四旋翼飞行器自动驾驶仪设计开题报告文档格式.docx

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[1][2]工作。

自动驾驶仪原意是用自动器取代驾驶员，但是，一直到现在，作为自动飞行控制系统基本组成部分的自动驾驶仪实际上并无法完全取代驾驶员的职能，只有最完善的自动

[3]飞行控制系统才能真正取代驾驶员，实现全自动飞行。

自动驾驶仪的基本功能可以列举如下:

（1）自动保持三轴稳定，具体地说，即自动保持偏航角和俯仰角与某一希望角度，滚转角保持为零进行直线飞行。

（2）驾驶员可以通过旋钮或者其他控制器给定任意航向或俯仰角，使飞机自动改变航向并稳定于该航向，或使飞机上仰并保持给定俯仰角。

（3）自动保持飞机进行高度飞行。

（4）驾驶员通过控制器操纵飞机自动爬高或俯冲，达到某一预定高度，然后保持

[4]这个高度。

2本课题的发展历程和现状

（一）国外的研究成果

UVA，即没有出现在机飞行员的飞行器。

它包括:

旋翼式飞机、直升机、软式小型飞船以及其他飞行器。

相对于有人驾驶的系统而言，UAV具有很多优势（例如机动性，

[5]即瞬时改变姿态的能力），近些年来在控制和商业领域已经产生了相当客观的利润。

UVA的有事包括搜寻和营救、监视、远程检查、以及使飞行员免于危险条件下飞行的军事应用等。

主要应用有:

难以接近或很难到达的工作环境（例如星际飞行）;

危险的工作环境（例如战争中）;

飞行单调的工作环境;

飞行时间长的工作环境（大气观测，数据传输等等）;

及时是熟练的飞行员也不能胜任的飞行条件（例如，电影特技，飞行器

[6][7]的试验飞行等等）。

人类的进步与创造性的幻想是分不开的。

十八世纪后期，气球出乎意料地把人轻而易举地送到空中，开创了人类飞行实验的新纪元，并为后来飞机的上天开辟了道路。

1903年，美国莱特兄弟成功研制出世界上第一架能载人飞行的动力飞机，从而真正揭开

[8]了人类近代航空发展史的序幕。

人类对四旋翼飞行器的梦想和渴望由来己久，但受到理论认识和科技发展速度制约，四旋翼飞行器在很长一段时间里并未得到足够的重视和发展。

四旋翼飞行器的设计最早可以追溯到1907年，在Richet教授的指导下，Breguet兄弟Louis和Jacque制造了第一架旋翼式飞行器，Breguet-Richet四旋翼飞行器的框架是由四个长长的焊接钢管支架组成，并按水平十字交叉形式分布，处于对角线位置的

