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學(xué)校名稱

物理與電子科學(xué)學(xué)院

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

張義楨

201555110130

電子科學(xué)與技術(shù)

男

2015.09.01

曲垌澤

201555110125

電子科學(xué)與技術(shù)

男

2015.09.01

何婉盈

201556110205

電子信息科學(xué)與技術(shù)

女

2015.09.01

王春

201555110101

電子科學(xué)與技術(shù)

女

2015.09.01

楊睿

201555110102

電子科學(xué)與技術(shù)

女

2015.09.01

指導(dǎo)教師

唐立軍

職稱

教授

項目所屬

一級學(xué)科

電子科學(xué)與技術(shù)

項目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

參加2016年“物電杯”獲一等獎。

掌握單片機STM32系統(tǒng)。同時運用多種讀寫協(xié)議，溫度、MPU6050等多種傳感器。

制作基于32的數(shù)字電流表。實現(xiàn)電壓、電流模式切換進行測量，同時LCD輸出測量值。

制作基于STM32的波形輸出器。實現(xiàn)正弦波、三角波、方波輸出頻率不變，振幅變化在10V內(nèi)可調(diào)。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

 主持國家科技支撐計劃項目1項，國家科技支撐計劃課題1項，其他項目多項。

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

項目研究的目的：

     1.利用飛控上面的傳感器獲取四軸飛行器飛行姿態(tài)的數(shù)據(jù)，并且通過程序的數(shù)據(jù)結(jié)算出正在飛行的四軸飛行器的姿態(tài)角等有效數(shù)據(jù)。

     2.通過無線以及串口等模塊，實現(xiàn)用來上傳有效數(shù)據(jù)到上位機進行校驗，以及PID控制的數(shù)據(jù)的相應(yīng)調(diào)整。用此來達到可以實際對四軸飛行器進行調(diào)整的功能。提高飛控的實用性。

     3.建立簡易、便捷的上位機軟件，用來即時反映數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析和調(diào)試。同時，方便用戶對飛控以及飛行器的控制和觀測。并且，提供方便的PID調(diào)整功能，增加調(diào)試的便捷性。

     4.為了達到控制四軸飛行器的平穩(wěn)，提供能令飛行器在短時間內(nèi)，平穩(wěn)調(diào)整姿態(tài)的靈活性。同時，實現(xiàn)能夠在多風(fēng)等惡劣環(huán)境下，調(diào)節(jié)自身的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)飛行器的自穩(wěn)。

     5.利用飛控的自穩(wěn)和姿態(tài)傳感器，實現(xiàn)飛行器的載物功能，能夠自平衡物體的重量和飛行器自身的重心，用以尋求平衡點。用來達到飛行器載物自穩(wěn)以及飛行的能力。

項目研究的內(nèi)容：    

    在未來的物流趨勢上，向著靈活性、便捷性和經(jīng)濟效益高的方向發(fā)展。而本項目產(chǎn)品恰好適用于此。本項目產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)載物遠程運輸，可以忽略地形地勢的劣勢，將產(chǎn)品輕松運輸?shù)侥康牡兀恍枰獙a(chǎn)品懸掛在飛行器上面，則提供相應(yīng)的功能和模式，進行目標(biāo)計算、運輸、送達、返回等操作。

    利用通過SM32單片機構(gòu)成的系統(tǒng)，并利用傳感器和外界進行交互，檢測各種各樣的反饋信息與設(shè)定偏差的大小，通過控制通道的PID控制器，輸出從而控制無人機飛行的自穩(wěn)，任務(wù)驅(qū)動等功能。

    制作出具有以上功能的飛行控制器系統(tǒng)。對以往的弱項進行優(yōu)化，對不穩(wěn)定因素進行檢測和消除，從而達到優(yōu)化整體系統(tǒng)。

增加承載物重的能力，優(yōu)化代碼，尋求能夠即時反饋飛行器姿態(tài)，并且可以增強重心平衡能力，用以達到增加承載物重能力加大的同時，平衡性能依舊得到優(yōu)化。

項目要解決的主要問題：

    1.解決飛行控制器的傳感器數(shù)據(jù)處理，代碼的優(yōu)化的問題。設(shè)計又快又準(zhǔn)的算法，得到準(zhǔn)確而且即時的數(shù)據(jù)，并且減少因為程序處理代碼過程的數(shù)據(jù)延時情況。

    利用STM32的單片機最小系統(tǒng)板，先逐步實驗各個模塊的相應(yīng)代碼，以及對產(chǎn)生的問題進行逐步調(diào)試和解決。對MPU6050模塊重點調(diào)試和優(yōu)化，并采取四元數(shù)的模型，轉(zhuǎn)換成歐拉角，進而得出姿態(tài)角。

