基本信息
- 项目名称：
- 四旋翼飞行器飞控系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品是以泰世330X型四旋翼飞行器为实验平台开发的微型飞行器飞控系统。此系统可以实现飞行器的姿态控制，通过遥控器通道设置中断开关能够实现自主飞行和遥控模式的切换，可以通过PC 形成小型简易的地面站，具备一个简易的无人机作战平台基本要求。主要指标：飞行控制范围80米；飞行高度在10米之内；俯仰和滚转角度控制范围是30度；航向角度控制范围是0到360度；具有一定的智能避障功能。
- 详细介绍：
- 发明目的： 随着微型飞行器(MAV)在现代军事和民用的各个领域越来越广泛地应用MAV飞行控制的重要性日显突出。在某些国家MAV已在其军事领域进入了实战功能性试验阶段，研究开发我国的MAV飞行控制系统，对于打破技术垄断、提高我国科技核心竞争力有着重要的意义。 基本说明： 本作品是针对四旋翼飞行器的飞控系统。小型四旋翼飞行器与其它微型飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，起飞与着陆需要的空间小，对大障碍环境的具有机动性，能保持期望的静态位置和方位，并且只需通过改变四个旋翼的转速即可实现控制，且飞行机动能力更加灵活。基于以上特点四旋翼直升机更容易实现自主飞行控制。本作品以泰世330X型四旋翼飞行器为实验平台开发，此系统可以实现飞行器的姿态控制，通过遥控器通道设置中断开关能够实现自主飞行和遥控模式的切换，可以通过PC 形成小型简易的地面站，基本形成一个小型简易的无人机作战平台。 创新点： 对微型飞行器的精确建模；DSP最小系统的集成设计；采用经典的PID控制和模糊控制相结合实现飞行器的飞控系统；具有遥控和自主飞行切换功能；与PC通信形成MAV简易地面站；具有一定的避障功能。 技术特点： 以F28335开发飞行控制器，采用PID与模糊的控制算法，该算法是具有稳定性高，可靠性强，易实现等优点。飞控系统硬件总体由机体、控制器模块、传感器模块、电源模块、数据处理模块和通讯模块组成，软件总体由系统初始化模块、传感器数据采集模块数据处理模块、导航模块、控制模块、无线通讯模块组成。采用hmr3300数字电子罗盘以及端面开口智能传感器-615090作为主要传感器，获得航姿进行反馈控制，能够实现飞行器姿态的稳定控制。采用遥控器数据通信模块，改装遥控器为五通道遥控器，实现自主控制与遥控控制的切换。采用ZigBee模块与PC实现串口通信建立小型地面站。 技术指标： 实现小型四旋翼直升机在近地环境下的姿态控制；其中飞行高度在10米之内；四旋翼直升机的俯仰和滚转角度控制范围是30度；航向角度控制范围是0到360度。 作品发展前景及市场潜力： 四旋翼飞行器的有相当好的发展前景，军事上可应用于情报获取、地面战场侦察和监视、近距离空中支持和禁飞巡逻、电子战、通信中继等方面；在民用方面一样大有可为，如重大自然灾害之后的搜索与救援，巡逻监视和目标跟踪，缉毒和反走私，高压线、大桥、水坝和地震后路段的检查，航拍和成图等。这样使得飞行控制问题将会成为关键的技术问题，这样对稳定的四旋翼飞行控制系统将会有相当大的需求量，由于该作品采用计算机控制技术，利用数字信号实现控制功能。控制系统稳定性较高，控制效果好，利用相对较低的成本实现效果较好的控制功能，有很高的性价比，可以大批量的应用于四旋翼飞行器上。本作品可以进行二次扩展开发，增加扩展功能，如添GPS导航，图像采集传输，智能避障等功能。由于四旋翼飞行器广泛的应用前景，飞控系统的需要将会大幅度提高，所以本作品有着非常巨大的商业价值。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1)发明目的：在某些国家MAV已在其军事领域进入了实战功能性试验阶段，研究开发我国的MAV飞行控制系统，对于打破技术垄断、提高我国军事核心竞争力有着重要的意义，通过本项目的研究使得我国的MAV飞行控制系统能够满足体积小重量轻的特点，同时在控制方面实现控制自主化和智能化。提高我国MAV飞行控制系统的稳定性，缩小与发达国家的差距。 2)基本思路：根据目前国内外MAV飞控系统的研究现状，我们选取四旋翼飞行器作为机载平台开发飞控系统，对飞控系统的总体功能进行设计，进而确定飞控系统的硬件选型和设计，采用DSPF28335作为控制器实现飞控系统，利用数字电子罗盘以及超声波传感器进行航资测量，确定控制软件总流程实现控制算法，最终实现小型四旋翼直升机在近地环境下的飞行控制，可以实现无人机地面站。 3)创新点：对微型飞行器的精确建模；DSP最小系统的集成设计；采用经典的PID控制和模糊控制相结合实现飞行器的飞控系统；具有遥控和自主飞行切换功能；与PC通信形成MAV简易地面站；具有一定的避障功能。 4)关键技术：微型飞行器的建模；DSP最小系统的设计，数字电子罗盘航姿的设计及通信；控制算法的研究和实现；飞控系统整体硬件的搭建调试； 5)技术指标：实现小型四旋翼直升机在近地环境下的姿态控制。其中飞行高度在10米之内。四旋翼直升机的俯仰和滚转角度控制范围是。航向角度控制范围是0到360度。
