四旋翼飞行器飞行控制系统设计开题报告
电子设计大赛四旋翼飞行器报告
选题编号：C题全国大学生电子设计竞赛设计报告选题名称：多旋翼自主飞行器主办单位：辽宁省教育厅比赛时间：2015年08月12日08时起2015年08月15日20时止摘要多旋翼飞行器也称为多旋翼直升机，是一种有多个螺旋桨的飞行器。
本设计实现基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飞行器。
本飞行器由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成。
主控模块采用ATMEGA328P芯片，负责飞行姿态控制；导航模块以G13MCU为核心，由陀螺仪、声波测距等几部分构成，该模块经过瑞萨芯片处理采集的数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时解算出相应电机需要的PWM增减量，及时调整电机，调整飞行姿态，使飞行器的飞行更加稳定；电源模块负责提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，负责完成比赛相应动作。
飞行器测试稳定，实现了飞行器运动速度和转向的精准控制，能够完成航拍，触高报警，携物飞行，空中投递等动作要求。
关键词：四旋翼，PID控制，瑞萨目录摘要................................................................................................................................ i i1.题意分析 (1)2.系统方案 (1)2.1 飞行控制模块方案选择 (1)2.2 飞行数据处理方案选择 (1)2.3 电源模块方案选择 (2)2.4 总体方案描述 (2)3.设计与论证 (2)3.1 飞行控制方法 (2)3.2 PID控制算法 (3)3.3 建模参数计算 (3)3.4 建立坐标轴计算 (4)4.电路设计 (5)4.1 系统组成及原理框图 (5)4.2 系统电路图 (5)5.程序设计 (6)5.1 主程序思路图 (6)5.2 PID算法流程图 (7)5.3 系统软件 (7)6. 测试方案 (7)6.1 硬件测试 (7)6.2 软件仿真测试 (7)6.3 测试条件 (8)6.4 软硬件联调 (8)7.测试结果及分析 (8)7.1 测试结果 (8)7.2 结果分析 (9)8.参考文献 (9)1.题意分析设计并制作一架带航拍功能的多旋翼自主飞行器。
四旋翼飞行器 开题报告
1．采用STM32单片机作为控制核心，负责控制各个传感器获取姿态数据，并进行姿态拟合和控制参数的计算，最终实现对四个无刷电机的有效控制；
2．传感器采用MPU6050传感器模块，包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪，实现对飞行器姿态数据的获取；
3．采用最大电流为30A的电调实现对无刷电机的驱动；
4．搭建飞行机整体机架。
[8] Wright RS, Lipchak B. OpenGL超级宝典[M].北京,人民邮电出版社,2005.
[9]乔维维.四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真[D].山西,中北大学,2012.
[10]尤元.四旋翼飞行器控制技术研究及其微功耗Βιβλιοθήκη 计[D].吉林,吉林大学,2013.
[11]国倩倩.微型四旋翼飞行器控制系统设计及控制方法研究[D].吉林,吉林大学,2013.
因此，四旋翼飞行器的研究生产是十分符合当今社会发展的趋势的。研究发展四旋翼飞行器也具有巨大的现实效益。
二、研究内容：
本设计主要通过单片机采集轴加速度传感器和轴陀螺仪对飞行器的姿态进行检测，控制四个微型高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器的室内外飞行及地面行走，内容涉及数学建模、自动控制理论、无刷电机驱动、传感器技术等学科领域。完成了四旋翼飞行器数学模型的建立，飞行控制系统的总体方案设计，软硬件设计，控制算法。
[6]张广玉,张洪涛,李隆球.四旋翼微型飞行器设计[J].哈尔滨理工大学学报,2012.
[7] Mian A, Daobo W. Modeling and backstepping-based nonlinear control strategy for a 6 DOF quadrotor helicopter[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2008, 21(3): 261-268.
