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湖南工业大学大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称:基于嵌入式wifi控制四轴飞行器街景航拍系统的研究与设计学院名称电气与信息工程学院学生姓名学号专业性别入学年份廖险峰12401600224测控技术与仪器男2012.09刘斌12401600223测控技术与仪器男2012.09林佐12401600202测控技术与仪器男2012.09金晶12401600235测控技术与仪器男2012.09指导教师职称学科专业学生曾经参与科研的情况组员负责过电气学院素质提升班电子制作活动，参与过电子爱好者协会电子实训，以及电气学院维修队的多次义务维修电器活动，部分组员学习过单片机，组员参与制作的电子作品有：半导体制冷片冰箱，可折叠实用太阳能充电器，8*8*8光立方，led4色音乐频谱，无线电遥控插座等等。指导教师承担科研课题情况项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题一、项目研究的目的四轴飞行器（四旋翼飞行器）也称为四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。它是多旋翼飞行器中最基本的一种。近几年，得益于微型自动控制系统的发展，四旋翼飞行器发展十分迅速。四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，也是一种智能机器人。是最初是由航空模型爱好者自制成功，后来很多自动化厂商发现它可以用于多种用途而积极参于研制。它利用有四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行，它的尺寸较小、重量较轻、适合携带和使用的无人驾驶飞行器一样能够携带一定的任务载荷，具备自主导航飞行能力。在复杂、危险的环境下完成特定的飞行任务。是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作（目前，也出现可以改变螺距的四旋翼飞行器，这种控制方式比改变电机转速更灵活方便）。传统的街景拍摄和航拍是在汽车和飞机等交通工具上实现的，其技术复杂，成本高昂，本系统的目标在于理由四轴飞行器完成同等工作，并将拍摄的成本大幅降低。由于四轴飞行器具有飞行稳定性，而且便于搭载数码摄像头，如今的四轴飞行器已经成航拍的利器，但是四轴飞行器的作用远远不只是用于航拍，改进现有的技术手段，我们能让搭载多个摄像头的四轴飞行器成为真正的“航拍飞机”，甚至取代街景车进行室外拍摄。二、项目研究的内容（1）建立模型根据设计思路，一方面运用自动化控制方面的专业知识，完成总体方案设计，运用CAD、PRO/E、UG等软件建立样机基本模型。（2）对模型进行优化设计运用Adams、MTALAB等软件对样机基本模型进行运动仿真分析，快速得到不同模型，得出最佳方案。（3）样机制造根据确定的参数及所设计的结构图，改进系统并完成其制造（4）对系统的实际运用进行分析，并对其实用性能进行评估。①测出系统的反应时间并进行评估。②对传感器的灵敏度进行测试、得出具体参数。③对系统在飞行实验中的稳定性进行评估。④将本系统拍摄效果与其他车载系统在效果上进行比较，寻找不足之处加以改进。三、解决的主要问题（1）稳定性问题在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，系统将最大限度地消除外部环境带来的影响以获得其准确的性能参数。（2）系统控制设计微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，飞行控制系统的设计要做的及其精确。（3）利用陀螺进行物体姿态检测消除累计误差利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除，建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否，是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价值。（4）信息处理利用3d图片合成网站提供的服务器对收集的图片进行处理，实现立体街景的效果。国内外研究现状和发展动态早在1907年,Bré-Richet就让世界上第一guet架四旋翼飞行器GyroplaneNo.1升上了天空。但由于构造复杂、不易操纵等原因,大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。近年来,随着新型材料、微机电(MEMS)、微惯导(MIMU)以及飞行控制等技术的进步,微小型四旋翼飞行器得到了迅速发展,逐渐成为人们关注的焦点。微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等)中执行监视、侦察等任务,具有广阔的军事和民用前景。其对广大科研人员具有很强的吸引力,成为国际上新的研究热点。世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面:基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案,其典型代表分别是:瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL)的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4和佐治亚理工大学的GTMARS。本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩研究积累：（1）通过嵌入式wifi控制四轴飞行器街景航拍系统的研究小组在硬件方面对传感器有了一定的了解.（2）我们也了解自动控制技术。项目的创新点和特色1、它的相对简单地机械构造。正因为简单，安全指数大大提高。无论是作为航空模型还是作为遥控平台，安全永远是第一位的。2、是它的相对稳定性。飞行姿态平滑稳定，机械振动被仅可能地减小是四轴的又一魅力，装载图像设备再好不过了。3、是它的相对成本低廉，花尽可能少的钱获取最大的性价比是我们追求的境界，为工业开发其商业用途奠定了必要的基础。项目的技术路线、进度安排及预期成果技术路线（1）结构如图所示，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。图1运动示意图与电直相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。（2）构造四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成惯性导航模块，它还通过电子调控器来保证其快速飞行。（3）控制流程图图2四轴飞行器控制流程图（4）wifi控制模块SDIO_WIFI整个设备分为两个部分，一个是SD卡，一个是WIFI。SD卡部分主要涉及的重点在与如何识别SD卡和支持热拔插，而WIFI部分主要的重点在于发送和接收数据，WIFI驱动属于网络设备驱动，那么我们首先从它的结构出发，要了解它的结构，我们首先了解一般网络设备驱动的结构图3LINUX下网络驱动程序的体系结构数据包发送dev_queue_xmit()数据包接收netif_rx()数据包发送hard_start_xmit()中断处理(数据包接收)structnet_device网络物理设备媒介网络协议接口层网络设备接口层网络驱动功能层网络设备与媒介层（5）WIFI四轴安装说明图4四轴安装说明（6）WIFI四轴PCB贴片图图5四轴PCB贴片图（7）材料清单1四轴飞行器总指挥：STM32F103C8是首选.ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz一流的外设1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度低功耗在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA最大的集成度复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等简单的结构和易用的工具参数2四轴飞行器后勤：电源是四轴飞行的保证，采用4手机锂电池，充电芯片就用TP4056之类吧。充电接口采用USB接口，顺便整合USBBootloader以方便算法升级3通讯接口，那就选用2.4G无线通讯NRF24L01【nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。4.传感器就用6轴角加速度+加速度传感器：MPU-6050,3轴数字也加进来，采用HMC5883L,气压高度计用处不大，体积不小，不确定是否使用5.再加上电源芯片，采用低压差的LDO从锂电池直接生成3.3V。进度安排2014年4月~10月，建立嵌入式wifi控制四轴飞行器街景航拍系统的基本模型。2014年10月~12月，对模型进行优化设计，并完成模型效果测试试验。2015年1月~2015年3月，进一步完善系统效果，写出论文一篇。2015年4月~5月，对样品的实际运用进行分析，并对其实用性能进行评估，以求达到最佳效果。2015年6月~7月，写出总结报告。预期成果⑴总结报告，写出关于本课题的总结报告一份。⑵争取在学术刊物上发表本课题研究论文1篇。指导教师意见签字：日期：