民用多旋翼航拍无人机飞行的设计初稿4.docx

1、民用多旋翼航拍无人机飞行的设计初稿4 毕业设计(论文)题 目 民用四旋翼无人机飞行控制系统的设计 学院名称 船山学院 指导教师 徐祖华 职 称 副教授 班 级 电气工程及其自动化12级01 班 学 号 20129450109 学生姓名 谭佳龙 2016年5月20 日 南 华 大 学毕业设计（论文）任务书学院： 船山学院 题目： 民用四旋翼无人机飞行控制系统的设计 起止时间： 2015年12月 至 2016年5月 学生姓名： 谭佳龙 专业班级： 电气工程及其自动化12级01 班 指导老师： 徐祖华 教研室主任： 肖金凤 院 长： 王新林 2015 年 12 月 20 日设计（论文）内容及要求1.

2、背景资料 1.1 四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于

3、同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。1.2四旋翼无人机除了飞行动力系统以外还有飞行控制系统，飞行控制系统采用STM32作为主控芯片，同时采用气压计和三轴陀螺仪作为辅助稳定系统1.3附加模块：电动起落架、三轴云台、航拍相机、降落伞、图像传输模块、数字信号传输模块、PWM遥控器等2. 设计内容2.1 整体方案设计。2.2 电机、机架材料、桨的选型。要求具有平稳飞行、悬停、定高、航拍等功能。属于设计的重点内容。2.3 飞行控制系统以及电子调速器的设计。属于设计的重

4、点内容。2.4 飞行控制系统算法的设计。属于设计的重点内容。2.5 附加功能的设计。3. 论文要求4.1独立完成设计的全部内容。4.2 独立撰写毕业设计论文一篇（不少于15000字）。4.3 毕业设计论文符合学校规定的论文格式、图表规范。4.4毕业设计的有关资料存入磁盘（或刻录光盘）。5. 进度安排2015年12月2016年1月：资料收集、整理，撰写文件综述和开题报告。2016年2月：方案设计。2016年3月：各部件选型以及初步确定飞行控制系统和电子调速器的设计方案。2016年4月：飞行控制系统以及电子调速器的设计。2016年5月：调试代码，试飞，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。 指导教

5、师： 2015 年12 月22 日 毕业设计(论文)文献综述题目： 民用四旋翼无人机的设计 学院： 船山学院 指导老师： 徐祖华 职称： 副教授 班级： 电力01 班 学号： 20129450109 学生姓名： 谭佳龙 2016年01月20日 民用四旋翼无人机的设计的设计文献综述摘要：无人机航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性的优点。特别适合获取带状地区航拍影像（公路、铁路、河流、水库、海岸线等）。且无人驾驶飞机为航拍摄影提供了操作方便，易于转场的遥感平台。起飞降落受场地限制较小，在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降，其稳定性、安全性好，转场等非常容易，本文详细讲述航拍无人机发展历

6、程、现状以及未来航拍无人机的发展。关键词：多旋翼 发展历程 航拍无人机 前言多旋翼无人机发展历程 20世纪40年代，二战中无人靶机用于训练防空炮手。 1945年，第二次世界大战之後将多於或者是退役的飞机改装成为特殊研究或者是靶机，成为近代无人机使用趋势的先河。随著电子技术的进步，无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。 20世纪55年到74年的越南战争，海湾战争乃至北约空袭南斯拉夫的过程中，无人机都被频繁地用于执行军事任务。 1982年以色列航空工业公司(IAI)首创以无人机担任其他角色的军事任务。在加利利和平行动（黎巴嫩战争）时期，侦察者无人机无人机系统曾经在以色列陆军和以色列

7、空军的服役中担任重要战斗角色。 以色列国防军主要用无人机进行侦察兵，情报收集，跟踪和通讯。 1991年的沙漠风暴作战当中，美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵，这种诱饵也成为其他国家效彷的对象。 1996年3月，美国国家航空航天局研制出两架试验机：X36试验型无尾无人战斗机。该机长5.7米，重88公斤，其大小相当于普通战斗机的28%。该机使用的分列式副翼和转向推力系统比常规战斗机更具有灵活性。水平垂直的机尾既减轻了重量和拉力，也缩小了雷达反射截面。无人驾驶战斗机将执行的理想任务是压制敌防空、遮断、战斗损失评估、战区导弹防御以及超高空攻击，特别适合在政治敏感区执行任务。 20世纪

