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。
目前在国内也出现了像大疆科创这样的技术承受的四轴公司，以及以及象匿名科创这样的以技术分享为主的四轴公司，还有以及一些象佳航科技专注农业方面的四轴公司，目前国内四轴产业呈现出一幅朝气蓬勃如雨后春笋般的景象。
（四）研究内容和提纲（不得少于3000字，可附页）
结构：
相对的两个电机逆时针旋转的同时，另外两个电机顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
与电直相比，四旋翼飞行器有下列优势：
各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。
构造：
四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。
为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成惯性导航模块，它还通过电子调控器来保证其快速飞行。
运行模式：
垂直运动：
图a中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；
反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。
当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
俯仰运动
图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。
为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。
由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
滚转运动
与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
偏航运动
四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。
旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。
反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；
当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。
在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。
前后运动
要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。
在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。
按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。
向后飞行与向前飞行正好相反。
当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。
侧向运动
在图f中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
（五）拟采取的研究方法和技术路线（不得少于1000字，可附页）
拟解决的关键问题（不得少于1000字，可附页）
技术难点：
首先，在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，很难获得其准确的性能参数。
其次，微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统。
它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
再次，利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除，怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。
这三个问题解决成功与否，是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价值。
另外就是对四轴飞行器的的制作的资金方面，目前我们还处于在校学习阶段，经济承受能力有限，所以我们需要学校拨发给我们一部分启动资金，为研究和制作购买一些必须使用的元件、器材。
（七）研究进度安排和中期成果（中期研究成果要量化）
2015年7月在matlab中制作出飞行器的数学模型，3维模型；
2015年8月制作出飞行器的控制板；
2015年9月写出飞行器的主控程序，并利用matlab对其惊醒仿真模拟
2015年10月调试出能够稳定的飞行器；
2015年12月调试出数传，图传部分；
2016年1月将数传图传与飞行器组合调试；
2016年2月中完成其室内试飞；
2016年3月完成室外试飞并结题。
（9）目的经济、社会效益分析
本作品可以以产品发布，并项作为政府环境部门对偷排偷放行为的监管，作为警擦巡逻的助手，在高空对周围巡逻检查。
并且可以搭载矿脉勘探设备，勘探矿脉，也能够在发生灾害时做为物质的运输机使用，以及灾害状况的勘察。
三、经费预算和评审意见
申请经费预算
经费用途
预算依据
金额（元）
pcb制板
市场调查
200
电子元件购买
万用板
50
机械结构
100
桨叶
40
数图传输模块
申请人承诺
我保证填报内容的真实性。
如果获得资助，我与本项目其他成员将遵守《安徽科技学院大学生创新课题管理办法（暂行）》的有关规定，切实保证研究工作时间，按计划认真开展研究工作，按约定承诺及时报送有关材料。
签名：
年月日
指导
教师
意见
指导教师签名：
年月日
院部
推荐
经评审专家组研究，是否同意立项：
是（）否（）
若为自筹，是否给予经费资助：
是（）否（）
评审专家组组长及成员亲笔签名：
负责人签章：
教学院（部）盖章
年月日
学校审批意见
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