四旋翼飞行器的遥控器设计开题报告

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1. 研究目的与意义

无人飞行器自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如：侦察与营救任务，科学数据收集，地质、林业勘探，农业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等。通过无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。 而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制，且飞行机动能力更加灵活。另一方面，四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有在小区域范围内起飞，盘旋，飞行，着陆的能力。飞行器可以飞至离目标更近的区域，而不像传统直升机由于其巨大的单旋翼而不能近距离靠近目标。同时，四旋翼飞行器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。在机器人的智能控制，三维路径规划，多飞行器的空中交通管理和碰撞规避等方面，四旋翼飞行器自主飞行技术都具有极高的研究价值。通过本次毕业设计，提高自己综合运用各种知识的能力。

2. 国内外研究现状分析

当前四轴飞行器的研究在国内蓬勃发展起来并形成产业。己经有许多的公司将四轴飞行器等多轴飞行器实现了商业化应用。多轴飞行器的主要技术难点在于其飞行姿态控制系统。因为其旋翼多（一般为偶数个），因此多轴飞行器的飞行姿态控制远比传统单轴直升机复杂。目前在此领域的研究主要是飞行姿态的数学建模、控制算法以及滤波理论。目前主要的有刚体旋转理论、四元数理论、非线性数字滤波、级联惯性导航、神经元算法等控制理论的综合研究和应用。适用于多轴飞行器的新的传感器技术发展及新材料的应用国内外目前也致力于新传感器技术的发展和运用。出现了通用的整合一体的传感器模块，以及这些模块小型化微型化，精度也越来越高，使得多轴飞行器的体积大大缩小。新的材料如碳纤维也运用于机架，使得目前机体重量进一步降低，载重和续航能力进一步提高。电机、电池领域技术的发展。

近年来，电机技术不断发展。无刷电机和空心杯电机进一步普及应用于多旋翼飞行器上。大大提高了多旋翼飞行器的动力。锂电池甚至燃料电池的出现和应用使得续航能力大大提高。国外四轴飞行器的研究现状目前国外在四轴飞行器的研究也是主要集中在飞行控制系统的新的理论的研究，比如神经元网络控制算法、模糊控制算法等。国外还致力于四轴飞行器的脱离人遥控的自主飞行以及多机协同运作等方面的研究。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

1.四旋翼无人飞行器模型的建立与动力学分析。建立准确的数学模型。利用已有的姿态矩阵得到飞行器在地理坐标系下的运动模型，利用运动模型分析四旋翼飞行器的基本运动规律，为飞行控制系统的设计提供了相关依据。

2.四旋翼飞行器控制系统的设计与实现。根据所建立的模型以及系统模型的分析，选用合适的主控芯片，设计飞行器主控制系统，设计电机系统的控制程序，设计相关硬件电路，最终完成系统硬件设计。

4. 研究创新点

本设计是在原有的四旋翼飞行器控制系统基础上的一次改进，选用基于飞行器简化模型的经典PID控制器，基于飞行器简化模型的位置控制器设计。此设计使得四旋翼飞行器控制算法得到改进，使飞控更加稳定。