四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究的开题报告
四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究的开题报告开题报告一、选题背景四旋翼无人机作为无人机中最为常见的一种类型，其应用领域十分广泛，包括但不限于：航拍、物流、救援、搜救等。
为了提高四旋翼无人机的飞行性能和安全性，需要对四旋翼无人机进行控制设计和仿真研究。
本文针对四旋翼无人机的飞行控制问题展开研究，探讨四旋翼无人机的建模与控制方法，以提高其飞行能力和稳定性。
二、研究内容1.四旋翼无人机的建模首先，需要对四旋翼无人机进行建模，抽象出合适的数学模型，建立其动力学关系式，同时选取合适的坐标系和传感器测量参数。
在建模过程中，需要考虑到四旋翼无人机的结构、电机和电调参数、传感器和控制器等综合因素，得到能够描述四旋翼无人机运动规律的数学模型。
2.四旋翼无人机的控制方法研究针对四旋翼无人机进行控制设计，探讨多种控制方法，包括PID控制、自适应控制、模糊控制等，根据四旋翼无人机的实际特点和要求，选择合适的控制方法。
同时，基于所选的控制方法，设计合适的控制算法，对四旋翼无人机进行模拟仿真，考察控制方法对四旋翼飞行的影响。
3.四旋翼无人机的仿真平台创建四旋翼无人机的仿真平台，通过建模和控制方法设计的仿真实验和模拟简化实验，验证仿真模型的准确性，研究不同控制方法的效果。
同时，从仿真中，可以得到更加详细的实验数据，并对其进行分析和处理，得出更有价值的结论。
三、研究意义本文的研究将有助于优化四旋翼无人机的飞控系统，提高飞行控制精度和稳定性，进一步提升飞行安全性，同时推动无人机技术的发展。
同时，基于该研究成果，还可以进一步对其他无人机类型进行研究，为无人机控制和应用提供更加详尽的指导和理论基础。
四、研究方法和步骤1.文献调研和资料收集：查阅相关文献和资料，掌握四旋翼无人机的基本原理、控制方法和应用领域。
2.建模与控制方法的设计：根据所学知识，对四旋翼无人机建立数学模型，探讨控制方法和算法，选择合适的控制方案。
3.仿真程序开发：基于四旋翼无人机的数学模型和控制方法，开发相应的仿真程序，进行模拟实验。
四旋翼无人机开题报告
四旋翼无人机开题报告四旋翼无人机：摘要:渺小型多旋翼无人机在军事、平易近用和科技范畴施展着愈来愈主要的感化。
旋翼无人机具有体积小、质量轻、无人驾驶、可垂直起降和定点悬停、操作性好等优势。
无人机飞翔掌握体系的设计是完成无人机自立飞翔的症结与焦...展开Abstract:A small multi rotor UAV in the military, civil and technology areas play an increasingly important role. Rotor UAV has the advantages of small size, light weight, unmanned, vertical takeoff and landing and hovering, good operation and other advantage...展开目录:摘要 4-5ABSTRACT 5第一章绪论 15-221.1 研究背景与意义 15-161.2 国内外研究现状及发展 16-181.2.1 国外研究现状 16-181.2.2 国内研究现状 181.3 四旋翼无人机研究中的关键技术 18-191.3.1 微型四旋翼无人机特点 181.3.2 四旋翼无人机飞行控制系统研究中的关键技术 18-191.4 课题研究的内容以及章节安排 19-221.4.1 研究目标 19-201.4.2 研究内容和章节安排 20-22第二章 M4R 运动建模与控制律设计 22-352.1 引言 222.2 M4R 工作原理及其组成 22-252.2.1 M4R 工作原理 22-242.2.2 M4R 组成 24-252.3 M4R 的数学模型 25-292.3.1 坐标系定义 25-262.3.2 动力学建模 262.3.3 