    2.解決收斂速度不夠問題并且因此發(fā)散的問題。PID的串級控制，這種控制固然是一種很經(jīng)典的控制算法，但PID是針對線性定常系統(tǒng)提出的經(jīng)典控制算法，而四軸是典型的非線性系統(tǒng)。雖然某些條件下可以簡化為線性系統(tǒng)處理，但在極端條件下肯定會出現(xiàn)控制不好。因此，解決收斂速度不夠問題并且因此發(fā)散的問題尤為重要。

    通過建立便捷的上位機程序，對已采集得到的姿態(tài)角，通過在板載上面增加無線模塊、藍牙模塊，同時對處理完成的數(shù)據(jù)，利用無線模塊、藍牙模塊，上位機和遙控器上進行顯示。

    3.解決飛行控制器數(shù)據(jù)采集過程的信號穩(wěn)定問題。飛行控制器的核心難點在于短時間內(nèi)用陀螺儀比較準(zhǔn)確；長時間用加速計比較準(zhǔn)確，這時候加大它的比重，這就需要互補濾波了，加速計要濾掉高頻信號，陀螺儀要濾掉低頻信號，互補濾波器就是根據(jù)傳感器特性不同，通過不同的濾波器，然后在相加得到整個頻帶的信號。

    對飛行器的四個電機，利用姿態(tài)角的數(shù)據(jù)，調(diào)整PWM輸出，從而達到控制電機的目的，進而達到平衡四軸飛行器目的。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

四軸飛行器的應(yīng)用：

近十幾年來，隨著微系統(tǒng)、傳感器以及控制理論等技術(shù)的發(fā)展四旋翼垂直起降機制理論等技術(shù)的發(fā)展，四旋翼垂直起降機又引起人們極大的興趣。四軸飛行器還可以應(yīng)用航測，攝像，軍事情報探測。最新運用Dronenet，一個基于開放協(xié)議的短途無人機送貨服務(wù)。

飛控系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用：

微型飛行器的關(guān)鍵技術(shù)，從微型飛行器的研究現(xiàn)狀來看，雖然已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)成果，積累了一定的經(jīng)驗，但是總的來說，微型飛行器還處于試驗階段，離實用化還有一定的差距。因此，科學(xué)的實用的飛行控制及導(dǎo)航技術(shù)便急迫于誕生。

飛控系統(tǒng)是軍民用飛機的核心航電設(shè)備之一，對于保持飛機飛行姿態(tài)、提高戰(zhàn)斗機飛行性能具有重要作用，目前，國內(nèi)主要有西安飛行自動控制研究所、中國航空無線電電子研究所、蘭州飛行控制有限責(zé)任公司等單位參與飛控系統(tǒng)研發(fā)，研發(fā)具有世界先進水平的飛控系統(tǒng)對于提升我國各類民用飛機、直升機、軍用飛機性能以及開拓市場等都具有重要的意義。

飛控系統(tǒng)是無人機的核心技術(shù)和主要技術(shù)門檻，在無人機特別是消費級無人機市場發(fā)展異常火熱的今天，飛控系統(tǒng)的研發(fā)對于無人機以及軍民用飛機的核心作用進一步凸顯，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的先發(fā)優(yōu)勢。

飛控及飛行器的前景：

2011年以后，中國消費級民用無人機企業(yè)逐漸增多，據(jù)了解，目前深圳與無人機相關(guān)的企業(yè)就已經(jīng)增至200余家，正在向“無人機之都”發(fā)展，其中大疆無人機已經(jīng)成為“中國制造”的典型代表。同時，也加強了社會對無人機的關(guān)注，無人機在消費級市場的應(yīng)用也迎來了空前的熱潮。

據(jù)ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應(yīng)用經(jīng)理（以下簡稱“ ADI”）趙延輝介紹:“從全球來看，帶航拍功能的無人機需求量應(yīng)該在200萬臺左右，而玩具類無人機的需求量則會更多，應(yīng)該是千萬量級的，其中主要以多翼無人機對MEMS陀螺儀的需求量最大，應(yīng)該占60%以上。

本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

   1.利用板載芯片控制MPU6050以及OLED顯示屏等模塊。

   2.利用MPU6050讀取加速度計以及陀螺儀的數(shù)據(jù)并顯示。

   3.建立減少誤差的數(shù)學(xué)模型，同時解決陀螺儀和加速度計單獨的傳感器存在的噪聲誤差問題。

   4.使用RS232串口進行上位機數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)的修改。

   5.利用STM32系統(tǒng)自帶的PWM輸出功能控制電機。

   6.實現(xiàn)通過外接技術(shù)集成更多傳感器功能。   

采用PID的串級控制技術(shù)。串級控制系統(tǒng)的計算機順序是先主回路(PID1),后副回路(PID2)。控制方式有兩種：一種是異步采樣控制，即主回路的采樣控制周期T1是副回路采樣控制周期T2的整數(shù)倍。這是因為一般串級控制系統(tǒng)中主控對象的響應(yīng)速度慢、副控對象的響應(yīng)速度快的緣故。另一種是同頻采樣控制，即主、副回路的采樣控制周期相同。這時，應(yīng)根據(jù)副回路選擇采樣周期，因為副回路的受控對象的響應(yīng)速度較快。

