2015秋季创新实践课程研究报告
作者: 袁佳泉学号：9121102003
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学院:自动化
专业(方向):自动化
题目: 空中飞行器飞行引导程序设计指导者：戚国庆
(姓名) (专业技术职务)
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评阅者：
(姓名) (专业技术职务)
2015 年 12 月
2015秋季创新实践课程研究报告第I
页
目次
1引言 (1)
2基本概念与原理 (2)
2.1 OpenCV简介 (2)
2.2 图像与视频 (5)
3基于OpenCV的飞行器引导程序设计 (8)
3.1 总体算法流图 (8)
3.2 各部分具体算法 (8)
3.3成果展示 (12)
4空中飞行器引导程序设计总结 (13)
致谢 (14)
参考文献 (16)
1 引言
1.1 课程设计具体要求
利用摄像头和视频采集软件实现地面引导线的识别和无人机飞行引导，地面引导线结构如下图1.1所示：
B
B C
C D
D E
E
图1.1 地面引导线图
1.1.1 要求无人机从A 点开始，逆时针方向沿引导线飞行一圈回到A 点，假定摄像头一直能够观察到引导线，且摄像头方向可以一直不变，即无人机偏航方向一直不变;也可以改变摄像头方向,使摄像头前端一直正对直线,根据对转折点的识别,给出摄像头旋转方向的指令。 1.1.2 设计过程采用手持摄像头在画有引导线（黑色）的A4纸上方平移，或手持A4纸在摄像头前平移，摄像头采集地面引导线，视频处理软件每采集一帧图像，首先辨识出引导线，然后决策出飞行器应当飞行的方向（飞行方向控制指令，即“向左走”、“向右走”、“向前走”、“向后走”，“停止”），并将指令显示于人机界面。
1.1.3 要求采用“Visual Studio 201x ”版可视化程序设计软件开发飞行器引导控制程序，提供基础的图像采集程序（亦可自行开发图像采集程序）
1.2 课程设计的开发工具
软件：Visual Studio 是一套基于组件的软件开发工具和其他技术，可用于构建功能强大、性能出众的应用程序。
函数库:开放源代码的计算机视觉类库OpenCV (Intel Open Source Computer Vision
Library)．它是一套可免费获得的由一些C 函数和C++类所组成的库，用来实现一些常用的图像处理及计算机视觉算法。
2 基本概念与原理
2.1 OpenCV简介
开放源代码的计算机视觉类库OpenCV (Intel Open Source Computer Vision Library)由英特尔公司开发．它是一套可免费获得的由一些C函数和C++类所组成的库，用来实现一些常用的图像处理及计算机视觉算法。OpenCV主要用于对图像进行一些高级处理，比如说特征检测与跟踪、运动分析、目标分割与识别以及3D重建等。
它有以下特点；开放C源码，基于Intel处理器指令集开发的优化代码，统一的结构和功能定义，强大的图像和矩阵运算能力，方便灵活的用户接口，同时支持WINDOWS、LINUX平台等。
2.1.1 OpenCV的数据结构
OpenCV提供了多种基本数据类型，虽然这些数据类型在C语言中不是基本类型，但结构都很简单，可将它们作为原子类型。在运用OpenCV函数库进行编程的过程中，常常会需要用到这些结构类型，只有真正了解这些结构才能够很好地利用OpenCV函数库来解决问题
基础的数据类型包括：CvPoint基于二维整形坐标轴的点．CvSize矩形框大小。CvRect矩形框的偏移和大小，以像素为精度，CvMat多通道矩阵等。
OpenCV提供了多种基本数据类型，虽然这些数据类型在C语言中不是基本类型，但结构都很简单，可将它们作为原子类型。在运用OpenCV函数库进行编程的过程中，常常会需要用到这些结构类型，只有真正了解这些结构才能够很好地利用OpenCV函数库来解决问题。
下面对几个比较常用的简单结构进行介绍。
1）Point结构
在这些数据类型中最简单的就是Point，它表示二维坐标系下的点，类型为整型，定义如下：typedef struct Point
{
int x; /* x坐标, 通常以0为基点 */
int y; /* y坐标, 通常以0为基点 */
} Point;
2）Size结构
Size结构用来表示矩形框大小，以像素为精度，结构体中分别定义了矩形的宽高和高度，定义如下：
typedef struct size
{
int width； /*矩形宽度，单位为像素*/
int height； /*矩形高度，单位为像素*/
}Size;
3）Scalar 结构
该结构是用来定义存放1- 4个数值的数组。
typedef struct scalar
{
double val[4];
}Scalar; //可用来表示RGBA的值，A＝alpha透明度
4）Image 结构
OpenCV库主要是使用“Image”结构体来创造和处理图像。定义如下：
typedef struct Image
{
int nSize; /*Image大小*/
int ID; /*版本（=0）*/
int Channels; /*大多数opencv函数支持1~4个信道*/
int depth; /*像素的位深度*/
int dataOrder; /*0:交叉存取颜色信道。1:分开的颜色信道。只有CreateImage可以创建交叉存取图像*/
int origin; /*0:顶—左结构，1:底—左结构*/