M4R 角运动模型 26-292.3.4 M4R 线运动模型 292.4 M4R 控制律设计 29-312.4.1 M4R 控制系统结构 29-302.4.2 M4R 稳定回路控制律设计 30-312.4.3 M4R 制导回路控制律设计 312.5 飞行控制系统仿真分析 31-342.6 本章小结 34-35第三章 M4R 飞行控制系统硬件设计 35-433.1 引言 353.2 M4R 飞行控制系统需求分析 35-363.3 M4R 飞行控制系统设计方案 36-373.4 M4R 飞行控制系统各组成模块硬件设计 37-413.4.1 飞控计算机 37-383.4.2 传感器模块 38-393.4.3 执行机构驱动模块 39-403.4.4 遥控无线链路模块 403.4.5 通信无线链路模块 403.4.6 电源系统模块 40-413.5 M4R 飞行控制系统硬件电路实现 41-423.6 本章小结 42-43第四章飞行姿态参考系统设计实现 43-564.1 引言 434.2 传感器误差特性分析 43-484.2.1 MEMS 陀螺仪误差分析及校正 43-464.2.2 MEMS 加速度计原始数据分析及预处理 46-484.3 基于四元数卡尔曼滤波算法的姿态参考系统设计 48-534.3.1 四元数介绍 48-494.3.2 卡尔曼滤波器介绍 49-504.3.3 基于四元数卡尔曼滤波器姿态参考系统实现 50-53 4.4 基于互补滤波器的姿态参考系统设计 53-544.5 姿态参考系统飞行实验 54-554.6 本章小结 55-56第五章 M4R 飞行控制系统软件设计 56-745.1 引言 565.2 软件总体设计与系统初始化 56-595.2.1 软件总体设计 56-575.2.2 系统初始化 57-595.3 传感器模块软件设计 59-645.3.1 姿态参考系统软件设计 60-625.3.2 位置定位系统软件设计 62-645.4 信号输入输出模块设计 64-665.4.1 遥控信号输入解码模块 64-655.4.2 I~2C 电调控制信号输出模块 65-665.5 轨迹控制回路软件设计 66-675.6 飞行控制地面站设计 67-735.6.1 飞行控制地面站通讯协议设计 67-695.6.2 遥控信号初始化通讯协议设计 69-705.6.3 基于 Qt 的飞行控制地面站软件设计 70-735.7 本章小结 73-74第六章 M4R 飞行实验 74-856.1 引言 746.2 姿态参考系统测试 74-766.3 飞行控制地面站测试 76-806.4 地面飞行测试 80-846.5 本章小结 84-85第七章总结与展望 85-877.1 本文的主要工作 85 7.2 进一步展望 85-87 参考文献 87-91致谢。
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计引言：四旋翼无人机近年来逐渐走向商业化和日常生活化，广泛应用于航拍、货运、农业等领域。
为了保证飞行器的平稳、安全飞行，需要设计一个可靠的控制系统。
本文基于STM32单片机，设计了一种适用于四旋翼飞行器的控制系统。
一、硬件设计1.主控板主控板采用STM32单片机，该单片机具有高性能、低功耗、强大的控制能力等优势。
它能够完成飞行器的数据处理、控制输出等任务。
2.传感器为了获取飞行器的姿态信息，需要使用加速度传感器和陀螺仪。
加速度传感器用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度。
这些传感器通常被集成在一块模块上，直接连接到主控板。
3.遥控器为了实现飞行器的遥控操作，需要使用遥控器。
遥控器通过无线通信与主控板进行数据传输，控制飞行器的起降、悬停、转向等操作。
4.电源管理飞行器控制系统需要提供可靠的电源供电。
因此，需要设计一个电源管理模块，包括锂电池、电池充电管理电路和电源开关等。
二、软件设计1.姿态估计通过加速度计和陀螺仪的数据，使用滤波算法（如卡尔曼滤波）对飞行器的姿态进行估计。
根据姿态的估计结果，可以计算出飞行器的控制输出。
