學(xué)校名稱

物理與電子科學(xué)學(xué)院

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

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(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

電子科學(xué)與技術(shù)

項(xiàng)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(jiǎng)。

掌握單片機(jī)STM32系統(tǒng)。同時(shí)運(yùn)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(shí)現(xiàn)電壓、電流模式切換進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)LCD輸出測(cè)量值。

制作基于STM32的波形輸出器。實(shí)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(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)，國家科技支撐計(jì)劃課題1項(xiàng)，其他項(xiàng)目多項(xiàng)。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

項(xiàng)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(shí)現(xiàn)用來上傳有效數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，以及PID控制的數(shù)據(jù)的相應(yīng)調(diào)整。用此來達(dá)到可以實(shí)際對(duì)四軸飛行器進(jìn)行調(diào)整的功能。提高飛控的實(shí)用性。

     3.建立簡易、便捷的上位機(jī)軟件，用來即時(shí)反映數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和調(diào)試。同時(shí)，方便用戶對(duì)飛控以及飛行器的控制和觀測(cè)。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(dá)到控制四軸飛行器的平穩(wěn)，提供能令飛行器在短時(shí)間內(nèi)，平穩(wěn)調(diào)整姿態(tài)的靈活性。同時(shí)，實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)。用來達(dá)到飛行器載物自穩(wěn)以及飛行的能力。

項(xiàng)目研究的內(nèi)容：    

    在未來的物流趨勢(shì)上，向著靈活性、便捷性和經(jīng)濟(jì)效益高的方向發(fā)展。而本項(xiàng)目產(chǎn)品恰好適用于此。本項(xiàng)目產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)載物遠(yuǎn)程運(yùn)輸，可以忽略地形地勢(shì)的劣勢(shì)，將產(chǎn)品輕松運(yùn)輸?shù)侥康牡?，只需要將產(chǎn)品懸掛在飛行器上面，則提供相應(yīng)的功能和模式，進(jìn)行目標(biāo)計(jì)算、運(yùn)輸、送達(dá)、返回等操作。

    利用通過SM32單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)，并利用傳感器和外界進(jìn)行交互，檢測(cè)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(jī)飛行的自穩(wěn)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)等功能。

    制作出具有以上功能的飛行控制器系統(tǒng)。對(duì)以往的弱項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)不穩(wěn)定因素進(jìn)行檢測(cè)和消除，從而達(dá)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(shí)反饋飛行器姿態(tài)，并且可以增強(qiáng)重心平衡能力，用以達(dá)到增加承載物重能力加大的同時(shí)，平衡性能依舊得到優(yōu)化。

項(xiàng)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(jì)又快又準(zhǔn)的算法，得到準(zhǔn)確而且即時(shí)的數(shù)據(jù)，并且減少因?yàn)槌绦蛱幚泶a過程的數(shù)據(jù)延時(shí)情況。

    利用STM32的單片機(jī)最小系統(tǒng)板，先逐步實(shí)驗(yàn)各個(gè)模塊的相應(yīng)代碼，以及對(duì)產(chǎn)生的問題進(jìn)行逐步調(diào)試和解決。對(duì)MPU6050模塊重點(diǎn)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(jìn)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(jí)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(duì)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(huì)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(jī)程序，對(duì)已采集得到的姿態(tài)角，通過在板載上面增加無線模塊、藍(lán)牙模塊，同時(shí)對(duì)處理完成的數(shù)據(jù)，利用無線模塊、藍(lán)牙模塊，上位機(jī)和遙控器上進(jìn)行顯示。

    3.解決飛行控制器數(shù)據(jù)采集過程的信號(hào)穩(wěn)定問題。飛行控制器的核心難點(diǎn)在于短時(shí)間內(nèi)用陀螺儀比較準(zhǔn)確；長時(shí)間用加速計(jì)比較準(zhǔn)確，這時(shí)候加大它的比重，這就需要互補(bǔ)濾波了，加速計(jì)要濾掉高頻信號(hào)，陀螺儀要濾掉低頻信號(hào)，互補(bǔ)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(gè)頻帶的信號(hào)。

    對(duì)飛行器的四個(gè)電機(jī)，利用姿態(tài)角的數(shù)據(jù)，調(diào)整PWM輸出，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的，進(jìn)而達(dá)到平衡四軸飛行器目的。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)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(jī)制理論等技術(shù)的發(fā)展，四旋翼垂直起降機(jī)又引起人們極大的興趣。四軸飛行器還可以應(yīng)用航測(cè)，攝像，軍事情報(bào)探測(cè)。最新運(yùn)用Dronenet，一個(gè)基于開放協(xié)議的短途無人機(jī)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(yàn)，但是總的來說，微型飛行器還處于試驗(yàn)階段，離實(shí)用化還有一定的差距。因此，科學(xué)的實(shí)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(jī)的核心航電設(shè)備之一，對(duì)于保持飛機(jī)飛行姿態(tài)、提高戰(zhàn)斗機(jī)飛行性能具有重要作用，目前，國內(nèi)主要有西安飛行自動(dòng)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(jìn)水平的飛控系統(tǒng)對(duì)于提升我國各類民用飛機(jī)、直升機(jī)、軍用飛機(jī)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(jī)的核心技術(shù)和主要技術(shù)門檻，在無人機(jī)特別是消費(fèi)級(jí)無人機(jī)市場發(fā)展異?；馃岬慕裉?，飛控系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于無人機(jī)以及軍民用飛機(jī)的核心作用進(jìn)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(shì)。

飛控及飛行器的前景：

2011年以后，中國消費(fèi)級(jí)民用無人機(jī)企業(yè)逐漸增多，據(jù)了解，目前深圳與無人機(jī)相關(guān)的企業(yè)就已經(jīng)增至200余家，正在向“無人機(jī)之都”發(fā)展，其中大疆無人機(jī)已經(jīng)成為“中國制造”的典型代表。同時(shí)，也加強(qiáng)了社會(huì)對(duì)無人機(jī)的關(guān)注，無人機(jī)在消費(fèi)級(jí)市場的應(yīng)用也迎來了空前的熱潮。

據(jù)ADI亞太區(qū)微機(jī)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(jī)需求量應(yīng)該在200萬臺(tái)左右，而玩具類無人機(jī)的需求量則會(huì)更多，應(yīng)該是千萬量級(jí)的，其中主要以多翼無人機(jī)對(duì)MEMS陀螺儀的需求量最大，應(yīng)該占60%以上。

本項(xiàng)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(jì)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(shí)解決陀螺儀和加速度計(jì)單獨(dú)的傳感器存在的噪聲誤差問題。

   4.使用RS232串口進(jìn)行上位機(jī)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(jī)。

   6.實(shí)現(xiàn)通過外接技術(shù)集成更多傳感器功能。   

采用PID的串級(jí)控制技術(shù)。串級(jí)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)順序是先主回路(PID1),后副回路(PID2)?？刂品绞接袃煞N：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?yàn)橐话愦?jí)控制系統(tǒng)中主控對(duì)象的響應(yīng)速度慢、副控對(duì)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(shí)，應(yīng)根據(jù)副回路選擇采樣周期，因?yàn)楦被芈返氖芸貙?duì)象的響應(yīng)速度較快。

串級(jí)控制的主要優(yōu)點(diǎn)：

1、將干擾加到副回路中，由副回路控制對(duì)其進(jìn)行抑制；

2、副回路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，對(duì)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(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

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

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

     1.使用STM32處理器，用于飛行姿態(tài)運(yùn)算，PID控制等。使用MPU6050傳感器是無人機(jī)的感官系統(tǒng)，用于獲取飛行姿態(tài)、高度等數(shù)據(jù)?？匕逯饕ㄒ韵略禾幚砥鳎勇輧x、加速度計(jì)等傳感器，I/O接口接線方便、簡潔。

    2.控板采用PID的串級(jí)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(shí)，可以時(shí)時(shí)檢測(cè)輸入輸出情況。

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

    4.可以使用外部按鈕進(jìn)行界面顯示的不同功能的切換顯示即時(shí)的反饋結(jié)果?？梢愿庇^的看出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。其作用是進(jìn)行人機(jī)交流。更加方便進(jìn)行。

     5.利用藍(lán)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(shí)，節(jié)約了遠(yuǎn)程運(yùn)輸?shù)某杀?。其提供的載物功能大大方便物流運(yùn)輸。

項(xiàng)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(shí)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(shí)也提供了更加即時(shí)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(dú)立分析以及反饋即時(shí)情況同時(shí)能獨(dú)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(dá)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(shì)在于一趟遍歷可以對(duì)多個(gè)模式進(jìn)行匹配，對(duì)于單模式匹配算法來說，如果要匹配多個(gè)模式，那么有幾個(gè)模式就要進(jìn)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(shí)，多模式匹配算法也適用于單模式情況。

     3適合遠(yuǎn)程貨運(yùn)的商業(yè)用途。電路的設(shè)計(jì)以及代碼的優(yōu)化使其價(jià)格實(shí)惠，且對(duì)于較小的貨物，較遠(yuǎn)的地區(qū)，地形不適合使用長途貨運(yùn)的情況。同時(shí)，不僅節(jié)約人力、資源、成本，并且縮短了時(shí)間，大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

預(yù)期成果:

    1.達(dá)到市面上主流水平，同時(shí)支持自動(dòng)擴(kuò)展外界功能模塊，且保持原有功能能相對(duì)獨(dú)立。對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行能力較弱的，可以適度增添模塊，從而達(dá)到效率和效益最大化的目的。

    2.達(dá)到無負(fù)重使用時(shí)，機(jī)身達(dá)到平衡并且能夠隨時(shí)應(yīng)對(duì)更種突發(fā)情況。

    3.支持較強(qiáng)的遠(yuǎn)程載重功能，達(dá)到機(jī)身30%重量的承受度，能狗順利起飛，同時(shí)，并且能夠保持機(jī)身在多風(fēng)干擾情況下快速找準(zhǔn)平衡點(diǎn)，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(yùn)輸?shù)那闆r下，提供強(qiáng)有力的途經(jīng)，同時(shí)大大節(jié)約了運(yùn)輸成本，縮短用戶對(duì)運(yùn)輸產(chǎn)品的接受時(shí)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(gè)模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)個(gè)模塊進(jìn)行系統(tǒng)整合；

2017年04月30日---2017年09月30日，完成對(duì)上位機(jī)軟件的編寫，同時(shí)實(shí)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(duì)上位機(jī)軟件的編寫，同時(shí)實(shí)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(duì)所有模塊的調(diào)試，改良，以及拓展功能的實(shí)現(xiàn)；

指導(dǎo)教師意見

簽字：                   日期：