8、晚期之前， 他们不过是比全尺寸的遥控飞机小一些而已。美国军方在这类飞行器上的兴趣不断增长，因为他们提供了成本低廉，极富任务弹性的战斗机器，这些战斗机器可以被使用而不存在机组人员死亡的风险。 20世纪90年代，海湾战争后，无人机开始飞速发展和广泛运用。美国军队曾经购买和自制先锋无人机在对伊拉克的第二次和第三次 海湾战争中作为可靠的系统。 20世纪90年代后，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上：新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间；采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度；先进的自动驾驶仪使无人机不再需要陆基电视屏幕

9、领航，而是按程序飞往盘旋点，改变高度和飞往下一个目标。1.航拍无人机发展历程 1858年法国人纳达尔乘坐气球，从白米外的高空纵情一跃，历史上第一张航拍照片诞生了，一个半世纪后，纳达尔14次捧起大满贯奖杯，成为了横跨两个完全不同领域并获得卓越成绩的历史第一人。当然这是一个玩笑，此纳达尔非彼纳达尔，虽然没有网球名将如此高的知名度，XX上搜索也不会出现他的名字，但作为法国著名摄影师，他用极具想象力的手法以及勇气开启了航拍领域的一扇大门。中国本土最早的航拍，严格意义上说和我们自己并无多大关系。1900年八国联军来到北京，法国远征军的上尉为了见证这个事件，命令侦查部队的热气球在北京、天津两地进行拍摄，留

10、下了中国历史上已知最早的航拍作品。从很多资料中都可以看到，早期的航拍与热气球有着不解之缘。哪怕飞机诞生后，主要的拍载具依然是热气球，这其中很大一部分原因在于热气球相对较低的成本。航拍的历史并不长，查资料时都没有那种厚重的沧桑感，但就是在这短短一个半世纪，航拍以令人瞠目结舌的速度演变着，那么1858年之后究竟发生了哪些事，加快了无人机的脚步呢？一战和二战。战争总促使科技迅猛发展，无人机也不例外。1916年9月12日，第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国试飞。当时无人机结构简单，而且造价低廉，最重要的是能完成有人驾驶飞机不宜执行的多种任务比如：作为靶机、侦察监视、骗敌诱饵等等。热气球被广泛使用是因

11、为成本，但战争年代，人成为了最高的成本，所以当第一架无人机诞生后各个国家都坐不住了。 实际上无人机的诞生可以追溯到1914年，英国的卡德尔和皮切尔两位将军向英国军事航空学会提出了一个有趣的想法：做一架不需要驾驶员但能飞到敌人领空进行作战的飞机。这么酷炫的想法当然得到了支持，虽然几次试验均以失败告终，但积累的经验成为后人宝贵的财富。 航拍+无人机=无人航拍机，如果说整个发展进程用100天来表示，前1-99天是无人机和航拍融合发展的过程，剩下那短暂的1完成了无人航拍的巨变，航拍在极短时间内由军事、气象监测这些高大上的领域下架到民用领域，而最先吃到甜头的就是电影行业。 早期由于无人航拍机的载重有限，

12、无法搭载专业的电影摄像机，而飞机上自带的摄像机无法满足大荧幕的需求，好莱坞剧组依然会使用直升机作为航拍载具。可喜的是这样的弯路并没有走太久，市场变大使得无人机公司赚的盆满钵盈，更加出色的无人航拍机投入使用。 最开始无人航拍机真的就是飞机的样子，而且操作复杂需要高价聘请专人操作。但后来“飞机”演变成了“飞行器”，多轴螺旋桨加上陀螺仪稳定器，让RED、ARRI这样的大家伙也过把坐飞机的瘾。至此，航拍的成本有了质的变化，不止好莱坞，就是国内一些工作室拍微电影都要玩一玩航拍了。不过航拍在电影中的地位还没达到举足轻重的地步，更多只是在营造画面冲击力时的点缀。从手法看，航拍可以完成推、拉、摇、移等镜头的拍