2.控制算法针对四旋翼飞行器，常用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。
PID控制算法通过比较飞行器的期望姿态和实际姿态，计算出相应的控制输出。
模糊控制算法可以根据模糊规则和模糊集合来计算出控制输出。
3.通信模块为了实现与遥控器之间的无线通信，需要使用无线通信模块，例如蓝牙模块或者无线射频模块。
通过与遥控器进行数据传输，可以实现遥控操作，并接收遥控器发送的命令。
三、控制流程1.初始化飞行器启动时，首先进行传感器的初始化，包括加速度传感器和陀螺仪的初始化。
然后进行电源管理的初始化，确保电源供电正常。
2.传感器数据采集通过传感器采集飞行器的姿态数据，包括加速度和角速度。
3.姿态估计根据传感器采集的数据，使用滤波算法对飞行器的姿态进行估计。
开题报告 (3)
[5]Erdin.Altu.VisionBasedControlofUnmannedAerialVehicleswithApplicationstoAutonomousFourRotorHelicopterQuadrotor.UniversityofPennsylvania,2003,11-15
[8]单海燕.四旋翼无人直பைடு நூலகம்机飞行控制技术研究[D].南京:南京航天航空大学自动化学院,2008
[9]TournierG,ValentiM,HowtoEstimalionandControlofaQuadrotorVehicleUsingMonocularVisionandMoirePatterns[C].AIAAConferenceonGuidance,NavigationandControl,2006,8
设计(论文)的重点和难点
日旋飞行器的数字模型和实体操作，模型的数字运算
设计(论文)实行方案、进度及预期效果
指导老师意见(对本课题深度、广度及工作量的意见)
指导老师(签名)：
年月日
系(院)审查意见
通过
系 (院)(盖章)
年月日
[12]杨明上.四旋翼飞行器驾驶仪设计[D].南京:南京航空航天大学自动化学院,2008.
设计(论文)的基本内容
本文采用牛顿-欧拉模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。本文限于作者能力未对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,而是一定程度上简化了四旋翼飞行器的数学模型,在一定姿态角度内近似将其看作线性系统,以方便使用PID控制算法对飞行器在空中的三个欧拉角进行控制。
附件二
开 题 报 告
学生姓名
学 号
系(院)
四旋翼飞行器自动驾驶仪设计-开题报告
四旋翼飞行器自动驾驶仪设计-开题报告中北大学毕业设计开题报告学生姓名: 学号: 学院、系: 信息与通信工程学院、电气工程系专业: 电气工程及其自动化四旋翼飞行器自动驾驶仪设计设计题目:指导教师:2013 年 3 月日毕业设计开题报告 1(结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述:文献综述1 本课题的选题背景意义四旋翼飞行器设计任务的到来，为研究和设计超小型飞行器创造了条件。
当前，四旋翼飞行器的研究还处在初级发展阶段。
随着微米纳米科技的迅猛发展和微电子机械系统(MEMS)的蓬勃兴起，可以看到，四旋翼飞行器可能会走向实用化，急需解决的关键技术和难点还很多，有些问题甚至在较长一段时间内都可能难以解决，只有用现有的技术尽最大可能地解决现有的问题，我们才能不断地走在科技发展的前列。
四旋翼飞行器的研制是一项包含了多种交叉学科的高、精、尖技术，其研究水平在一定程度上可以反映一个国家在微电子机械系统技术领域内的实力。
它的研制不仅是对其自身问题的解决，更重要的是，还能对其它许多相关技术领域的发展起到积极的推动作用。
四旋翼飞行器的研究领域十分广阔，并且随着研究的不断深入，其研究范畴还在继续扩大。