[9]旋翼，其中一对按顺时针方向旋转，而另一对按逆时针方向旋转。

据说该四旋翼飞行器已经飞了起来，并且携带飞行员飞到了1.5m的高度，但飞行时间很短。

然而这次飞

[10]行中没有用到任何的控制，可想而知，四旋翼飞行器的这次飞行的稳定性是很差的。

过莱特兄弟研制的第一架动力飞机试飞陈功。

此后，飞行器在科学和民用领域得到

[11]了人们广泛的认可，并最终成为了运输、娱乐和战争的可行性选择。

自从那时起，技术上已经有了很大的进步，并且开发的飞行器种类也越来越多。

除了飞机，20世纪初期

[12]也已经制造出了直升机。

旋翼式直升机中有一种叫做Ouadrotor的垂直起降机，也就是本人提到的四旋翼直

[13]升机。

Ouadrotor这一概念很久以前就已经提出了。

20世纪初，法国科学家和学者CharlesRichet制造了一个非常小的、没有驾驶员

的旋翼式直升机。

尽管该旋翼式直升机的飞行试验没有成功，但是这个实验使得Richet的一个学生LouisBreguet获得了灵感，并且不久之后成为了著名的航空学先驱。

1906年的下半年，在Richet教授的指导下，Breguet兄弟来自于著名的Breguet钟表制造

[14]世家，并且具有丰富的工作原理知识和足够进行一系列设计工作的资金。

1907年，Breguet兄弟制造了他们的第一架旋翼式直升机，即Breguet-Richet“旋翼机1号”。

Breguet-Richet四旋翼直升机的框架是由四个常常的焊接钢管支架组成，并按照水平十字交叉形式分布，看起来有点像几个梯子装配在一起。

1907年8月和9月间，“旋翼机1号”在法国北方小镇杜埃进行了第一次飞行试验。

据说该四旋翼直升机已经飞了起来，

[15]并且携带飞行员飞到了1.5米的高度，但飞行时间很短。

然而这次飞行中没有用到任何控制，可想而知，四旋翼直升机的这次飞行处女秀的稳定性是很差的。

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一架大

[16]型的四旋翼直升机。

直升机四个螺旋桨的直径每个都是26英尺，并且全部的四个螺旋桨都是由一个发动机带动的。

虽然DeBothezat四旋翼直升机先后进行了100多次飞行试验，但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到没过空军标准。

20世纪30年代，出现了一种叫做Oemichen的四旋翼直升机，该直升机首次实现了

[17]1km的垂直飞行。

紧接着Convertawings在纽约的Amitycille又制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，并通过机翼产生向前的飞行的升力。

该四旋翼直升机在设计中用了两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力来控制飞行器。

虽然Convertawings四旋翼直升机飞行很成功，但遗憾的是由于缺乏对于这种飞行器的兴

[18][19]趣，导致了工程设计人员研究的停止。

在此之后的数十年中，四旋翼直升机没有什么大的进展。

然而，近几十年来，四旋翼直升机又引起人们极大的兴趣，很多学术论文不断发表。

结构上进行了优化，动力学特性上进行了深入研究，尤其是传感器也进行了大胆的尝试，控制方法上更是不断尝试

[20][21]新方法。

这些资料可以增进研究和爱好者对四旋翼的了解和认识。

（二）国内的研究成果

[22]近几十年来，四旋翼直升机又引起人们极大的兴趣，很多学术论文不断发表。

结构上进行了优化，动力学特性上进行了深入研究，尤其是传感器也进行了大胆的尝试，

[23]控制方法上更是不断尝试新方法。

虽然国际上针对四旋翼飞行器已经进行了相当广泛和深入的研究，但在国内，目前这一方面的研究成果还很少。

3本设计完成的主要工作

飞行控制计算机是自动驾驶仪的核心组成部分，也是实现技术的主要内容。

1.首先应该进行系统的硬件选型，然后重点研究自动驾驶仪的设计思路和系统的工作

[24][25]原理，设计和实现各部分工作电路。

2.对自动驾驶仪控制系统进行需求分析，并且提出总体结构。

3.简单分析自动驾驶仪的结构形式，重点分析其工作原理。

参考文献:

[1]肖永利，厘米级旋翼微型飞行器研究与设计，[J]，上海，上海交通大学，2001

[2]GordonLeishmanJ,TheBreguet-RichetQuad-RotorHelicopterof1907,AHSInternationalDirectory,2001:

1—4

[3]李路明，王立鼎，MEMS研究的新发展——微型系统及其发展应用的研究，光学精密

工程，2006，5

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67—73

[4]FukudaT,IshiharaH,AraiF,Microrobotics,currentofartandfuture,IEEE

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（2）:

29—39

[5]MckerrowP,ModellingtheDraganflyerfour-rotorhelicopter,IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,2004,4

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[7]BouabdallahS,SiegwartR,BacksteppingandSliding-modeTechniquesAppliedtoanIndoorMicroQuadrotor,IEEEInternationalConferenceonRoboticsand

Automation,Barcelona,2005,4:

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[8]BouabdallahS,MurrieriP,SiegwartR,DesignandControlofanIndoorMicro

Quadrotor,IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,2004,5

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[9]ScottD,Hanford,LyleNLong,ASmallSemi-AutonomousRotary-WingUnmannedAirVehicle（UAV）,UniversityofPennsylvania,2005:

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[10]胡宇群，微型飞行器中的若干动力学问题研究，[J]，南京航空航天大学，2002

[11]申安玉，申学仁，李云保，自动飞行控制系统，北京，国防工业出版社，2003:

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—11

[12]鲍可进，C8051F单片机原理及应用，北京，中国电力出版社，2006:

15—291[13]HMR2300DigitalCompassSolutionsUser’sGuide,Honeywell,2004

[14]NovAtelFlexPak接收机,http:

//www.navchina.com/Article_gps.asp?