13、摄，这些镜头在剧组中通常会借用滑轨以及摇臂等设备，那无人航拍机有朝一日能否成为这些设备的替代品，传统观念中，航拍器飞在高高的空中，能够拍出震撼的大场面。不为人知的是航拍器的极限贴地距离很低，只要操作航拍器的人技术靠谱，完成大部分跟拍镜头是不成问题的。试验中我们只是选择了一架中端无人航拍器，跟拍的速度也很慢，就可以达到不错的效果了。2、无人机航拍特点及应用范围 无人机航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性的优点。特别适合获取带状地区航拍影像（公路、铁路、河流、水库、海岸线等）。且无人驾驶飞机为航拍摄影提供了操作方便，易于转场的遥感平台。起飞降落受场地限制较小，在操场、公路或其它较开阔的地

14、面均可起降，其稳定性、安全性好，转场等非常容易。 多用途、多功能的影像系统是获取遥感信息的重要手段。遥感航拍使用的摄影、摄像器材主要是经过改装的120照相机，拍摄黑白、彩色的负片及反转片。也可使用小型数字摄像机或视频无线传输技术进行彩色摄制。小型轻便、低噪节能、高效机动、影像清晰、轻型化、小型化、智能化更是无人机航拍的突出特点。无人机航拍摄影技术以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台，用彩色、黑白、红外、摄像技术拍摄空中影像数据；并用计算机对图像信息加工处理。全系统在设计和最优化组合方面具有突出的特点，是集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机技术的新型应用技术。无人机航拍摄影技术可广泛应用于国家生态环境

15、保护、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、公共安全、国防事业、数字地球以及广告摄影等领域，有着广阔的市场需求。3、航拍无人机种类及特点 按照不同平台构型来分类，航拍无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台，其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台，最大特点是飞行速度较快；无人直升机是灵活性最强的无人机平台，可以原地垂直起飞和悬停；多旋翼（多轴）无人机是消费级和部分民用用途的首选平台，灵活性介于固定翼

16、和直升机中间（起降需要推力），但操纵简单、成本较低。其中多旋翼无人机目前应用于航拍领域最多。4、多旋翼航拍无人机构造 典型的小型多旋翼无人机，一般由机械部分（机架），动力部分（包括电机、电子调速器、电调连接板、桨叶、电池），电子部分（包括飞控板、通信模块、遥控器接收机、PWM编码板）组成。航拍多旋翼为了达到航拍的功能还会增加其他的一下附属部件，一般有GPS定位模块、三轴或多轴增稳云台、地面站控制台、数字图像传输模块、降落伞模块、自动起落脚架、低电压报警模块。部分高标准的专业航拍无人机还会配备超声波定高模块、光流声呐探测模块、红外热感应成像系统等一些高级应用模块来协助作业。5、航拍无人机发展瓶颈

17、 无人机航拍现在已经进入到一个瓶颈了，无人机航拍主要的是3个部分 一个是机体本身，需要一个稳定，合适的平台，这样拍出来的照片成片率才高，二是一个合适的相机，毕竟现在大家航拍的用得多的还是佳能的，这个就不是我们能控制的了，但是目前技术仍然能满足需求，相机的发展越高，那么相应的清晰度就越高。第三需要一个良好的飞行控制系统，有个飞控才能更好的规划航线和飞出所需要的航拍区域。6、航拍无人机发展趋势 随着中国改革开放的逐步深入，经济建设迅猛发展，各地区的地貌发生巨大变迁。现有的航空遥感技术手段已无法适应经济发展的需要。新的遥感技术为日益发展的经济建设和文化事业服务。以无人驾驶飞机为空中遥感平台的技术，正

18、是适应这一需要而发展起来的一项新型应用性技术，能够较好地满足现阶段我国对航空遥感业务的需求，对陈旧的地理资料进行更新。随着我国经济和文化建设的发展，不少古建筑、考古现场等发现、田野考古探索、城乡的地貌发生巨大变化。一些版图反映不出新的面貌。目前使用资料较为陈旧。常规的成图周期，已不能满足需要。我们利用遥感航拍技术更新的地理资料对地区的经济建设起到了积极的促进作用。为适应城镇发展的总体需求，提供综合地理、资源信息。正确、完整的信息资料是科学决策的基础。各地区、各部门在综合规划、田野考古、国土整治监控、农田水利建设、基础设施建设、厂矿建设、居民小区建设、环保和生态建设等方面，无不需要最新、最完整的

