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基本信息

項(xiàng)目名稱：
四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)
簡(jiǎn)介：
本作品是以泰世330X型四旋翼飛行器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的微型飛行器飛控系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制，通過(guò)遙控器通道設(shè)置中斷開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行和遙控模式的切換，可以通過(guò)PC 形成小型簡(jiǎn)易的地面站，具備一個(gè)簡(jiǎn)易的無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)平臺(tái)基本要求。主要指標(biāo)：飛行控制范圍80米；飛行高度在10米之內(nèi)；俯仰和滾轉(zhuǎn)角度控制范圍是30度；航向角度控制范圍是0到360度；具有一定的智能避障功能。
詳細(xì)介紹：
發(fā)明目的： 隨著微型飛行器(MAV)在現(xiàn)代軍事和民用的各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越廣泛地應(yīng)用MAV飛行控制的重要性日顯突出。在某些國(guó)家MAV已在其軍事領(lǐng)域進(jìn)入了實(shí)戰(zhàn)功能性試驗(yàn)階段，研究開(kāi)發(fā)我國(guó)的MAV飛行控制系統(tǒng)，對(duì)于打破技術(shù)壟斷、提高我國(guó)科技核心競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的意義。 基本說(shuō)明： 本作品是針對(duì)四旋翼飛行器的飛控系統(tǒng)。小型四旋翼飛行器與其它微型飛行器相比，其優(yōu)勢(shì)在于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，起飛與著陸需要的空間小，對(duì)大障礙環(huán)境的具有機(jī)動(dòng)性，能保持期望的靜態(tài)位置和方位，并且只需通過(guò)改變四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制，且飛行機(jī)動(dòng)能力更加靈活。基于以上特點(diǎn)四旋翼直升機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)自主飛行控制。本作品以泰世330X型四旋翼飛行器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制，通過(guò)遙控器通道設(shè)置中斷開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行和遙控模式的切換，可以通過(guò)PC 形成小型簡(jiǎn)易的地面站，基本形成一個(gè)小型簡(jiǎn)易的無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)平臺(tái)。 創(chuàng)新點(diǎn)： 對(duì)微型飛行器的精確建模；DSP最小系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)；采用經(jīng)典的PID控制和模糊控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)飛行器的飛控系統(tǒng)；具有遙控和自主飛行切換功能；與PC通信形成MAV簡(jiǎn)易地面站；具有一定的避障功能。 技術(shù)特點(diǎn)： 以F28335開(kāi)發(fā)飛行控制器，采用PID與模糊的控制算法，該算法是具有穩(wěn)定性高，可靠性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。飛控系統(tǒng)硬件總體由機(jī)體、控制器模塊、傳感器模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊模塊組成，軟件總體由系統(tǒng)初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊、導(dǎo)航模塊、控制模塊、無(wú)線通訊模塊組成。采用hmr3300數(shù)字電子羅盤(pán)以及端面開(kāi)口智能傳感器-615090作為主要傳感器，獲得航姿進(jìn)行反饋控制，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器姿態(tài)的穩(wěn)定控制。采用遙控器數(shù)據(jù)通信模塊，改裝遙控器為五通道遙控器，實(shí)現(xiàn)自主控制與遙控控制的切換。采用ZigBee模塊與PC實(shí)現(xiàn)串口通信建立小型地面站。 技術(shù)指標(biāo)： 實(shí)現(xiàn)小型四旋翼直升機(jī)在近地環(huán)境下的姿態(tài)控制；其中飛行高度在10米之內(nèi)；四旋翼直升機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn)角度控制范圍是30度；航向角度控制范圍是0到360度。 作品發(fā)展前景及市場(chǎng)潛力： 四旋翼飛行器的有相當(dāng)好的發(fā)展前景，軍事上可應(yīng)用于情報(bào)獲取、地面戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視、近距離空中支持和禁飛巡邏、電子戰(zhàn)、通信中繼等方面；在民用方面一樣大有可為，如重大自然災(zāi)害之后的搜索與救援，巡邏監(jiān)視和目標(biāo)跟蹤，緝毒和反走私，高壓線、大橋、水壩和地震后路段的檢查，航拍和成圖等。這樣使得飛行控制問(wèn)題將會(huì)成為關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，這樣對(duì)穩(wěn)定的四旋翼飛行控制系統(tǒng)將會(huì)有相當(dāng)大的需求量，由于該作品采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，利用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制功能?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性較高，控制效果好，利用相對(duì)較低的成本實(shí)現(xiàn)效果較好的控制功能，有很高的性價(jià)比，可以大批量的應(yīng)用于四旋翼飛行器上。本作品可以進(jìn)行二次擴(kuò)展開(kāi)發(fā)，增加擴(kuò)展功能，如添GPS導(dǎo)航，圖像采集傳輸，智能避障等功能。由于四旋翼飛行器廣泛的應(yīng)用前景，飛控系統(tǒng)的需要將會(huì)大幅度提高，所以本作品有著非常巨大的商業(yè)價(jià)值。

作品圖片

  • 四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1)發(fā)明目的：在某些國(guó)家MAV已在其軍事領(lǐng)域進(jìn)入了實(shí)戰(zhàn)功能性試驗(yàn)階段，研究開(kāi)發(fā)我國(guó)的MAV飛行控制系統(tǒng)，對(duì)于打破技術(shù)壟斷、提高我國(guó)軍事核心競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的意義，通過(guò)本項(xiàng)目的研究使得我國(guó)的MAV飛行控制系統(tǒng)能夠滿足體積小重量輕的特點(diǎn)，同時(shí)在控制方面實(shí)現(xiàn)控制自主化和智能化。提高我國(guó)MAV飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。 2)基本思路：根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外MAV飛控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，我們選取四旋翼飛行器作為機(jī)載平臺(tái)開(kāi)發(fā)飛控系統(tǒng)，對(duì)飛控系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定飛控系統(tǒng)的硬件選型和設(shè)計(jì)，采用DSPF28335作為控制器實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)，利用數(shù)字電子羅盤(pán)以及超聲波傳感器進(jìn)行航資測(cè)量，確定控制軟件總流程實(shí)現(xiàn)控制算法，最終實(shí)現(xiàn)小型四旋翼直升機(jī)在近地環(huán)境下的飛行控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)地面站。 3)創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)微型飛行器的精確建模；DSP最小系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)；采用經(jīng)典的PID控制和模糊控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)飛行器的飛控系統(tǒng)；具有遙控和自主飛行切換功能；與PC通信形成MAV簡(jiǎn)易地面站；具有一定的避障功能。 4)關(guān)鍵技術(shù)：微型飛行器的建模；DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，數(shù)字電子羅盤(pán)航姿的設(shè)計(jì)及通信；控制算法的研究和實(shí)現(xiàn)；飛控系統(tǒng)整體硬件的搭建調(diào)試； 5)技術(shù)指標(biāo)：實(shí)現(xiàn)小型四旋翼直升機(jī)在近地環(huán)境下的姿態(tài)控制。其中飛行高度在10米之內(nèi)。四旋翼直升機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn)角度控制范圍是。航向角度控制范圍是0到360度。

科學(xué)性、先進(jìn)性

我們主要針對(duì)四旋翼直升機(jī)的飛控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，旋翼飛機(jī)較固定機(jī)翼飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于起飛與著陸需要的空間小，對(duì)大障礙環(huán)境的具有機(jī)動(dòng)性，并且能保持期望的靜態(tài)位置和方位?；谝陨咸攸c(diǎn)四旋翼直升機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)自主飛行控制，所以采用這個(gè)平臺(tái)研制的飛控系統(tǒng)具有著非常高的應(yīng)用推廣價(jià)值。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)四旋翼飛行控制研究程度均處于不成熟期以及四旋翼飛行器良好的應(yīng)用前景，該領(lǐng)域的研究有著巨大的潛力。本作品正是針對(duì)四旋翼飛行器研制的飛控系統(tǒng)，目前雖然有很多針對(duì)飛行器復(fù)雜的控制算法，但多數(shù)都上停留在理論層面，本作品不但提出了一種性能較好的控制算法而且加以實(shí)現(xiàn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行和遙控模式的切換。 技術(shù)性分析說(shuō)明： 四旋翼直升機(jī)是一種由四個(gè)輸入力產(chǎn)生六個(gè)自由度方向運(yùn)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)旋翼式直升機(jī)。四旋翼直升機(jī)獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了它可以通過(guò)只改變旋翼轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動(dòng)。本作品實(shí)現(xiàn)切換自主飛行和遙控飛行模式，增強(qiáng)了飛行器的可操作性。另外通過(guò)PC形成簡(jiǎn)易的地面站，基本符合一個(gè)無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)平臺(tái)的基本要素。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