串級控制的主要優(yōu)點：

1、將干擾加到副回路中，由副回路控制對其進行抑制；

2、副回路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，對被控制量的影響大為減弱；

3、副回路的慣性由副回路給予調(diào)節(jié)，因而提高了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

副回路是串級系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)健。副回路設(shè)計的方式有很多種，下面介紹按預(yù)期閉環(huán)特性設(shè)計副調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法。

項目的創(chuàng)新點和特色

     1.使用STM32處理器，用于飛行姿態(tài)運算，PID控制等。使用MPU6050傳感器是無人機的感官系統(tǒng)，用于獲取飛行姿態(tài)、高度等數(shù)據(jù)。控板主要包括以下元件：處理器，陀螺儀、加速度計等傳感器，I/O接口接線方便、簡潔。

    2.控板采用PID的串級控制技術(shù)，接口使用PWM輸出根據(jù)姿態(tài)角的參數(shù)，將電壓的振幅轉(zhuǎn)換成寬度一定的脈沖輸出。同時，可以時時檢測輸入輸出情況。

    3.使用了迷你的OLED用來顯示即時顯示所讀取的參數(shù)，以及所計算得出的結(jié)果。采用了IIC接口或者SPI與單片機連接，進行數(shù)據(jù)傳輸。同時可以采用上位機程序，上傳數(shù)據(jù)到PC上，上位機還可能有級別更高的上位機對其進行控制或指派任務(wù)。

    4.可以使用外部按鈕進行界面顯示的不同功能的切換顯示即時的反饋結(jié)果。可以更直觀的看出系統(tǒng)運行狀態(tài)。其作用是進行人機交流。更加方便進行。

     5.利用藍牙等無線傳輸、控制和顯示，提供PID參數(shù)調(diào)整更快捷的途徑。

     6.增加了載物自穩(wěn)的功能，為較輕小型的物流供應(yīng)，提供了一條全新的渠道，同時，節(jié)約了遠程運輸?shù)某杀尽Ｆ涮峁┑妮d物功能大大方便物流運輸。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

技術(shù)路線:

1.為廣大DIY愛好者以及航模愛好者提供一種高效的數(shù)據(jù)采集方式，同時提升精準(zhǔn)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，多吸取國內(nèi)外嚴(yán)密的傳感器采集的數(shù)據(jù)處理算法，同時也提供了更加即時的系統(tǒng)控制原理供借鑒。

     2.為大眾量身定制，使用更加智能化。能獨立分析以及反饋即時情況同時能獨立處理或者顯示不同情況的緊急情況，使用性親民。便捷的界面和簡易的功能可以任意選擇。從而達到處理不同環(huán)境的效果。支持多模式下，飛控的不同切換和處理功能，可以支持更多不同使用人群。多模式匹配的優(yōu)勢在于一趟遍歷可以對多個模式進行匹配，對于單模式匹配算法來說，如果要匹配多個模式，那么有幾個模式就要進行幾趟遍歷，這樣效率太低。多模式匹配大大提高多模式匹配的效率。同時，多模式匹配算法也適用于單模式情況。

     3適合遠程貨運的商業(yè)用途。電路的設(shè)計以及代碼的優(yōu)化使其價格實惠，且對于較小的貨物，較遠的地區(qū)，地形不適合使用長途貨運的情況。同時，不僅節(jié)約人力、資源、成本，并且縮短了時間，大大提高經(jīng)濟效益。

預(yù)期成果:

    1.達到市面上主流水平，同時支持自動擴展外界功能模塊，且保持原有功能能相對獨立。對于系統(tǒng)運行能力較弱的，可以適度增添模塊，從而達到效率和效益最大化的目的。

    2.達到無負重使用時，機身達到平衡并且能夠隨時應(yīng)對更種突發(fā)情況。

    3.支持較強的遠程載重功能，達到機身30%重量的承受度，能狗順利起飛，同時，并且能夠保持機身在多風(fēng)干擾情況下快速找準(zhǔn)平衡點，保持飛行器于此情況下自穩(wěn)。

為適合復(fù)雜地區(qū)環(huán)境運輸?shù)那闆r下，提供強有力的途經(jīng)，同時大大節(jié)約了運輸成本，縮短用戶對運輸產(chǎn)品的接受時間，為大眾提供更加舒適的購物條件，享受高效益帶來的好處。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

2016年12月20日---2017年1月31日，完成專利技術(shù)交底書的撰寫；

2017年01月31日---2017年04月30日，完成個模塊的軟硬件實現(xiàn)，并且對個模塊進行系統(tǒng)整合；

2017年04月30日---2017年09月30日，完成對上位機軟件的編寫，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能；

2017年09月30日---2017年12月30日，完成對上位機軟件的編寫，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能；

2017年12月30日---2018年3月30日，完成對所有模塊的調(diào)試，改良，以及拓展功能的實現(xiàn)；

指導(dǎo)教師意見

簽字：                   日期：