19、地形地物资料，已成为各级政府部门和新建开发区急待解决的问题。我们用遥感航拍技术准确地反映出。地区新发现的古迹、新建的街道、大桥、机场、车站以及土地、资源利用情况的综合信息。遥感航拍技术是各种先进手段优化组合的新型应用技术。参考文献1陈新泉. 四旋翼无人机飞控系统设计与研究D. 南昌航空大学, 2014.2谢龙, 韩文波. 四旋翼无人机飞行控制系统设计研究J. 光电技术应用, 2015(1):48-53.3张婧. 四旋翼无人机自主飞行控制系统设计与开发D. 海南大学, 2015.4姜成平. 一种四旋翼无人机控制系统的设计与实现研究D. 哈尔滨工业大学, 2014.5连蓉. 四旋翼无人机影像获取及

20、DOM生产研究J. 地理空间信息, 2014(1):80-83.6詹镭, 贺人庆, 谢阳,等. 基于微型四旋翼无人机的智能导航系统J. 电子测量技术, 2011, 34(6):1-3.7王伟, 吴旻, 王昱. 四旋翼无人机的室内自主飞行控制J. 计算机仿真, 2015, 32(1):64-68.8钟佳朋. 四旋翼无人机的导航与控制D. 哈尔滨工业大学, 2010. 9石怀林. 无人机发展趋势J. 江苏航空, 1996(4).10张蕾. 国外无人机发展趋势及关键技术J. 电讯技术, 2009, 49(7):88-92.11甄云卉, 路平. 无人机相关技术与发展趋势J. 兵工自动化, 2009,

21、28(1):14-16.12符小卫, 高晓光. 一种无人机路径规划算法研究J. 系统仿真学报, 2004, 16(1):20-21.13叶锃锋, 冯恩信. 基于四元数和卡尔曼滤波的两轮车姿态稳定方法J. 传感技术学报, 2012, 25(4):524-528.14陈伟. 基于四元数和卡尔曼滤波的姿态角估计算法研究与应用D. 燕山大学, 2015.15王伟, 张晶涛, 柴天佑. PID参数先进整定方法综述J. 自动化学报, 2000, 26(3):347-355.16吴宏鑫, 沈少萍. PID控制的应用与理论依据J. 控制工程, 2003, 10(1):37-42. 南华大学本科生毕业设计（论文

22、）开题报告设计（论文）题目 民用四旋翼无人机的设计设计（论文）题目来源 自选题目设计（论文）题目类型 产品设计起止时间2015.12-2016.06一、设计（论文）依据及研究意义：设计依据：1.四元数法卡尔曼滤波可以对无人机姿态进行解算与数据融合；2.PID算法可以对四旋翼无人机进行姿态控制；3.各类型传感器相互配合可是的无人机操作控制更加精准。研究意义：四轴多旋翼无人机的结构比较简单，成本相对较低，方便维修，与其他无人机相比还具有体积小、重量轻、控制灵活方便、可垂直起降、可空中定点悬停等特点，不论在军事上领域还是民用领域都能够得到非常广泛的应用。在军事领域，四旋翼无人机能够全方位、多角度、远

23、距离的对目标区域进行实时低空侦查，并同步传送影像，可进行现场伤员评估；此外还能直接加入现代化战争，化身现代化武器，比如远程空投炸弹等，在民用领域，四旋翼无人机还能够用于航空摄影、地震灾情探查、人员搜救、物件运输、监控巡查等方面。二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）主要研究内容：1.飞行控制系统的数学建模，硬件结构的数学建模；2.对各传感器模块研究，并完成数据的采集；3.采用四元数法卡尔曼滤波对无人机姿态进行解算与数据融合；4.采用PID算法对四旋翼无人机进行姿态控制；5.对飞行器进行地面静态测试实验和空中动态飞行测试实验。预期目标：1.完成飞行控制系统以及硬件结构系统的