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[15]GPS700Ll/L2Antennas,NovAtelInc,2004

[16]OEM4FamilyInstallationandOperationUserManual,NovAtelInc,2004

[17]SRF05UltrasonicrangefinderTechnicalSpecification,http:

//www.Robot-electronics.co.uk/htm/srf05tech.shtml

[18]A2915外转子无刷直流电机，http:

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id=839

[19]林颖，SP2338串口扩展芯片在汽车行驶记录仪中的应用，汽车电子，2004，5（3）:

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[20]彭琦，低成本串口扩展方案在银行柜台密码键盘设备中应用，电子产品世界，2004，

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[21]TL16C554AsynchronousCommunicationsElementDatasheet,TexasLnstruments

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[22]徐玉，韩波，李平，基于AVR的舵机控制器设计，工业控制计算机，2004，17（11）:

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[23]肖业伦，飞行器运动方程，北京，航空工业出版社，2002:

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[24]潘新民，王燕芳，微型计算机控制技术，北京，电子工业出版社，2003:

126—158[25]蒋心怡，吴汉松，陈少昌，计算机控制工程，长沙，国防科技大学出版社，2002:

98—127

毕业设计开题报告,（本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）:

1本课题要解决的问题

1.1如何对自动驾驶仪控制系统进行需求分析，提出飞行控制系统的总体结构;

1.2把小扰动线性化的数学模型作为四旋翼飞行器控制对象，进行控制率设计;

1.3如何对系统硬件进行特性选型和分析;

1.4仿真参数的设置、仿真调试过程中出现的问题（数据类型的匹配问题等）如何解决。

2本课题拟采用的研究途径

2.1飞行控制系统总体结构

根据四旋翼飞行器飞行控制系统需求，采用如图所示的数字式飞行控制系统来实现。

图1飞行控制系统模块框图

图中虚线以上部分是空中机载平台，其核心是基于C8051F020的飞行控制计算机。

机载平台还包括一些非常重要的传感器。

机载平台和地面控制站之间通过无线接受发送器进行数据交换，地面控制站主要负

责飞行监控和飞行任务的制定，而机载平台负责导航和飞行控制。

地面控制站接收机载平台的飞行信号，以便飞行控制人员监控自主飞行，调整控制策略或者在必要的时候将自动飞行切换到手动，由飞行员通过遥控器来控制飞行器的飞行。

另外，地面上还提供一个DGPS基准站，配合机载平台上的DGPS一起工作，以提供更加精确的测量结果。

2.2系统硬件的选型和特性分析

1.处理器鉴于飞行控制系统需求，特别是为了达到其控制性能要求的情况下，满足重量轻、体积小、功耗低和成本低要求，处理器考虑在集成度高的高性能单片机中选择。

C8051F020芯片几乎无需增加额外芯片就能满足要求。

2.传感器为了测量四旋翼飞行器的3轴角速度和3轴线加速度信息，系统选用航天长城科技有限公司的MIN-IVA900惯性测量单元模块。

由于惯性测量单元的误差随时间积累，单独提供飞行器的姿态信息不能满足系统的自主飞行控制要求，因此需要使用三轴磁航向计对惯性测量单元的航向姿态信息进行修正。

系统选用霍尼韦尔公司的三轴智能数字磁航向计HMK2300来检测磁场的强度和方向，通过RS-232或者RS-485协议与外界通讯。

系统选用DGPS来确定四旋翼飞行器的位置。

3.执行器由于四旋翼飞行器要求成本低、重量轻，系统选用A2915外传子无刷直流电机。

A2915无刷直流电机工作电压为7.2-16.8VDC，电流为3-35A功效为90,，重量仅为154g，通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比）来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

2.3自动驾驶仪配置

1.根据四旋翼飞行器飞行控制系统的需求和系统硬件的选型，自动驾驶仪采用如下

配备方案:

（1）提供足够的程序存储空间和数据存储空间。

（2）提供4个RS-232标准的串行通信口，1个I/O口，分别分配给惯性测

量单元模块、磁航向计、DGPS、数字电台和高度计。

（3）提供4路控制电机的高精度PWM控制信号。

（4）提供4个I/O口，用来采样4个电机的转速信号。

2.自动驾驶仪设计

根据飞行控制计算机的配置和C8051F020的特性，设计飞行控制计算机结构如图所

示。

图2飞行控制计算机结构

基于四旋翼飞行器体积小、重量轻、功耗低的特点，挑选材料时，尽可能选用贴片封装的电阻、电容及元器件，使整机重量减轻，尽可能选用低功耗的CMOS元器件，使整机功耗降低。

考虑到控制程序可能用到大量数据，需要较大的内存空间，因此采用静态RAM芯片IS62C256在C8051F020片外扩展了32KBSRAM。

2.4控制率的设计

四旋翼飞行器控制系统的结构框图中包括6个控制回路，设计的控制律简要总结如下:

（1）俯仰（滚转）姿态控制回路，采用参数最优法整定的比例积分控制。

（2）偏航角控制回路，采用比例分离法整定的比例积分控制。

（3）前向（侧向）位置控制回路，使用凑试法整定的比例积分控制。

俯仰（滚

转）姿态控制回路作为内回路设计，前向（侧向）位置控制回路作为外回路进行设

计。

（4）高度控制回路，使用凑试法整定的比例控制。

由于引入四个控制量，因此四旋翼飞行器的俯仰、滚转、偏航和高度运动可分别通过四个控制输入量来独立实施控制。

小扰动线性化的数学模型，作为四旋翼飞行器控制对象进行控制系统设计，姿态控制作为内回路，位置控制作为外回路，采用经典的比例积分微分控制方法，设计了姿态控制律和位置控制律，进行了数字仿真。

2.5数字仿真

（1）俯仰（滚转）姿态控制

对于俯仰（滚转）姿态回路，采用比例积分控制，能够保证系统的稳定性，稳态误差为零，并且系统响应速度快，趋于稳态时的速度很快，系统性能得到有效地改善。

（2）偏航姿态控制

偏航姿态回路在没有控制的情况下，系统随着时间的增加，偏航角线性增长，动态性能和稳态性能都很差。

对于偏航姿态回路，采用比例分离法，能够保证系统的稳定性，稳态误差为零，并且响应速度较快，系统性能得到有效地改善。

（3）前向（侧向）位置控制

前向（侧向）位置回路在没有控制的情况下，系统动态性能较差，稳态误差较大。

由于俯仰（滚转）姿态内回路中的比例积分控制抵消了位置控制回路中的积分环节，为使系统的稳态误差为零，位置控制系统的外回路仍采用比例积分控制设计方案，能够保证系统的稳定性，稳态误差为零，系统性能得到有效地改善，但是系统趋于稳态时的速度一般。

（4）高度控制

高度回路在没有控制的情况下，系统随着时间的增加，高度线性增长，动态性能和稳态性能都很差。

考虑采用简单的比例控制对高度回路进行控制，改善系统的动态性能和稳态性能。

毕业论文开题报告指导教师意见:

1（对“文献综述”的评语:

该设计的文献综述详细阐述了本课题的选题背景、自四旋翼飞行器的发展和国内外现状。

有关论文各方面的工作基本能满足老师的要求，同时整体进程也比较符合学校对于毕业设计时间安排。

2（对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测:

飞行控制计算机是四旋翼飞行器自动驾驶仪的基本组成部件。

采用模块化设计思想，设计开发了一种基于C8051F020高性能单片机为核心的飞行控制计算机。

该设计需要熟悉和掌握C语言程序设计基础、单片机原理及应用、自动控制原理、电机学、现代控制理论等基础知识的运用。

本毕业设计具有一定的深度和广度，工作量也适中。

学生理解较为透彻，准备比较充分，基本知识点还算掌握牢固;

工作态度认真，能够按时完成老师交待的工作任务，并且根据自己的理解提出解决问题的思路，办法。

预计能够按时完成本毕业设计。

同意开题。

年月日

所在系审查意见:

系主任: