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基本信息
- 項目名稱：
- 新型自適應(yīng)四旋翼飛行器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品采用嵌入式智能控制技術(shù)，提出并實踐了一套自主檢測、適時調(diào)整航向、具有自適應(yīng)性導(dǎo)航飛行控制方案。在核心控制上，作品基于飛行器的非線性數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用卡爾曼濾波、方向余弦、四元數(shù)等多種算法對傳感器數(shù)據(jù)進行處理得到精確的飛行姿態(tài)。同時先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及絕對位置檢測單元的應(yīng)用提高了飛行質(zhì)量，實現(xiàn)自主飛行和定位巡航功能。因此該飛行器能夠應(yīng)用于搜救、航拍和偵察等方面，成為一種軍民兩用的高技術(shù)產(chǎn)品。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，微小型無人機已經(jīng)成為全世界航天領(lǐng)域研究的重要方向之一。本作品是一種微小型四旋翼無人機（又名微小型四旋翼飛行器）。 該飛行器采用嵌入式智能控制技術(shù),建立了一套基于微處理器下的自主檢測并適時調(diào)整航向的具有自適應(yīng)性導(dǎo)航飛行控制方案并將其應(yīng)用于微小型四旋翼飛行器。我們在研究微小型四旋翼飛行器的空氣動力學(xué)的非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用卡爾曼濾波算法對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波處理和融合，應(yīng)用方向余弦和四元數(shù)算法對濾波后的數(shù)據(jù)進行二次處理，從而得到飛行過程中精確的飛行狀態(tài)變量。進一步運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的算法結(jié)合四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型進行飛行控制。使飛行器的在多種環(huán)境中都能快速、平穩(wěn)飛行，甚至能高質(zhì)量的完成空中懸停、低速平飛等高難度飛行動作。此外，由氣壓傳感器等模塊組成的絕對位置檢測單元能準(zhǔn)確計算出飛行器在絕對空間中的位置，并有效地消除誤差積累，使飛行器能夠做到自主飛行和定位巡航。從而使四旋翼飛行器能夠應(yīng)用于海洋勘探、搜救、航拍、偵察和監(jiān)視等方面，因而該四旋翼飛行器將成為一種軍民兩用的高技術(shù)產(chǎn)品。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計目的： 改進現(xiàn)有的四旋翼飛行器，使其具有較強抗干擾和環(huán)境自適應(yīng)能力的姿態(tài)控制，同時具有空中平穩(wěn)懸停、15米/秒左右高速巡航等功能，并能夠通過GPS確定空間位置，具有一定的應(yīng)用價值。 2、作品創(chuàng)新點： 該四旋翼飛行器采用嵌入式智能控制技術(shù)，其主控制器選用了專用于數(shù)字信號處理的DSP微處理器，協(xié)處理器選用了高性能、低成本的STM32單片機，并使用了高精度的慣性測量單元和氣壓傳感器等模塊對四旋翼飛行器進行了狀態(tài)檢測，為四旋翼飛行器提供了良好的硬件基礎(chǔ)；通過卡爾曼算法對傳感器的數(shù)據(jù)進行濾波并采用方向余弦和四元數(shù)算法對濾波數(shù)據(jù)進行二次處理進而生成飛行過程中的狀態(tài)變量參數(shù)，再利用絕對位置檢測單元得到的數(shù)據(jù)消除其誤差積累。經(jīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID算法對飛行器的飛行過程進行控制。基于高端的硬件平臺和先進飛行控制算法，制作出了穩(wěn)定性高、自適應(yīng)性能力強，并能完成空中高難度動作的四旋翼飛行器。 3、作品關(guān)鍵技術(shù)： 飛行器的處理器短時間內(nèi)完成大量的算法計算和數(shù)據(jù)濾波處理；高精度的機體狀態(tài)測量和環(huán)境監(jiān)測；即時的數(shù)據(jù)反饋和對遙控器的響應(yīng)；狀態(tài)變量的估計和飛行控制算法。 4、技術(shù)指標(biāo)： 飛行高度：≥250米； 飛行速度：≥15米/秒； 滯空時間：≥20分鐘； 慣性單元精度：靜態(tài)±1°、動態(tài)±3°； 懸停精度：≤1.0米。
科學(xué)性、先進性
- 主控制器DSP通過卡爾曼算法對慣性單元的輸出數(shù)據(jù)進行濾波處理并采用方向余弦和四元數(shù)算法對濾波數(shù)據(jù)進行二次處理,得到四旋翼飛行器當(dāng)前的飛行狀態(tài)。有效的解決了現(xiàn)有微小型飛行器因受多種物理因素的作用而無法得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)的問題，為飛行器的平穩(wěn)飛行提供了必要條件；采用三軸磁羅盤測算絕對方向,同時對飛行狀態(tài)進行修整，有效的消除了慣性單元長時間誤差積累的問題. 此外，主要由GPS、氣壓傳感器等模塊組成的絕對位置檢測單元能準(zhǔn)確計算出飛行器當(dāng)前的經(jīng)緯度、航向、航速和飛行高度等參數(shù)，并且能夠準(zhǔn)確確定出飛行器在絕對空間中的位置，使飛行器能夠做到自主飛行和定位巡航. 通過在DSP處理器強大運算功能支持下的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID算法，使四旋翼飛行器在現(xiàn)有的欠驅(qū)動、多變量、非線性、強耦合和干擾敏感的系統(tǒng)中仍能兼顧動態(tài)響應(yīng)速度與飛行控制的魯棒性，從而能夠成為具有垂直起降、空中懸停、航跡跟蹤飛行控制和高速巡航等功能的飛行器。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- “挑戰(zhàn)杯”2011河北省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作
作品可展示的形式
- 模型、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1、技術(shù)特點及其優(yōu)勢:該飛行器飛行控制算法的運用使飛行器具有較強抗干擾和環(huán)境自適應(yīng)能力的姿態(tài)控制，且能夠達到精度在1.0米的范圍之內(nèi)的空中懸停。此外，合理的動力與能源裝置，使飛行器具有長達20分鐘以上的滯空時間和15米／秒左右的飛行速度。同時飛行器還具有能夠垂直起降、機器生存能力強、有效載荷大等特點。另外,飛行器簡單的機械制造工藝及低廉的成本使其易于工業(yè)化的大批量生產(chǎn)及應(yīng)用。 2、應(yīng)用范圍及推廣前景:微小型四旋翼飛行器融合了直升機與固定翼飛機的優(yōu)點，同時因該飛行器具有卓越的飛行控制性能和對各種環(huán)境極強的自適應(yīng)性能力，所以它不僅適合在近地面環(huán)境中執(zhí)行科學(xué)數(shù)據(jù)收集，而且為危險環(huán)境中的監(jiān)視、偵察、營救和突擊運輸?shù)裙ぷ魈峁┝肆己玫目罩衅脚_。前期福島核電站爆炸，造成大范圍的核污染，而搜救和數(shù)據(jù)收集的工作非常無人飛行器來完成，這樣不僅大大降低成本還提高人員安全保障，因而使其具有更為廣闊的軍事和民用前景。
同類課題研究水平概述
- 無人飛行器（UAV）自主飛行技術(shù)多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點，并且在實際應(yīng)用中存在大量的需求，例如：偵察與營救任務(wù)，科學(xué)數(shù)據(jù)收集，地質(zhì)、林業(yè)勘探，農(nóng)業(yè)病蟲害防治，以及視頻監(jiān)控，影視制作等。通過無人飛行器來完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員安全保障。 無人飛行器的主要優(yōu)點包括：系統(tǒng)制造成本低，在執(zhí)行任務(wù)時人員傷害小，具有優(yōu)良的操控性和靈活性等。而旋翼式飛行器與固定翼飛行器相比，其優(yōu)勢還包括：飛行器起飛和降落所需空間少，在障礙物密集環(huán)境下的可控性強，以及飛行器姿態(tài)保持能力高。由國際無人運輸系統(tǒng)協(xié)會(International Association for Unmanned Vehicle Systems）組織的一年一度的國際空中機器人競賽(International Aerial Robotics Competition)，為自主旋翼式飛行器的應(yīng)用潛力研究提供了一個很好的展示平臺。該競賽吸引了來自全世界不同國家研究團隊的參與，來完成預(yù)先設(shè)定的自主飛行任務(wù)。 在無人飛行器自主飛行的眾多技術(shù)當(dāng)中，飛行器自主飛行控制算法的設(shè)計一直是控制領(lǐng)域眾多研究者最關(guān)心的問題之一。經(jīng)典的控制策略在飛行器系統(tǒng)的某個特定作用點上往往首先將系統(tǒng)模型線性化，然后在此基礎(chǔ)上運用經(jīng)典控制理論對系統(tǒng)進行分析和控制，控制精度和控制能力偏弱。相比之下，運用現(xiàn)代非線性控制理論設(shè)計的控制算法，其性能明顯優(yōu)于經(jīng)典控制算法。 小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優(yōu)勢在于其機械結(jié)構(gòu)較為簡單，并且只需通過改變四個馬達的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)控制，且飛行機動能力更加靈活。另一方面，小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能，并具有在小區(qū)域范圍內(nèi)起飛，盤旋，飛行，著陸的能力。飛行器可以飛至離目標(biāo)更近的區(qū)域，而不像傳統(tǒng)直升機由于其巨大的單旋翼而不能近距離靠近目標(biāo)。 同時，小型四旋翼飛行器研究也為自動控制，先進傳感技術(shù)以及計算機科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個平臺。在機器人的智能控制，三維路徑規(guī)劃，多飛行器的空中交通管理和碰撞規(guī)避等方面，小型四旋翼飛行器自主飛行技術(shù)都具有極高的研究價值。