int width; /* 图像宽像素 */
int heighet; /*图像高像素*/
struct_IplROI *roi; /*图像感兴趣区域*/
int imageSize; /*图像数据大小*/
int widthStep; /*排列的图像大小，以字节为单位*/
}Image；
2.1.2 OpenCV的函数体系
OpenCV中每个函数的命名都已“cv”开始，然后是该函数的行为及目标。例如用来创建图像的函数“Createlmage”，载入图像的函数“Loadlmage”。OpenCV是为图像处理及计算机视觉在实际工程中的应用而设计的一个类库。其中所有的函数都有与其在实际应用中所实现的不同功能而分属不同的类型。主要函数类型有：
(1)基本的图像处理与分析函数
图像处理和分析的一些函数。其中大多数函数都是针对两维象素数组的，这里我们称这些数组为“图像”，但是它们不一定非得是lmage结构．也可以是Mat或者MatND结构。这个类型的函数主要用于实现一些基本的图像处理与分析功能。
例如图像平滑函数smooth，Sobel算子Sobel，Canny边缘分割函数Canny。创建直方图CreateHist等。
(2)结构分析函数
例如用多边形曲线逼近Freeman 链函数ApprexChains，函数MaxRect寻找包含两个输入矩形的具有最小面积的矩形边界等。
(3)运动分析与对象跟踪函数
包括有高级图形用户接口highGUI用以实现对图像的载入、显示及保存等基本操作以及用以实现视频输入输出及处理的函数。
根据上述的函数体系。程序开发者可以根据自己所开发应用程序所要实现的功能来方便地选择所需的库函数．从而大大减少开发时间和精力。缩短程序开发的周期。
2.1.3 OpenCV的常用函数
下面介绍一下OpenCV中常用的几个函数，也是利用OpenCV进行特定目标体识别的过程中常用到的函数，分别说明如下。
1）LoadImage( )：载入图像
IplImage* LoadImage(
const char* filename,
int iscolor=CV_LOAD_IMAGE_COLOR
);
filename：要被读入的文件的文件名。
iscolor：指定读入图像的颜色和深度。指定的颜色可以将输入的图片转为3信道(CV_LOAD_IMAGE_COLOR)，单信道(CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)，或者保持不变(CV_LOAD_IMAGE_ANYCOLOR)。
2）ShowImage( )：在指定窗口中显示图像
void ShowImage(
const char* name,
const Arr* image
);
name：窗口的名字。
image：被显示的图像。
2.2 图像与视频
2.2.1 图像种类
计算机的图像分为两大类，即位图图像和矢量图形。
位图：采用点阵方式构成图像，可以表现丰富的图像色彩，但是文件占用存储空间较大。
矢量图：以数学矢量方式记录图像，适合表示色彩较少的图像，但是可以表现和保持清晰的图像曲线，缩小、放大不会失真，文件占用存储空间较小。像素：位图图像是由许多个离散的点组成，它们是组成图像的基本单元，被称为像素。
2.2.2 图像通道
1通道：描述一个像素点，如果是灰度，那么只需要一个数值来描述它，就是单通道，为1。
2通道：2通道图像不常见，通常在程序处理中会用到，如傅里叶变换，可能会用到，一个通道为实数，一个通道为虚数，主要是编程方便；还有一种情况就是16位图像，本来是3通道，但是为了减少数据量，压缩为16位，刚好两个通道，常见格式有RGB555或RGB565，也就是说R 占5位，G占5或6位，B占5位，也有RGBA5551格式。
3通道：如果一个像素点，由RGB三种颜色来描述它，就是三通道，为3。
4通道：windows的bmp有时候是一个四通道图像，R、G、B加上一个A通道，一般叫做alpha通道，表示透明度。
2.3 OpenCV基本功能
2.3.1 图片显示
利用opencv中自带的函数打开一张图片。
代码:
#include "highgui.h"
int main(int argc, char* argv[])
{
//创建一lImage指针，使用LoadImage函数打开一个视频，第一个参数是视频的路径，第二个参数是指
Image* src = LoadImage("C:\\Documents and Settings\\Administrator\\My Documents\\图像\\2j.jpg" , 1);
//给打开的窗口命名
NamedWindow("show_image");
//显示这张图片
ShowImage("show_image",src);
WaitKey(0);
return 0;
}
2.3.2获取摄像头，显示图像
(1)与其相关的说明
在获取摄像头之前先来熟悉以下opencv中视频获取的数据结构的管理方式。
1.Capture：视频获取结构
说明：OpenCV中的视频获取结构。结构Capture没有公共接口，它只能用来作视频获取函数中实用的一个参数。
2.CreateFileCapture:初始化文件中获取视频
语法：Capture * CreateFileCapture(const char *filename);
参数类型说明
Filename const char* 使用视频文件名
说明：该函数给指定文件的视频流分配和初始化Capture.
