四轴飞行器航迹的控制系统设计开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

简单描述一下四轴飞行器这类多旋翼无人机的发展历程。历史上最早的多旋翼无人机的记录是1907年的bregue兄弟进行的旋翼式直升机的飞行试验。13年后e.omenichen设计了的一个四旋翼飞行器的原型。不过，直到1956年，m.k.adman才成功制作出第一架真正的四旋翼直升机。但是碍于当时的科技水平，该飞机在速度、载重量、续航性等方面均无法与传统飞行器竞争，因此关于多旋翼飞行器的研究被迫搁置。随着时代发展、科技进步多旋翼飞行器得益于微机电控技术的发展，尤其是到了20世纪90年代，微电机系统(mems,micro--electromechanical system)的成熟和惯性导航系统的开发应用，使得飞控的制作成为现实。但是，由于早期计算机的算力不足、数据噪声太大等问题。直到2005年前后真正稳定的飞控才被制作出来。此后，无人机技术得以飞速发展，相继在实现技术突破，在专业应用市场和娱乐消费市场均取得相当不错的成果。2012年2月，宾夕法尼亚大学的v.kumar教授在ted大会上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲，展示了四旋翼的灵活性以及编队协作能力。这一场充满数学公式的演讲大受欢迎，它让世人看到了多旋翼的内在潜能。

无人机系统种类繁多、用途广特点鲜明，按飞行平台构型分类，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。四轴飞行器作为旋翼飞行器中最具代表性的，具有结构简单、悬停精度高、机动性强、成本低等优点，在航拍、农业植保、救援搜索等领域有着广泛应用。四轴飞行器的飞行原理较为简单，即使用直连电机的四个螺旋桨提供升力，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。尽管飞行原理看似简单，但是四轴飞行器的控制却并不是易事，从上面的历史简述可以看出，多旋翼飞行器的兴起与其飞控的实现有很大关联。四轴飞行器的控制系统是实现其稳定飞行和任务执行的关键技术，涉及到数学建模、状态估计、姿态控制、路径规划等多个方面，目前仍存在许多挑战和问题。其中关键技术难点主要包括：四轴飞行器属欠驱动系统控制系统复杂；自身参数多且复杂数学模型不易建立；电机的高速转动对灵敏电子元件干扰大等等。随着近几年计算机技术、材料技术和微电子技术的发展，微机电控技术的逐渐成熟，四轴飞行器控制系统的研究已经能实现基本功能，例如基础飞行姿态操控、空中悬停、简单航迹规划等等。如今旋翼飞行器研究重心的已经移到集群控制、智能航迹规划、视觉导航、精确控制、控制算法升级等方面。由此可见，随着其功能日益强大，旋翼飞行器未来在民用和军用领域将会拥有更广泛市场和更加重要的地位。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

学习掌握四轴飞行器的制作方法。主要包括三部分，首先研究四轴飞行器的组成，其次研究四轴飞行器的原理（包括飞行原理和控制原理），最后研究stm32的使用方法。最终目标是基于stm32单片机设计一款能够通过无线遥控实现航迹控制的四轴飞行器样机。

主要包括以下几个方面：

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

明确任务书要求，自主调研和搜集设计任务中可能用到的知识原理、开源案例；充分理解和掌握四轴飞行器飞行控制原理和飞行控制算法；重点学习基于stm32的四轴飞行器飞控和遥控的制作方法，以及姿态传感器的使用方法，还有相关通信协议的原理。在充分了解相关知识后，对本课题进行整体方案构思和设计，整体方案设计好后着手各部分的设计。对不明白的部分通过查阅资料，向指导老师请教，和同学讨论解决，最终设计一种低成本、低功耗、可靠实用的设计方案。

拟定样机使用stm32芯片为处理器，主要包括惯性导航模块、无线通信模块和电机驱动模块三大部分。拟定系统结构图如上。

4. 参考文献

[1]chen peng, jiangyongqi, dang yuanjie, yu tianwei, liang ronghua. real-time efficient trajectoryplanning for quadrotor based on hard constraints[j]. journal of intelligent amp;robotic systems,2022,105(3):52.

[2]江伟. 基于四旋翼无人机的航迹规划算法研究[d].桂林电子科技大学,2022.

[3]茹岩,张欣.四轴飞行器控制系统设计与实现[j].电子测试,2022(03):42-45 49.

5. 计划与进度安排

1月15日—1月22日 收集课题相关资料，大量查阅文献，了解相关学术进展，开始外文翻译。

1月23日—1月31日 大量收集论文资料，理清思路，与导师交流想法，根据导师建议完善论文思路，明确毕业设计任务，完成外文翻译。

2月1日—2月12日 了解课题研究前沿，精读课题相关文献，撰写开题报告并完成初稿，同时根据返修意见修改外文翻译。