【正文】 狀態(tài)下的動力學模型及構建四旋翼 飛行器的測量硬件系統(tǒng)；其次，在獲得了四旋翼的數(shù)據(jù)后，用什么算法對輸出數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算及融合處理，如何對四旋翼飛行器懸停狀態(tài)下的姿態(tài)進行 PID控制，是保持四旋翼穩(wěn)定懸停狀態(tài)的急需解決的問題。 （ 2） 四旋翼飛行器的避障 由于飛行環(huán)境的復雜多樣，四旋翼飛行器在自主飛行過程中難免遇到障礙，四旋翼飛行器需自主檢測到障礙物并及時選擇合理的路徑避開障礙物，如何識別障礙物并及時把檢測結果傳輸?shù)教幚韱卧?，如何對檢測結果進行處理，如何對處理的檢測結果進行解算，是四旋翼避障環(huán)節(jié)中的重點，也是四旋翼智能飛行的關鍵。 （ 3） 四旋翼飛 行器的導航 在四旋翼飛行器的飛行過程中，采取何種檢測方式對其實時準確地定位，如何對檢測結果進行分析與處理從而使四旋翼飛行器按照既定的路徑飛行。并在此基礎之上，如何對算法進行優(yōu)化，提高四旋翼定位與導航的精確度，需要尋求更佳的檢測方式與更優(yōu)算法，這是本項目擬解決的問題之一。 項目 特色與創(chuàng)新 之處 擬 采取的實驗方案 及 可行性分析 擬 采取的實驗方案 首先，查閱國內(nèi)外文獻加深對四旋翼飛行器的了解，根據(jù)項目的功能要求，選擇合理的姿態(tài)解算和飛行控制算法及自主導航方法。 在此基礎上，搭建四旋翼飛行器 硬件平臺。根據(jù)所選算法與導航方法，確定所要檢測的物理量與精度，完成對飛行器的 硬件選型 ，其具體 結果 如表 1所示 。高度測量傳感器采用氣壓計與超聲波 武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金項目申請書（ 研究生 類 2021 版 ） 版本 0000000000 13 傳感器相結合的形式，飛行器在高空飛行時用氣壓計進行高度測量，而在低空懸停和降落時則采用超聲波傳感器測高，以提高懸停精度和降落時的安全性 。障礙物的檢測擬采用兩種方案 :一種是在四旋翼飛行器四周安裝超聲波傳感器，對飛行器附近障礙物進行測距，當所測距離進入一定范圍之內(nèi)，采用相應的避障算法進行路徑規(guī)劃，實現(xiàn)避障；另一種方案是在飛行器上安裝攝像頭，對飛行 器 周圍 的障礙物進行拍攝，通過 無線數(shù)傳將視頻傳輸至上位機，上位機進行圖像處理并規(guī)劃飛行線路，并將處理結果通過數(shù)傳返回到飛行器處理器中，完成避障。 設計飛行器的控制電路板，繪制其原理圖及 PCB，完成飛控板的制作；設計實驗 平臺，對三腳架云臺進行改裝，將飛行器固定在云臺上，以便在室內(nèi)對飛行器進行實驗和參數(shù)調(diào)節(jié)。 表 1 選型結果 元件名稱 選型具體型號 中央處理單元 STM32F103 處理器 姿態(tài)檢測傳感器 陀螺儀與加速度計 MPU6050 電子羅盤 HMC5883L 高度測量傳感器 氣 壓計 MS5611 超聲波傳感器 HCSR04 障礙物檢測 模塊 超聲波傳感器 HCSR04 微型攝像頭 導航模塊 GPS 無線數(shù)傳 進行四旋翼飛行器的軟件編寫。 軟件主要包括數(shù)據(jù)采集模塊， 姿態(tài)解算模塊，控制模塊， GPS通信模塊和 避障算法模塊 。數(shù)據(jù)采集模塊主要是根據(jù)各傳感器的 工作精度和通信方式 ，編寫其讀寫程序； 姿態(tài)解算 模塊 采用 kalman濾波和四元數(shù)姿態(tài)更新法， 將 姿態(tài)傳感器 采集 的數(shù)據(jù) 進行 融合，得到飛行器的實時姿態(tài)；飛行控制模塊 使用串級 PID控制，在試驗中調(diào)節(jié)飛行器的 PID參數(shù)， 實現(xiàn)四旋翼飛行器的俯仰，翻滾和偏航功能； GPS 通信模塊主要由 GPS 數(shù)據(jù)讀取程序和無線數(shù) 傳讀寫程序組成； 編寫多種 飛行器避障 及路徑規(guī)劃算法程序 ， 對程序進行調(diào)試和修改，并進行試飛試驗，逐步完善相關程序 。 