西北工業(yè)大學(xué)“三航杯”校內(nèi)賽金獎(jiǎng)（排名全校第二）

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

技術(shù)入股

作品可展示的形式

實(shí)物展示，視頻，圖片，文字說(shuō)明等。

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

功能說(shuō)明： 本作品以泰世330X型四旋翼飛行器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行和遙控模式的切換，可以通過(guò)PC 形成小型簡(jiǎn)易的地面站。 技術(shù)特點(diǎn)： 以F28335開(kāi)發(fā)飛行控制器，采用PID與模糊的控制算法，該算法是具有穩(wěn)定性高，可靠性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。采用hmr3300數(shù)字電子羅盤(pán)以及端面開(kāi)口智能傳感器-615090作為主要傳感器，獲得航姿進(jìn)行反饋控制，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器姿態(tài)的穩(wěn)定控制。采用遙控器數(shù)據(jù)通信模塊，改裝遙控器為五通道遙控器，實(shí)現(xiàn)自主控制與遙控控制的切換。 優(yōu)勢(shì)： 四旋翼飛行器的有相當(dāng)好的發(fā)展前景，這樣使得飛行控制問(wèn)題將會(huì)成為關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，由于該作品采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，利用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制功能?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性較高，有很強(qiáng)的魯棒性。 市場(chǎng)及應(yīng)用范圍分析： 本作品可以進(jìn)行二次擴(kuò)展開(kāi)發(fā)，可以增加擴(kuò)展功能，如添GPS導(dǎo)航功能，實(shí)現(xiàn)圖像等傳輸功能。由于四旋翼飛行器廣泛的應(yīng)用前景，飛控系統(tǒng)的需要將會(huì)大幅度提高，所以本作品有著非常巨大的商業(yè)價(jià)值。

同類課題研究水平概述

微型飛行器(MAV)的自主控制系統(tǒng)是微型飛行器的的核心技術(shù)之一，微型飛行器在復(fù)雜的環(huán)境中工作，這就要求微型飛行器要具備一定的自主控制功能，以保證在視野之外或在聯(lián)絡(luò)中斷的復(fù)雜環(huán)境中能夠自主的飛行并完成制定任務(wù)。依靠傳統(tǒng)的飛行控制方式受到MAV體積和質(zhì)量的嚴(yán)格限制。這就使得世界各國(guó)開(kāi)始著力研發(fā)新的控制方式，目前國(guó)外比較先進(jìn)的控制方法一般是基于MEMS的新型控制方式，有些國(guó)家如美國(guó)、以色列等已經(jīng)研制成功。 國(guó)外對(duì)四旋翼無(wú)人直升機(jī)研究比較活躍。加拿人雷克海德大學(xué)(LakeheadUniversity)的Tayebi和McGilvray證明了使用四旋翼設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。澳大利啞臥龍崗大學(xué)的McKerrow對(duì)Dragantlyer進(jìn)行了精確建模。目前國(guó)外四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究T作主要集中在以下三個(gè)方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行、基于視覺(jué)系統(tǒng)的自主飛行和自主飛行器系統(tǒng)。典型代表有瑞士洛集聯(lián)邦科技學(xué)院的OS4、澳大利亞國(guó)立大學(xué)的X4、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4、斯坦福大學(xué)的Mesicoper。 雖然國(guó)外已經(jīng)對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行了廣泛而深入的研究，有的機(jī)型甚至已經(jīng)被運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中，但是國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究還處于起步階段。國(guó)內(nèi)對(duì)于四旋翼機(jī)的研究主要集中在幾所高校之中。例如國(guó)防科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)，中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院、電子科技集團(tuán)第二十七研究所、吉林大學(xué)、北京科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等等。但大多數(shù)的研究方式是理論分析和計(jì)算機(jī)仿真，只是提出了很多控制算法。例如，針對(duì)無(wú)人機(jī)模型的不確定性和非線性設(shè)計(jì)的DI／QFT(動(dòng)態(tài)逆／定量反饋理論)控制器，國(guó)防科技大學(xué)提出的自抗擾控制器(ADRC)可以對(duì)小型四旋翼直升機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn)控制，還有一些經(jīng)典的方法比如PID控制、 控制等。研制微型飛行器的自主飛行控制系統(tǒng)不僅能使得我國(guó)的微型飛行器的研究趕上國(guó)外的先進(jìn)水平，同時(shí)對(duì)于其它微系統(tǒng)控制也有直接的借鑒意義。
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