返回值;分配的Capure
3.CaptureFromCAM：从摄像头中获取视频
语法：Capture * CaptureFromCAM(int index)
参数类型说明
Index in t index指的是摄像头的索引，当只有一个摄
像头时，index设为-1
4. QueryFrame：从摄像头或者文件中抓取并返回一帧
语法： Image* QueryFrame(Capture * capture)
参数类型说明
Capture Capture* 视频获取结构
QueryFrame:从摄像头或者文件中抓取一帧，然后解压并返回一帧。返回的图像不可以被用户释放或者修改。
返回值; Image获取的指针
2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题） 2015年8月15日
摘要 本文对四旋翼碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先，对飞行器各旋翼的电机选择做了论证，分析了实际升力效率与PWM的关系并选择了此样机的最优工作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。 本飞行器采用瑞萨R5F100LEA单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6000采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。整个控制系统包括电源模块、传感器检测模块、电机调速模块、飞行控制模块及微处理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。关键字：R5F100LEA单片机、传感器、PWM、PID控制。
目录 1系统方案 (1) 1.1电机的论证与选择 (1) 1.2红外对管检测传感器的论证与选择 (1) 1.3电机驱动方案的论证与选择 (2) 2系统控制理论分析 (2) 2.1控制方式 (2) 2.2 PID模糊控制算法 (2) 3控制系统硬件与软件设计 (4) 3.1系统硬件电路设计 (4) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2 飞行控制电路原理图 (4) 3.1.3电机驱动模块子系统 (5) 3.1.4电源 (5) 3.1.5简易电子示高模块电路原理图 (6) 3.2系统软件设计 (6) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (6) 3.2.2程序流程图 (6) 4测试条件与测试结果 (7) 4.1 测试条件与仪器 (7) 4.2 测试结果及分析 (7) 4.2.1测试结果(数据) (7) 4.2.2测试分析与结论 (8) 附录1：电路图原理 (9) 附录2：源程序 (10)
《飞行器系统仿真与CAD 》学习报告 第一部分仿真(40) 题目1：给定导弹相对于目标的运动学方程组为 q k q V q V q r q V q V r m m ,sin )sin(),cos(cos r(0) = 5km, q(0) = 60deg, (0) = 30deg,V = , V m = , 1Ma = 340m/s, k = 2 （1） 建立系统的方框图模型； （2） 用MATLAB 语言编写S —函数 （3） 用窗口菜单对(1), (2)进行仿真，动态显示结果; （4）用命令行对(1), (2)进行仿真，以图形显示结果 答： （1） （2）用MATLAB 语言编写S 函数 function [sys,x0,str,ts]=CAD1_sfun(t,x,u,flag) switch flag case 0 [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes; case 1 sys = mdlDerivatives(t,x,u); case 3 sys = mdlOutputs(t,x,u); case {2,4,9} sys = []; otherwise
error('unhandled flag=',num2str(flag)) end function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes=simsizes; =3; =0; =3; =0; =1; =1; sys=simsizes(sizes); str=[]; x0=[5000,pi/3,pi/6]; ts=[0 0]; function sys=mdlDerivatives(t,x,u) vm=*340; v=*340; k=2; dx(1)=vm*cos(x(2))-v*cos(x(2)-x(3)); dx(2)=(v*sin(x(2)-x(3))-vm*sin(x(2)))/x(1); dx(3)=k*dx(2); sys=dx; function sys=mdlOutputs(t,x,u) sys=x; 调用S函数的模型框图 (3)框图仿真结果：
四轴飞行器的建模与仿真 摘要 具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽 的分析和研究，在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状 态,比如：爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描 述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上 是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿 真模型，模型建立后在 Matlab/simuli nk 软件中进行仿真。 关键字：四旋翼飞行器，动力学模型，Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissanee mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilia n app licati ons. In the dissertati on, the detailed an alysis and research on the rack structure and dyn amic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertatio n. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the camp aig n to make the research and an alysis. The four-rotor aircraft has many op erati ng status, such as climb ing, dow ning, hoveri ng and roll ing moveme nt, p itch ing moveme nt and yaw ing moveme nt. The dyn amic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertati on. On the basis of the above an alysis, modeli ng of the aircraft can be made. Dyn amics modeli ng is to build models un der the principles of flight of the aircraft and a variety of state of moti on, and Newt on - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.The n the simulatio n is done in the software of Matlab/simuli nk. Keywords: Quad-rotor ，The dynamic mode, Matlab/simulink 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器 ,它非常适合近地侦察、监视的任务， ,进行飞行器的建模。动力学建模 -欧拉模型建立的仿
冯如杯论文 《四旋翼飞行器的设计与控制》 院（系）名称机械工程及自动化学院 作者姓名薛骋豪 学号35071422 指导教师梁建宏 2008年3月22日
四旋翼飞行器的设计与控制 薛骋豪 摘要 四旋翼直升机，其主旋翼分成前后与左右两组，旋转时方向相反，因此与一般直升机最主要的不同点为四旋翼直升机不需要用尾旋翼来平衡机体。因为四旋翼直升机为不稳定系统，因此需利用旋转专用的感测器：陀螺仪来感知机身的平衡程度并将讯号传送至微控制器，再通过微控制器内部程序的运算产生控制信号来控制机体上四个旋翼的转速，以维持整个机身的平衡促使四旋翼直升机能顺利飞行。 关键词：四旋翼、VTOL（垂直起降）、矩阵控制、 Abstract Quadrotor, its main rotor divides into with two about groups from beginning to end, in opposite direction while rotating, so Quadrotor and does not need to fasten the wing and having the balance organism for four with the end with the main difference of general helicopter. Whether four fasten wing helicopter stable system, need to utilize and rotate the special-purpose detecting device. The gyroscope comes to perceive balancing the degree and conveying the signal to the little controller of the fuselage, and then produce the control signal to control four rotational speed of fastenning the wings on the organism through the operation of the procedure within the little controller, impel four to fly smoothly while Quadrotor for the balance of maintaining the whole fuselage. Key words: Quadrotor、VTOL(Vertical Take-Off and Landing)、matrix control
基于WIFI的智能多功能微型四旋翼飞行器设计 摘要：本文基于WIFI无线传输技术，通过建立四旋翼飞行器的空气动力数学模型，结合实际需求分析，通过单片机总控，各功能模块有机整合，优化软硬件设计，完成最终制作调试，实现飞行器的自由巡航、悬停、降落和视频探测等功能，达到了预期设计目标。 关键词：WIFI;四旋翼;飞行器 1.引言 四旋翼飞行器是一种可以实现垂直起降的旋翼式无人飞行器，具有操控简单，体积小，机动性强，启动快，方便拍摄等优点，能及时地将诸如地震、矿难等特殊现场第一手资料传送回控制中心，帮助我们了解现场状况并作出正确判断[1]。 国外对旋翼式飞行器的研究较多且较深入，我国在该领域的研究起步较晚，成果相对较弱，并且侧重点有所不同，有的侧重数学建模，有的侧重自动控制与研发等等[2]。 本文于是针对自然灾害等特殊现场设计了一种基于WIFI的智能多功能四旋翼飞行器，采用独立控制的四旋翼，升力更大，同时可狭小空间内起降，还具有机械结构简单、机动灵活、操控性高及成本低等优势。 2.建立动力学模型 2.1 坐标变换 四旋翼飞行器的四个旋翼都高速旋转，其所受的空气动力比较复杂，要建立非常准确的空气动力学模型比较困难，为了简化四旋翼飞行器的数学模型，可忽略其弹性形变[3]。为了相对准确的描述飞行器运动状态，建立三维数学坐标系，也叫机体坐标系。OX轴指向地平面方向，由右手定则确定OY轴和OZ轴的方向。用原点O表示飞行器的重心，则OX轴指向飞行器的前方，OY轴指向飞行器的右方，OZ轴指向飞行器的上方。地面三维坐标系与机体坐标系之间存在三个欧拉角：偏航角ψ（沿Z轴方向）、滚动角φ（沿X轴方向）和俯仰角q（沿Y轴方向）。两个坐标系之间的关系如下： ，，（1） 可进一步的转换矩阵得： （2） 经计算可得如下坐标转换公式：
学校名称： 队长姓名： 队员姓名： 指导教师姓名：2013年9月6日
摘要 本次比赛我们需要很好地控制飞行器，让它自主完成比赛应该完成的任务。 本文的工作主要针对微型四旋翼无人飞行器控制系统的设计与实现问题展开。首先制作微型四旋翼无人飞行器实验平台，其次设计姿态检测算法，然后建立数学模型并设计姿态控制器和位置控制器，最后通过实验对本文设计的姿态控制器进行验证。设计机型设计全部由小组成员设计并制作，部分元件从网上购得，运用RL78/G13作为主控芯片，自行设计算法对飞行器进行，升降，俯仰，横滚，偏航等姿态控制。并可以自行起飞实现无人控制的自主四轴飞行器。 关键字：四旋翼无人飞行器、姿态控制、位置控制
目录 第1章设计任务.................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1 研究背景与目的........................................................................ 错误！未定义书签。 1.2 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。第2章方案论证.................................................................................... 错误！未定义书签。 2.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第3章理论分析与计算........................................................................ 错误！未定义书签。 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第4章测试结果与误差分析................................................................ 错误！未定义书签。 4.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.4 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第5章结论心得体会............................................................................ 错误！未定义书签。 5.1 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。.................................................................................................................. 错误！未定义书签。 2设计任务： 基本要求 （1）四旋翼自主飞行器（下简称飞行器摆放在图1所示的A区，一键式
实验报告 课程名称：《机械原理课内实验》 学生姓名：徐学腾 学生学号：1416010122 所在学院：海洋信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 报导教师：宫文峰 2016年6 月26 日
实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架； 2. 苹果手机一部； 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构； 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线； 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作； 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理； 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损； 3、安装电沲并装好安全罩； 4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面； 5、软件启动，设备连通，即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制； 2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉； 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部； 4. 电量不足时，不可强制启动飞行； 5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上； 6. 飞行器不得触水； 7. 飞行器最大续航时间10分钟。
在无风、无侧滑的情况下，飞行器航迹坐标系下的运动学方程[2]为： cos()sin sin()cos cos cos cos sin()sin sin s v p t p s s t p s s t d m p Q mg d d m p Y mg d d mv p Y d θψαθαγγθθαγγ?=+Φ--????=+Φ+-????-=+Φ+?? （1） 其中m 为飞行器质量；v 为速度；p 为发动机动力；α为迎角；p Φ为发动机安装角；Q 为空间阻力；θ为俯仰角；s γ为滚转角；Y 为升力；s ψ为偏航角。 图1显示了机体坐标系下的飞行器受力情况；图2表示了地面坐标系和航迹坐标系的关系；其中，d d d Ox y z 表示地面坐标系，地面坐标系固定于地面，原点选在 地面的某一点，d y 铅直向上，d x 和d z 在水平面内。h h h Ox y z 表示航迹坐标系，航 迹坐标系原点在飞行器质心，h x 沿飞行器速度向量v ，即飞行器飞行方向，h y 在包含v 的铅垂直平面内，h z 垂直于铅垂平面。 图1 飞行器受力分析 图2 地面坐标系和轨迹坐标系 为了更清晰、简练地描述这些运动学的量，我们令 cos()/sin()cos cos /sin()cos sin /x p y p s s z p s s n p Q mg n p Y mg n p Y mg ααγγαγγ???=+Φ-??????=+Φ+??????=+Φ+???? （2） 称x n 、y n 、z n 为过载，把（2）式代入（1）式得到 []()()()()sin ()()()cos ()()cos ()()s v t z t t y t t x t d n t t g d d v t n t t g d d v t t n t g d θψθθθ?=-??????=-??????-=?? （3） 从式（3）可以明确看出：x n 、y n 、z n 反映了飞行器因主动运动而产生的加速度，而sin θ和cos θ则是由于飞行器的重力产生的加速度。
2013年全国大学生电子设计竞赛课题:四旋翼自主飞行器（B 题） 【本科组】 2013年9月7日
摘要 为了满足四旋翼飞行器的设计要求，设计了以微控制器为核心的控制系统和算法。首先进行了各单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。四旋翼飞行器采用了固连在刚性十字架交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器，以78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU內核演化而来的RL78/G13作为控制核心，工作频率高达32MHz，工作电压1.6V-5.5V，适合各种类型的消费类电子和工业应用, 满足8/16位微控制器的需求，有助于降低系统功耗，削减总系统的构建成本。采用9926B MOS管芯片的驱动直流电机，该驱动芯片具有内阻小、负载电流大、且控制简单的特性。通过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，实现了四旋翼飞行器运动速度和转向的精准控制。通过HC-SR04超声波测距模块实现了对四旋翼飞行器飞行高度的准确控制。通过激光传感器，实现了四旋翼飞行器沿黑线前进，在规定区域起降，投放铁片等功能，所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。 关键词：四旋翼自主飞行器，E18-D50NK光电传感器，寻线，超声波，单片机。
四旋翼自主飞行器（B 题） 【本科组】 1系统方案 本系统主要由电源模块、电机驱动模块、光电循迹模块模块、超声波测高模块、姿态传感器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 电源模块的论证与选择 方案一：采用线性元器件LM7805三端稳压器构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率低，容易发热。 方案二：采用元器件2596为开关稳压芯片，效率高，输出的纹波大，不容易发热。 方案三：采用线性元器件2940构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率高，不容易发热，综合性能高。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.2 电机驱动模块的论证与选择 方案一：采用三极管驱动，由于输出电流很大，容易发热， 方案二：采用L298N电机驱动模块，通过电流大，容易发热，使得电机转速变慢，载重量变小。 方案三：采用场效应管9926B芯片组成的电机驱动模块，驱动能力好。能承受的最大电流为7.5A，符合要求。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.3 光电循迹模块的论证与选择 方案一：采用CCD摄像头采集图片经过算法处理循迹，前瞻性比较好、循迹效果好，但是处理程序复杂、成本高。 方案二：采用红外对管，有效距离太短，不能满足实际循迹要求。 方案三：采用E18-D50NK光电传感器，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器, 检测距离可以根据要求进行调节。探测距离远、受可见光干扰小、前瞻性较好、抗干扰性较好。
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1楼 发表于2011-1-20 12:12:02|只看该作者|倒序浏览 一、相关技术文件: 1. 程式控制基底ATmega 8 ATmega8 技术文件点击此处下载ourdev_611065Q176XE.PDF(文件大小:2.45M) (原文件名: ATmega8_cn.PDF) 2. 无线模组 CC2500 (2.4G Hz 无线IC) 技术文件点击此处下载ourdev_611064KBBYJG.pdf(文件大小:1.26M) (原文件名: cc2500_cn.pdf) RDA T212 (PA+LNA) 技术文件点击此处下载ourdev_611063XH619C.pdf(文件大小:229K) (原文件名: RDA_T212.pdf) RDA ES02 (SP2T Switch )技术文件点击此处下载ourdev_611062ACP4OA.pdf(文件大小:29K) (原文件名: RDA_ES02.pdf) 3. 无刷马达电子调速模组 FDS7764A (N-Channel) 技术文件点击此处下载ourdev_612408FW8MGC.pdf(文件大小:273K) (原文件名:FDS7764A.pdf) TPC810 (P-Channel) 技术文件点击此处下载ourdev_612409Y3Y2UA.pdf(文件大小:293K) (原文件名:TPC8103.pdf) 4. 液晶萤幕显示模组 16x02 (液晶萤幕) 技术文件点击此处下载ourdev_612410MVKKXZ.zip(文件大小:365K) (原文件名:LCD_1602.zip) 5. MAG 9 FOD 飞行姿态感测模组(3轴磁力计＋3轴线性加速计＋3轴陀螺仪) LSM303DLH (磁力计＋线性加速计) 技术文件点击此处下载ourdev_612411H66HEH.zip(文件大小:2.02M) (原文件名:LSM303DLH.zip) IMU-3000 (陀螺仪) 技术文件点击此处下载ourdev_612412ORGL5T.zip(文件大小:1.93M) (原文件名:IMU_3000.zip) 6. GPS模组 U-BLOX NEO-5Q (GPS) 技术文件点击此处下载ourdev_612413K5MRZI.zip(文件大小:3.03M) (原文件名:NEO_5.zip) 7. 超音波测距模组 HIN-232 (RS-232 5V至10V升压IC) 技术文件点击此处下载ourdev_612414E8JL5V.pdf(文件大小:564K) (原文件名:HIN232.pdf) LM-324 (OP) 技术文件点击此处下载ourdev_612415WGYN7Y.pdf(文件大小:599K) (原文件名:LM324.pdf) 二、TWI(I2C) 通讯规划(用于各个电路模组通讯) M8 TWI(I2C) 规划(PDF档) 电路图档(Eagle档) 点击此处下载ourdev_611067JVY9ZR.zip(文
四旋翼飞行器的设计 四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转 速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行 控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求. 一．微小型四旋翼飞行器的发展前景 根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势， 预计它将有以下发展前景。 1 )随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行 器技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。 2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 M E MS 技术的发展，四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一
任务与通信等子与能源、动力导航与控制、 ( 个集成多个子系统系统) 的高度复杂ME M S系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还 能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。 3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应 在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。 二．四旋翼飞行器的国内外研究现状 目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。 (1)遥控航模四旋翼飞行器 遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的Dragan．flyer III和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制的X．UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)76．2cm，高18cm，重481．19：旋翼直径28cm，重69；有效载荷113．29；可持续飞行16--20min。Draganflyer III采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以控1书1]4个电机的转速。另外，还使用
设计课程：机电一体化实训 学院： _____________ 职业技术学院 专业： ___________机电一体化技术_______ 年级：2011 级_________ 学生姓名： ____________ 贞丰有你___________ 学号：0226 _______________ 2014年3月15日
数控综合实训 (1) 第1章数控车床仿真加工实例 (2) 第1节数控车床仿真加工零件图 (2) 第2节零件加工工艺分析 (2) 1.2.1设定工件坐标系 (2) 1.2.2刀具选择 (2) 第3节编写数控加工程序 (2) 第4节数控仿真软件的安装运行 (3) 第5节数控仿真加工过程 (4) 1.5.1机床回零 (4) 1.5.2安装零件 (4) 1.5.3装刀具 (5) 1.5.4对刀和设定刀补 (5) 1.5.6输入NC程序 (5) 1.5.7检查运行轨迹 (6) 1.5.8仿真自动加工 (6) 第2章数控铳床仿真加工 (6) 第1节数控铣床仿真加工零件图 (6) 第2节数控铣床加工程序 (6) 第3节零件加工工艺分析 (7) 2.3.1设定工件坐标系 (7) 2.3.2刀具选择 (7) 第4节数控铣床仿真加工 (7) 2.4.1 FANUC 0iM 数控铣床操作面板 (7) 2.4.2铣床回零、工件装夹、刀具选择 (7) 2.4.3数控铣床对刀方法 (7) 2.4.4 仿真加工 (9)
总结 (9)
数控综合实训 幵学第三周，通过前两周的实地实体观察学习，我们初步了解了数控机床、立式加工中心、数控十字工作台和六自由度机械手的结构、组成、运动控制及其作用。 本周老师带领我们来到计算机机房，学习用数控机床仿真软件来仿真加工零件产品。 说到数控机床仿真软件，我们应该知道计算机数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现，能使每一个学生, 对数控加工建立感性认识，可以反复动手进行数控加工操作，有效解决了因数控设备昂贵和有一定危险性，很难做到每位学生“一人一机”的问题, 在培养全面熟练掌握数控加工技术的实用型技能人才方面发挥显著作用。 我们知道数控编程是数控加工准备阶段的主要内容之一，通常包括分析零件图样，确定加工工艺过程；计算走刀轨迹，得出刀位数据；编写数控加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试切。数控编程有手工编程和自动编程两种方法。总之，它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。 为了让我们能更好的掌握数控编程的方法，本次仿真实训对于我们本专业来说就更为重要了。因为经过本次实训我们可以了解和掌握一些数控仿真软件的使用方法，对于即将踏入社会的我们来说，目前我们学习和了解最多的就是数控机床，我们毕业后如果接触到与数控机床相关的工作时，懂一些数控机床的操作就显得非常重要和有必要了！
四轴飞行器制作应用实例大全 玩四轴这个东西，不是发明创造，人家懂只是知道得比你早一点，新手们入手四轴飞行器总是抱怨苦于无人可以指导，可是莫怪我等无言呀，往往一种问题有好几种原因，有时我是这么解决就好了，到你那边就不行了，所以玩四轴还是需要有扎实的基础，下面这些四轴设计实例是玩四轴总结出来的，有些是老前辈传授的，这些都是飞行模友的智慧。玩四轴不要怕当新鸟，老鸟也是新鸟飞出来的。 1. 微型四旋翼航拍器 本四旋翼航拍器采用OV7725C彩色摄像头，飞控板主控芯片为STM32，遥控器主控芯片为STM32，本系统在正常飞行过程中，通过按下遥控器，右键即可拍下此刻的照片，并实时存储到SD卡中，四轴和遥控器均已集成锂电池智能充电功能，通过USB数据线直接插入电脑即可充电。飞行器稳定，算法成熟，适合有一定基础的人开发。 2. mini小型四轴飞行器 网络上的小型四轴飞行器的PCB板都是要打烊的，打样的价格非常昂贵，我们学生党要怎么吧这么复杂的电路自己做出来呢，本人在集成飞小飞机上进行有效的更改，自己用普通做板的方式自己做出来了亲测成功哦。 3. STM32F103T8U6 +MPU6050微型四轴飞行器开源程序和PCB图有上位机 这个微型四轴飞行器使用的是STM32F103T8U6（STM 32F103T8U6数据手册）+MPU6050（MPU6050数据手册）等，开源程序和PCB图、有上位机，分享给大家学习。附件提供了飞行器原理图和PCB、飞行源码、测试程序、上位机软件、相关芯片资料。 4. 基于WiFi通信的四旋翼无人飞行控制器 目标是使用STM32开发板并配合由Altium Designer电路板设计软件绘制的扩展板设计实现一套四旋翼无人飞行器控制器系统，同时完成一套PC端和手机端APP地面站控制软件的编写，并加入GPS进行惯性导航，使飞行器能够在地面站或遥控器的控制下完成平稳高速飞行，并能够实现空中自稳。飞行器能够按地面站规划的路径实现自主巡航，并可携带摄像设备完成空中拍摄任务。四旋翼无人飞行控制器已经经过验证，可以飞起来了，放心使用。 5. STM32 WIFI 四轴飞行器全部资料 采用WIFI技术控制飞行器，简单又方便，只要你有安卓手机就可以了，有做好的安卓AP，直接安装即可，附件有1.有原理图，pcb文件99和AD都可以打开；2.源代码,有STM32源码，有测试程序和主程序，焊接好后方便大家测试用的。采用了RT_THREAD操作系统3.芯片资料；4.wifi开发手册和使用指南；5.有安卓上位机软件，有2.3版本和4.0版本。 6. 匿名迷你四轴飞行器，飞行器里的行家 资源包含主板PCB源码，遥控器源码， CPU: STM32F103CB（STM32F103CB数据手册） 2.4G: NRF24L01（NRF24L01数据手册） 电子罗盘：HMC5883（HMC5883数据手册） 陀螺仪+加速度计：MPU-6050 （MPU-6050数据手册） 电机:7*16