科学性、先进性
- 我们主要针对四旋翼直升机的飞控系统进行设计研究，旋翼飞机较固定机翼飞机的优势在于起飞与着陆需要的空间小，对大障碍环境的具有机动性，并且能保持期望的静态位置和方位。基于以上特点四旋翼直升机更容易实现自主飞行控制，所以采用这个平台研制的飞控系统具有着非常高的应用推广价值。根据目前国内四旋翼飞行控制研究程度均处于不成熟期以及四旋翼飞行器良好的应用前景，该领域的研究有着巨大的潜力。本作品正是针对四旋翼飞行器研制的飞控系统，目前虽然有很多针对飞行器复杂的控制算法，但多数都上停留在理论层面，本作品不但提出了一种性能较好的控制算法而且加以实现，并且能够实现自主飞行和遥控模式的切换。 技术性分析说明： 四旋翼直升机是一种由四个输入力产生六个自由度方向运动的欠驱动旋翼式直升机。四旋翼直升机独特的机械结构决定了它可以通过只改变旋翼转速的方法来实现俯仰、滚转和偏航运动。本作品实现切换自主飞行和遥控飞行模式，增强了飞行器的可操作性。另外通过PC形成简易的地面站，基本符合一个无人机作战平台的基本要素。
获奖情况及鉴定结果
- 西北工业大学“三航杯”校内赛金奖（排名全校第二）
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术入股
作品可展示的形式
- 实物展示，视频，图片，文字说明等。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 功能说明： 本作品以泰世330X型四旋翼飞行器为实验平台开发，此系统可以实现飞行器的姿态控制，能够实现自主飞行和遥控模式的切换，可以通过PC 形成小型简易的地面站。 技术特点： 以F28335开发飞行控制器，采用PID与模糊的控制算法，该算法是具有稳定性高，可靠性强，易实现等优点。采用hmr3300数字电子罗盘以及端面开口智能传感器-615090作为主要传感器，获得航姿进行反馈控制，能够实现飞行器姿态的稳定控制。采用遥控器数据通信模块，改装遥控器为五通道遥控器，实现自主控制与遥控控制的切换。 优势： 四旋翼飞行器的有相当好的发展前景，这样使得飞行控制问题将会成为关键的技术问题，由于该作品采用计算机控制技术，利用数字信号实现控制功能。控制系统稳定性较高，有很强的鲁棒性。 市场及应用范围分析： 本作品可以进行二次扩展开发，可以增加扩展功能，如添GPS导航功能，实现图像等传输功能。由于四旋翼飞行器广泛的应用前景，飞控系统的需要将会大幅度提高，所以本作品有着非常巨大的商业价值。
同类课题研究水平概述
- 微型飞行器(MAV)的自主控制系统是微型飞行器的的核心技术之一，微型飞行器在复杂的环境中工作，这就要求微型飞行器要具备一定的自主控制功能，以保证在视野之外或在联络中断的复杂环境中能够自主的飞行并完成制定任务。依靠传统的飞行控制方式受到MAV体积和质量的严格限制。这就使得世界各国开始着力研发新的控制方式，目前国外比较先进的控制方法一般是基于MEMS的新型控制方式，有些国家如美国、以色列等已经研制成功。 国外对四旋翼无人直升机研究比较活跃。加拿人雷克海德大学(LakeheadUniversity)的Tayebi和McGilvray证明了使用四旋翼设计可以实现稳定飞行。澳大利哑卧龙岗大学的McKerrow对Dragantlyer进行了精确建模。目前国外四旋翼无人直升机的研究T作主要集中在以下三个方面：基于惯导的自主飞行、基于视觉系统的自主飞行和自主飞行器系统。典型代表有瑞士洛集联邦科技学院的OS4、澳大利亚国立大学的X4、宾夕法尼亚大学的HMX4、斯坦福大学的Mesicoper。 虽然国外已经对四旋翼飞行器进行了广泛而深入的研究，有的机型甚至已经被运用到实际当中，但是国内关于这方面的研究还处于起步阶段。国内对于四旋翼机的研究主要集中在几所高校之中。例如国防科技大学、南京航空航天大学，西北工业大学，中国空空导弹研究院、电子科技集团第二十七研究所、吉林大学、北京科技大学和哈尔滨工业大学等等。但大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真，只是提出了很多控制算法。例如，针对无人机模型的不确定性和非线性设计的DI／QFT(动态逆／定量反馈理论)控制器，国防科技大学提出的自抗扰控制器(ADRC)可以对小型四旋翼直升机实现姿态增稳控制，还有一些经典的方法比如PID控制、 控制等。研制微型飞行器的自主飞行控制系统不仅能使得我国的微型飞行器的研究赶上国外的先进水平，同时对于其它微系统控制也有直接的借鉴意义。