整個項目的技術路線如圖所示。 四旋翼飛行器理論研究 搭建實驗硬件平臺 硬件選型 設計控制電路板 搭建實驗平臺 編寫飛行器控制軟件 調(diào)節(jié) 飛行器 PID 參數(shù) 實驗選擇避障方法 武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金項目申請書（ 研究生 類 2021 版 ） 版本 0000000000 14 圖 項目技術路線 實驗 手段 為完成本項目的研究目標，我們將從以下幾個方面依次進行設計和實驗。 （ 1） 對四旋翼無人機的原理和位置姿態(tài)控制進行理論研究，完成四旋翼無人機總體系統(tǒng)設計，并進行硬件焊接、連線和組裝，搭建本項目的實驗平臺； （ 2） 依據(jù)理論研究結果，進行簡單的軟件編程 實現(xiàn)四旋翼無人機穩(wěn)定地起飛，盤旋、著陸等基本功能，在實驗平臺上進行實驗調(diào)節(jié) PID參數(shù)并記錄，方便后期分析和應用； （ 3） 在穩(wěn)定飛行的基礎上分別加入避障模塊和導航模塊，通過反復的實驗，調(diào)節(jié)處理器輸出的控制參數(shù)改變四旋翼的飛行姿態(tài)，實現(xiàn)四旋翼的避障和按路徑飛行的功能； （ 4） 將各個模塊結合，進行總體的實驗，不斷修改參數(shù)，提高四旋翼的飛行穩(wěn)定性和跟蹤精度，并進行戶外試飛。 可行性分析： （ 1）理論和方法的可行性： 飛行動 力學 、姿態(tài)估計、 PID 控制和 GPS 導航 等基本理 論的完善 ，傳感器技術和嵌入式系統(tǒng)設計相 關技術 的 不斷成熟 ，以及多 信息 數(shù)據(jù) 融合的 分析 處理 方法的發(fā)展 ， 為本項目的順利進行提供了理論上和技術上的支持； （ 2） 研究基礎 的可行性：項目指導老師課題組 多年來的控制系統(tǒng)的研究和設計方面的經(jīng)驗和理論 ，為我們的本項目總體設計提供了大量的理論指導和技術支持。 因此，已為項目研究大量試驗工作的實施和完成創(chuàng)造了良好 的 條件 。 （ 3） 實驗條件 的可行性： 依據(jù)項目指導老師的指導下得出的理論研究結果，四旋翼實驗平臺已基本完成，已為項目研究大量的實驗工作的實施和完成創(chuàng)造了良好的實驗基礎。 GPS 自主導航 15 五、簽字蓋章頁 申請人 承諾 我確認本申請書及附件內(nèi)容真實、準確。如果獲得資助，我將嚴格遵守《 武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金管理辦法 》、《武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金在校研究生創(chuàng)新項目實施細則》規(guī)定，認真履行項目負責人職責、切實保證研究工作時間，認真開展研究工作，按時報送有關材料并接受檢查，努力完成項目研究任務。若申請書及附件內(nèi)容失實或在項目執(zhí)行過程中違反管理規(guī)定，本人將承擔相應責任。 申請人（簽名）： 年 月 日 研究生導師意見 導師推薦意見： 結論： □不同意推薦 □同意推薦 研究生導師（簽名）： 年 月 日 所在單位審核意見 所在單位審核意見： 負責人（簽名）： 單位公章 年 月 日 專家評審意見 綜合評審意見： 結論： □不同意資助 □同意資助 評審專家（簽名）： 年 月 日 研究生院審核意見 審核意見： 負責人（簽名）： 年 月 日 學校審定意見 武漢理工大學（公章） 年 月 日 【檢查與保護】