24、设计；2.完成对各传感器组装的工作；3.设计完成后进行实物制作，并试飞。三、设计（论文）的研究重点及难点：研究重点：1.多旋翼无人机的飞行控制设计以及整机电路设计2.多旋翼无人机的飞行控制系统的各部分传感器相互协同作业，各部分数据收集反馈回核心处理器。3.多旋翼无人机的稳定性。研究难点：1.飞行控制系统的算法设计以及卡尔曼滤波等知识的运用2.飞行控制系统各传感器协同作业的稳定性四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 2015年12月2016年1月：资料收集、整理，撰写文件综述和开题报告。 2016年2月：方案设计。 2016年3月：各部件选型以及初步确定飞行控制系统和电子调速器的设计方案

25、。 2016年4月：飞行控制系统以及电子调速器的设计。 2016年5月：调试代码，试飞，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。五、进行设计（论文）所需条件：1.熟悉题目，了解设计内容要求任务，通过查阅相关科技文献初步拟定设计方案。2.收集各类资料，包括借阅相关书籍。3.购买 实物制作相关材料以及准备调试相关软件 六、指导教师意见：签名： 年 月 日摘要：本设计首先是对四旋翼无人机飞行器的整体结构组成和操作原理进行理论性分析，然后按照任务书设计要求，制定了飞行器控制系统的总体方案，主控制器芯片采用的是ARM公司研发生产的STM32F106微处理器芯片，飞行姿态传感器选用的是MPU6050集成模块

26、，该模块内部集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计等精密检测元件；飞行航向检测模块采用的是拥有超高灵敏度的 HMC5883L磁罗盘航向计；飞行高度测量模块选用的高精度BMP085气压计；定位导航采用的是GPS定位模块，定位芯片选用的是u-blox 公司研发生产的NEO-6M定位芯片；无线通信数据用NRF24L01 模块来实现。当硬件部分整体设计完成之后，便开始对无人机控制系统和传感器的软件架构进行整体设计。首先是进行各部分传感器数据的采集，然后利用内部程序采用卡尔曼滤波的方法对传感器数据进行处理；采用PID控制算法实现了对飞行器的姿态控制；根据STM32F106处理器芯片的快速收集功能，能够迅速捕获到

27、接收机接收的地面的控制信号，用来完成对无人机的瞬间控制作用；另外在飞行控制系统软件中还加入了无线数据通信模块，通过这个模块能够让地面站和无人机在飞行的时候能够移动通信，并且能够将无人机上的传感器采集的高度、气压、飞行速度、温度、湿度、姿态角等信号数据传回地面站，最后对制作完毕的无人机进行了测试，首先是在地面调整各项参数以及修正部分程序的不足之处，接着就是调整各个姿势的PID数值。保证无人机在正常飞行的情况下在各个动作都能够保证稳定飞行，同时测试数传信号和图传信号的稳定性。最后是进行无人机的空中的飞行实验，在这个阶段分别对无人机进行了上下极限飞行，前进后退飞行，左右旋转，悬停等试验，经过测试结果

28、表明，该款无人机能够完成遥控模块给出的各项指令以及在地面站和无人机之间的信号传输。符合设计要求。 四旋翼无人机飞行器拥有着操控灵活、机体小、重量轻、稳定性优良、可垂直起降和自由悬停等特点，这几个特点不管是在军事应用上还是民用领域上都有着广泛的应用前景。关键词：四旋翼无人机，飞控系统，GPS 定位Abstract:Four rotor unmanned spacecraft with flexible control, the body is small, light weight, good stability, vertical take-off and landing and free h

29、overing etc, these a few characteristics both in military application and has a broad application prospect in civilian areas. This design is the first of four rotor unmanned spacecraft overall structure and operating principle of theoretical analysis, and then according to the design specification r

30、equirements, formulate the overall plan of aircraft control system, main controller chip is the ARM microprocessor chip research and development production STM32F106, flight attitude sensor is chosen MPU6050 integration module, the internal integration module integrates the three-axis gyroscope and

31、three-axis accelerometer and other precision detecting element; Flight heading detection module USES is with ultra high sensitivity of magnetic compass heading HMC5883L meter; Flying height measuring module choose high accuracy BMP085 barometer; Navigation and positioning using GPS positioning module, positioning chip selection is u - blox company research and development production of NEO - 6 m positioning chips; Use NRF24L01 wireless data