具有防撞功能的四旋翼编队仿真

毕业设计（论文）文献综述

题 目：具有防撞功能的遥控智能小车 姓 名：

学 号：

系 别：

专 业：年 级：

指导教师：

机械工程

机械设计制造及其自动化 2008级

（签名）

2012 年 月 日

摘要：随着电子工业的发展，智能技术广泛运用于各种领域，运用于智能家居中的产品更是越来越受到人们的青睐。在硬件设计方面，以51单片机为控制核心，以寻迹轨道为辅。在软件方面，利用汇编或C语言进行编程，通过软件编程来控制小车运转。根据具体环境的布局不同而使用不同的路径，从而使得智能小车智能化，人性化。该种小车能自动循迹，自动避障，有一定的实用价值。

关键词：单片机，自动循迹，自动避障

1．前言

汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究[1]。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定

动态系统建模仿真 实验报告（2）

姓 名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 院 系 ：

2014.12.28

1

四旋翼飞行器仿真

1实验内容

基于Simulink建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制； 建立GUI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹；

基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹。 2实验目的

通过在 Matlab 环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，使掌握以下内容： 四旋翼飞行器的建模和控制方法

在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。 3实验器材

硬件：PC机。

工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。 4实验原理 4.1四旋翼飞行器

四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行， 原理与直升机类似。 四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图 1 所示。旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。

图1四旋翼飞行器旋转方向示意图

2

在图 1 中， 前端旋翼 1 和后端旋翼 3 逆时针旋转， 而左端旋翼 2 和右端的旋翼 4 顺时针旋转， 以平衡旋翼旋转所产生的反扭

第２７卷第７期

文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０７—００１８—０３

计算机仿真

２０１０年７月

小型四旋翼直升机的建模与仿真控制

刘志军，吕

强，王东来

（装甲兵工程学院控制工程系，北京１０００７２）

摘要：针对实现对小型四旋翼直升机的飞行控制，为提高飞行性能和加强稳定性，根据四旋翼直升机特有的机械结构和飞行

原理，利用牛顿一欧拉方程建立了小型四旋翼直升机的飞行动力学数学模型，而且对该型进行了合理的简化。同时在Ｍａｔ—

ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下，采用直升机动力学模型搭建ｒ模块化、层次化的系统仿真图，并通过ＰＩＤ控制算法对直升机悬停状态进行仿真，实现了直升机姿态控制。仿真结果表明在具有小扰动的条件下，模型能够仿真小型四旋翼直升机的飞行状态，满足直升机飞行姿态的控制要求。关键词：四旋翼直升机；模型；简化；仿真中图分类号：ＴＰ２７３

文献标识码：Ａ

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

ＡｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＯｆ

ａ

Ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅｄ

Ｑｕａｄｒｏｔｏｒ

ＬＩＵ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆ

Ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ

Ｄｏｎｇ—ｌａｉ

Ｚｈｉ－ｊｕｎ，ＬＶＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧ

ＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｒｍｏｒｅｄＦｏｒｃｅＥｎ西ｎｅｅｒｉｎ

系别 专业 题目 一、选题依据 机械工程 机械设计制造及其自动化 学生学号 年 级 2008级 学生姓名 指导教师 具有防撞功能的遥控智能小车 随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实现适应能力，能自动避障，可以智能规划路径。 智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制器速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车；智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预。操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方向。因此，智能小车具有再编程的特性，是机器人的一种 智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感

第２７卷第７期

文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０７—００１８—０３

计算机仿真

２０１０年７月

小型四旋翼直升机的建模与仿真控制

刘志军，吕

强，王东来

（装甲兵工程学院控制工程系，北京１０００７２）

摘要：针对实现对小型四旋翼直升机的飞行控制，为提高飞行性能和加强稳定性，根据四旋翼直升机特有的机械结构和飞行

原理，利用牛顿一欧拉方程建立了小型四旋翼直升机的飞行动力学数学模型，而且对该型进行了合理的简化。同时在Ｍａｔ—

ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下，采用直升机动力学模型搭建ｒ模块化、层次化的系统仿真图，并通过ＰＩＤ控制算法对直升机悬停状态进行仿真，实现了直升机姿态控制。仿真结果表明在具有小扰动的条件下，模型能够仿真小型四旋翼直升机的飞行状态，满足直升机飞行姿态的控制要求。关键词：四旋翼直升机；模型；简化；仿真中图分类号：ＴＰ２７３

文献标识码：Ａ

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

ＡｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＯｆ

ａ

Ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅｄ

Ｑｕａｄｒｏｔｏｒ

ＬＩＵ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆ

Ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ

Ｄｏｎｇ—ｌａｉ

Ｚｈｉ－ｊｕｎ，ＬＶＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧ

ＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｒｍｏｒｅｄＦｏｒｃｅＥｎ西ｎｅｅｒｉｎ

功能介绍:利用小型四旋翼飞机对灾害现场进行勘测，其中四旋翼上添加摄像头对现场进行勘测，从而了解现场状况。

设计思路:小型四旋翼飞机座位各类传感器搭载平台，根据现场实际情况通过控制四旋翼飞机飞行姿态，从而达到对复杂环境的监测。

四旋翼飞行器结构和原理:

1:结构形式

旋翼对称分布在机体的前后，左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，四个旋翼的结构和半径相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。

四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反；正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应。

结构如下

2.工作原理

通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼是一种欠驱动系统，是一种六自由度的垂直升降机，四个输入力，六个状态输出。

垂直飞行控制：控制飞机的爬升，下降和悬停。图中蓝色弧 线箭头方向表示螺旋桨旋转的方向，以下同。

航姿控制与控制技术

飞行控制是四旋翼飞行器的垂直起降控制和小角度内的姿态变化控制。在飞行控制的软件设计中，以四旋翼飞行器最基本的飞行特性一空中悬停状态为例来说明飞行器系统的飞行控制过程。

由四旋翼飞行器的飞行原理可知，飞行器飞行姿态的调节最终体现在四个带桨电机的速度调节上，在四个电机不同的转速组合条件下，飞行器能够实现俯仰、横滚、偏航等不同的飞行姿态，相应的飞行控制系统也使用三个控制通道，采用一定的控制律控制每个通道。本章中采用多个单变量控制回路实现飞行器三个控制通道控制律的设计，忽略各通道之间的耦合作用。

Fig.3一1 Flow Diagram of Flight Control Program

飞行控制主程序的主要功能是采集角速率陀螺反馈回来的飞行姿态角速度信号以及手动输入的姿态角度控制信号，然后对飞行器进行闭环控制，使其完成姿态的调整，提高飞行的稳定性与可靠性。如图中所示，系统上电后首先完成对各个参变量的初始化和相关寄存器设置，之后给定起动信号，进入电机驱动程序，进行外同步变频起动升速及内同步切换，同时开启AD转换，将角速率陀螺反馈回来的信号转化成数字量储存在寄存器中，并通过与陀螺参考输入的比较得到当

作者：WZY

时间 2013 年 2 月 2 日 11:57:37

项目进展了这么久第一次写日志，总结一下这一段时间的经验。首先，我通过李想的 stm32 教学视频对 stm32 进行了简单的了解，发现 stm32 用起来比 51 都方便，原来一直被“arm 难学”误导了，单片机只是工具，真正编算法才是难点，所以以后在做项目时不应该过分考 虑单片机是否好用这个问题，只要适合项目的单片机就应该拿来用。

李想视频里编译环境是 MDK，所以在编程时一直使用 MDK 编译，感觉和学 51 时用的 keil 一模一样，比较好上手。由于项目所要做的第一步是要做姿态解算，所以在初步了解 stm32 原理以后，就开始从 MPU6050 传感器读数据。MPU6050 是一个集成了加速度计和陀螺仪的 传感器，使用 I2C 和单片机进行通信，总体来说读取数据还是比较简单的。但是也遇到一些 比较烦人的问题，卡了好久。一个是变量类型搞错了

这是一段读取 MPU6050 陀螺仪 x 轴数据的程序，先通过 I2C 函数把陀螺仪 X 轴数据的低 8 位和高 8 位读取出来，分别放入 BUF[0]和 BUF[1]中，在通过移位把两个数据合成一个数据传 入 G_X 变量，G_

渤海大学本科毕业论文（设计）

四旋翼无人机设计与制作

The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned

Aerial Vehicle

学 院（系）： 专 业： 学 号： 学 生 姓 名： 入 学 年 度： 指 导 教 师： 完 成 日 期：

四旋翼无人机设计与制作

摘 要

四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正

四旋翼飞行器结构和原理

四旋翼飞行器结构和原理

1.结构形式

旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图 1.1所示。

2.工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器结构和原理

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，