大学生电子设计竞赛 设计报告 摘要：本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时，解算出相应电机需要的的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，超声波传感器进行测距，起飞后悬停在一定高度，打靶后降落。 关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制
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目录 1系统方案 (1) 1.1控制系统选择方案 (1) 1.2飞行姿态控制方案论证 (1) 1.3角度测量模块的方案论证 (2) 1.4高度测量模块方案论证.............................................. 错误！未定义书签。2理论分析与计算 (2) 2.1控制模块 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.2机翼电机 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.3飞行姿态控制单元 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1系统总体设计思路 (4) 3.2主要元器件清单......................................................... 错误！未定义书签。 3.3系统框图 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1系统硬件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。 3.3.2系统软件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.. (5) 5结论 (6) 3
G L 516四轴飞行器---D I Y 手册 --------------------------------- 想飞的感觉不再是梦想！！此文献给广大的四轴爱好者。 原文：http://www.mikrokopter.c om/ucwiki DIY 网址：https://www.doczj.com/doc/4c2771586.html, 制作： OURAVR 网友： gl516 版本： V1.1 DEMO 日期：2009.6.20 温馨提示： 安全第一！！！ ------特别谢鸣! https://www.doczj.com/doc/4c2771586.html, 网友：pitolan feng_matrix RickyZhou cnmusic 的 帮助和支持！TKS.. h t t p ://s h o p 5 82 90 39 2. t a o b a o .c o m /
开门见山！GL516四轴系统的焊接，调试。组装。试飞。。。。。 一： 焊接 1：飞控板焊接丝印（TOPLAYER+BOTTOMLAYER ） 1-1：新版飞控丝印图片： h t t p ://s h o p 5829039 2. t a o b a o .c o m /
PCB bottomlayer 1-2: BOM (新版PCB) Part Type Designator Footprint +5 J26 JPP 1K R25 G0603 1K R24 G0603 1K R16 G0603 1K R17 G0603 1K R18 G0603 1K R23 G0603 1K R20 G0603 1K R22 G0603 1K R19 G0603 1K R21 G0603 1N4007 D3 DIODEXX 1UF C4 G0603 1UF C3 G0603 h t t p :/ /s h o p 5 82 90 39 2. t a o b a o .c o m /
1引言 现在的战争已不是过去大刀长矛的时代，他早已成为国家综合实力的体现，这很大程度取决于军事高科技。这其中导弹作为精确打击的利器关乎国家的战略安全。而研究其包括导弹在内的飞行器精确制导与控制便显得十分的重要。 飞行器最优制导规律研究是进行武器系统总体方案论证和提高制导性能及精度的关键技术之一。而要进行制导规律最优性研究一方面需要研究合适的制导规律,另一方面需要进行接近实际情况的全面的大量的仿真研究。 仿真验证包括建模与仿真两个方面。在大型工程的方案论证阶段甚至包括实际研制的各个阶段，都要进行仿真检验以论证可行性、合理性和最优性。仿真技术在工程应用特别在高端武器系统总体设计和方案论证中具有极为重要的作用。对制导问题的研究在国外倍受重视。在公开发表的文献中,专门讨论制导规律方面的研究论文很多，可见制导规律的研究是非常重要的。但是仅有理论研究是远远不够的，因为设计的所谓最优制导规律大都是把实际系统进行了大量简化情况下推导出来的，因而与实际情况差别较大。也就是说理论上是最优的制导规律或参数在实际系统中不一定是最优的。因此,必须建立接近实际状态的数学模型和仿真软件。通过仿真计算确定出制导系统的最优参数及制导规律的控制效果，才能最终确定制导规律的最优性。 目前国内外这类问题研究主要存在下列三个问题:其一是模型被简化。从众多公开发表的文献资料看,大都是把控制系统简化为一阶、二阶、或三阶等根模型来推导制导规律,并据此模型进行仿真计算。其二是把飞行器的六自由度空间运动状态简化为平面运动状态进行仿真研究，以这种把飞行器运动限制在平面范围内进行仿真计算是有局限性的。其三是在全弹道数字仿真中仅选取几个特征点参数来代表全弹道的气动力参数，这些参数要表征全弹道动态过程是比较片面的，因而仿真结论的可信度是比较差的。 若把飞行器看成一个刚体，则它在空间的运动，可以看做是质心的移动和绕质心的转动的合成运动。质心的移动取决于作用在飞行器上的力，绕质心的转动则取决于作用在飞行器上相对于质心的力矩。在飞行中，作用在飞行器上的力主要有：总空气动力、发动机的推力和重力等。作用在飞行器上的力矩有：空气动力引起的空气动力矩，由发动机推力(若推力作用线不通过飞行器质心时)引起的推力矩等。作用在导弹上的空气动