四旋翼无人机姿态控制系统设计开题报告

（一）本课题在国内外的研究背景：

20世纪90年代之后，微型机电（MEMS）的出现，几克重的MEMS惯性导航系统也随之应运而生，这个技术也让四旋翼飞行器的诞生奠定了基础。

随着世界科技的发展，航天技术不断的成熟，日新月异的科技设备开始涌入人们的生活。使得四旋翼飞行器以其低成本、高性能、独特构造和飞行方式等特点，被广泛应用于军事和民用领域^[1］。目前世界上广泛应用的无人飞行器有固定翼飞机，单轴直升机等。与固定翼相比，多轴飞行器有对场地要求低，能实现垂直起降，定点悬停等优点，与直升机相比，有结构简单，提高升力效率的潜力大，成本低等优点。四轴飞行器是多轴飞行器中最典型的案例，相比其他多轴飞行器，四轴飞行器有简单的结构，易于制造，而在飞行原理与控制方式上，四轴飞行器与其他多轴飞行器没有太大的区别，仅仅在于输出控制量时对单个电机的映射不同。

1、国外四旋翼飞行器发展状况

国外有不少民间微小型飞控（无人机飞行控制器）项目，包括 PIXHAWK 项目、AutoQuad 项目、APM（ArduPilotMega）项目等，他们都可以控制包括四轴飞行器在内的多种飞行器。不少项目甚至是开源的，为爱好者们学习提供了很多方便。来自 ETHZurich 大学 Institute Dynamic Systems and Control 实验室的 RaffaelloD'Andrea 与他的团队将四轴飞行器与运动算法相结合，完成了如打球、顶倒立杆等动作^[2］。

2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。2012年2月，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲^[3］。如今，国外的无人机系统作为一种重要的信息技术手段,凭借着其较高的稳定性和自主能力,在军事建设和民用等方向（侦察、救援、抗灾等视角）有了广泛的应用。

2、国内四旋翼飞行器发展状况

同时，随着我国科技实力的提升，几十年之间我国的科学运用能力飞速提升，国内技术爱好者和科技企业也大力研究飞行器的结构和控制组成。因此在我国共同的努力下，飞行器的结构、重量、制造及装配等方面的表现得到极大提升。独特的飞行特性，使其不仅拥有垂直起降能力，还能轻松驾驭例如对障碍物的识别、避让等任务。它可以作为一种智能巡检机器人，替代工作人员在无人值守的工业现场，完成安全检测中面临的各种危险工作任务。也可以担任例如军事抓捕，灾后重建，影视拍摄，资源勘探等角色。这将提高行业的智能化水平，提升巡检作业和管理的效率，降低劳动强度和运维成本。因此，四轴飞行器在军事领域和民用领域都显示出了极高的研究价值和应用潜力^[4］。

（二）目的及意义：

1、研究本课题的目的

数据表明，随着世界科技的发展，不管是民用还是军事力量的竞赛，实时的网络信息抓取能力都将成为制胜的关键因素。多旋翼无人飞行器近年来也在信息获取源方面取得了优异的成绩。预计今后8年内，无人机的需求将达到25000架。是当前市场的3倍，年均开支也将从28亿美元增加到87亿。未来8年的累计花费约为560亿美元。

四旋翼无人机作为无人机中的一个细分类别，它是一种微小型、性能优良的VTOL(垂直起降)直升机，具有体积小、飞行速度快、续航能力强等许多特点，可广泛用于军事侦察、航拍、搜索、紧急救援、情报获取等多方面，另外还可执行不同的电子任务，具有很好的实际应用性和发展前景。现在已经逐渐应用到国防、民用、商用等方面，对它的研究，将是世界上对无人机研究的重要发展方向之一。

2、研究本课题的意义

同时作为一个新兴的无人机领域，由于技术发展不够成熟，在控制方面依然存在了续航时间短，飞行不够稳定以及一系列安全因素亟待解决。根据四旋翼无人机飞行姿态的解算、关键技术和发展前景，本课题主要针对其飞行姿态技术和其基本结构进行研究，并根据整个飞行控制系统的要求，对四旋翼无人机硬件及算法上进行设计、改进，除了实现基本功能外还要以达到安全稳定和降低经济成本预算，为将来民用化提供基础。

（1）2022-02-15~2022-03-01查阅文献资料，确定毕业设计工作任务；

（2）202203-02~2022-03-18翻译外文文献，撰写开题报告，确定总体方案；

（3）2022-03-19~2022-04-01提交外文翻译，开题报告，着手设计飞行器基本框架；

（4）2022-04-02~2022-04-20开始撰写论文，及各模块之间匹配参数计算、校核、验证等，构思驱动系统，完成中期检查；

（5）2022-04-21~2022-05-10运用设计软件画出飞行器结构图，设计飞行控制系统硬件结构，撰写论文；

（6）2022-05-11~2022-05-20 绘制飞行控制器硬件结构图并研究飞行控制算法；

（7）2022-05-21~2022-05-30完善图纸及驱动系统设计，提交初稿；

（8）2022-06-01~2022-06-05向指导教师和评阅教师提交毕业论文；

（9）2022-06-06~2022-06-13答辩，整理毕设文档。