本课题不可能将所有问题都包含其中，而只能就其中的部分技术问题开展一些探索性研究[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。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计1. 引言1.1 研究背景四旋翼飞行器是一种具有垂直起降能力和灵活操控特性的无人飞行器，近年来在军事、民用航空领域得到广泛应用。
四旋翼飞行器的飞行控制系统仍然是一个挑战性问题，需要不断的研究和改进。
在过去的几十年里，飞行控制系统技术取得了巨大的进步，从传统的PID控制方法到现代的神经网络控制和模糊控制方法，不断地推动着飞行器飞行性能的提升。
在四旋翼飞行器这种特殊结构的飞行器上，如何设计一套高效稳定的飞行控制系统仍然是一个值得研究的课题。
通过对四旋翼飞行器的飞行控制系统进行研究与设计，可以进一步提高其飞行性能、安全性和自动化程度，为未来无人机飞行技术的发展奠定基础。
本研究旨在探讨四旋翼飞行器飞行控制系统的设计原理和方法，为实现四旋翼飞行器的稳定飞行和智能控制提供技术支持。
1.2 研究目的研究目的主要是为了探索四旋翼飞行器飞行控制系统的设计与优化方法，以提高飞行器的稳定性、灵活性和控制精度。
本研究旨在深入分析传统飞行控制方法和先进飞行控制方法的优缺点，结合四旋翼飞行器的特点，提出有效的飞行控制系统设计方案。
通过实验验证，验证设计方案的有效性和实用性，进一步完善飞行控制系统的性能。
最终目的是为了提高四旋翼飞行器的自主飞行能力和应用领域的拓展，推动飞行器技术的发展和应用。
希望通过本研究的成果，为未来四旋翼飞行器的设计与控制提供参考和指导，为飞行器的性能优化和智能化发展做出贡献。
2. 正文2.1 飞行控制系统概述飞行控制系统是四旋翼飞行器的重要组成部分，它负责控制飞行器的姿态、位置和飞行参数，以确保飞行器稳定、安全地飞行。
飞行控制系统的设计和实现是四旋翼飞行器研究的关键内容之一。
飞行控制系统通常由传感器、执行器和控制算法组成。
传感器用于测量飞行器的姿态、位置、速度等信息，将这些信息传输给控制算法。
控制算法根据传感器数据计算出合适的控制指令，通过执行器控制飞行器的动作，实现飞行器的姿态和飞行参数控制。
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四旋翼飞行器飞行控制系统设计开题报告
集美大学信息工程学院
毕业设计（论文）开题报告
设计题目：四旋翼飞行器飞行控制系统设计
专业通信工程班级通信1012 姓名 xxx 学号xxx
设计方案如下：
1、利用atmega 2560单片机开发飞行控制系统，采集传感器数据，计算飞机姿态，
通过PWM控制电调实现飞行控制。
2、Atmega 2560 单片机将实时传感器的数据通过串口输出给s5pv210(Cortex-A8)
嵌入式系统,在通过无线网卡发送给地面站。
3、S5pv210采集摄像头数据，H.264编码完通过RTSP协议传给地面站。
补充对系统框图的说明。
计划进度安排ATmega2
560 加速度计、陀螺
I2
电调无刷电
S5PV210
嵌入式
串
无线
摄
PW
云台
PW V4
(1)2014年2月17日起至2014年2月28日：
查阅本学科最新发展动态和最新研究论文；根据任务书撰写开题报告，完成5000字的英译汉；
(2)2014年3月1日起至2014年3月20日：
学习Linux操作系统驱动编程，编写Linux系统应用；
(3)2014年3月21日起至2012年4月10日：
完成对互补滤波器算法研究，用互补滤波器对陀螺仪测量误差进行矫正，并学习互补滤波器融合系数的确定方法; 学习基于欧拉角反馈的PID 控制器进行姿态控制算法;
(4)2014年4月11日起至2014年5月15日：
设计四旋翼飞行器飞行控制系统的软硬件实现,完成调试、测试、优化结果；
(5)2014年5月15日起至2014年6月10日：
完成毕业设计论文；准备相应的电子文档，完成毕业答辩。
指导教师意见
该同学对毕业设计的任务明确，提出的设计方案和技术路线可行，计划进度安排合理，同意开题。
指导教师签名：
20年月日。