《四旋翼飞行机器人结构优化与自主飞行》项目申请书

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1、编号： （试行）兰州交通大学大学生创新实验重点项目申请书项目名称： 四旋翼飞行机器人 机构优化与自主飞行实验 申 报 人： 王砚麟 所在院系： 机电工程学院 联系电话： 18919905478 指导教师： 赵志刚 申请实验室： 机制实验室 申报日期： 2012年11月19日 兰州交通大学实验室管理处 制2012年11月26日项目简况项目名称四旋翼飞行机器人结构优化与自主飞行项目类别A、理论研究、社会调查研究类； B、科技产品开发、发明创造类；C、科学实验及研究； D、其他类。申请资助经费20000.00元项目起止时间2012.12-2014.6项目申请人姓名王砚麟性别男民族汉出生年月1992.

2、5专业年级机设1001班学院机电工程学院前一学期综合测评名次Z值：第1 名；U值：第 1名电话18919905478指导教师个人简历姓名 性别民族职称出生年月研究方向赵志刚男汉副教授1975.3特种机器人主要科学研究工作简历时间项目名称获奖情况2005-2008紧耦合飞行机器人自主飞行关键技术研究国家自然科学基金结题20072009轿车遮阳伞自动折叠机构研制已鉴定2011-2016光储联合供电系统研究开发国家863计划在研2013-2016缆系式紧耦合多机器人协调建模及稳定性分析国家自然科学基金在研2012-2014链式紧耦合多机器人系统规划和控制研究国家教育部重点项目在研项目组主要成员姓 名

3、性别出生年月专业年级所在学院项目分工分工签字王砚麟男1992.5机设101班机电工程学院结构设计、系统模块及制作张诚诚男1992.2机设101班机电工程学院结构设计、系统模块及制作陶定凯男1994.2机设1101班机电工程学院仿真分析及数学建模严 健男1991.10机设1101班机电工程学院仿真分析及数学建模项目内容概要（限200字以内）利用ANSYS有限元分析软件对四旋翼飞行机器人结构进行分析优化，使其具有更好的稳定性、更大的承载能力及更少的能耗；再利用ADAMS仿真分析软件对其运动学和动力学进行分析，搭建硬件软件平台，研究制定合适的控制策略，并利用MATLAB软件对其设计一个能够使其自主飞

4、行的系统；同时完成该样机的制作。该项目可以为我校在飞行机器人领域的研究搭建一种实验平台，并为我校参与飞行机器人比赛提供基础。项目的目的和意义一、项目的目的四旋翼直升机的结构具有对称性，它是通过平衡四个螺旋桨产生的力来使其稳定的盘旋以及精确的飞行的。因此，四旋翼飞行器在操纵性和结构方面具有很多潜在的优势。该项目的目的就是在以往的四旋翼无人机的基础上，对其结构进行进一步优化，使其飞行性能更加稳定，承载能力更大；并且设计一个能够更好的控制四旋翼无人机使其能自主飞行的系统。二、项目的意义与普通的单旋翼旋翼式直升机相比：一方面，它可以采用更小的螺旋桨，进而使其飞行变得更安全，并且有在小区域范围内起飞、盘

5、旋、飞行、着陆的能力。飞行器可以飞至离目标更近的区域，而不像传统直升机由于其具有巨大的单旋翼而不能近距离靠近目标；另一方面，四旋翼无人机时通过四个旋翼不同的转动方向自动平衡扭矩的，而传统直升机必须加一个尾翼用来平衡旋翼扭矩，这个尾翼对向上的推力无帮助作用，浪费了能量。四旋翼机的旋翼小，转速更高，因而其效率更高。由于该四旋翼直升机具有以上优势，其垂直起降不受场地影响，具有很强的室外适应能力。在军事方面，它是重要的战术武器，可用于巡视侦查、攻击目标、信息对抗、通信中继、反潜等多种场合。例如在两军对阵的巷战或丛林、山地作战时，步兵可释放微型四旋翼飞行机器人，机载摄像装置可摄取敌方的图像传输到指挥部，

6、以便对目标实施打击；当然，四旋翼飞行机器人也可装载炸药，对目标实施自爆性攻击。与飞机、卫星等飞行器相比，无机人以其低成本和有效的军事作战功能，可使军队战斗力倍增，因此引起了各国军队的高度重视。在民用方面，可用于灾情探测（森林防火、洪涝灾害、地震、塌方等）和搜救灾情中的伤员、地质勘探，航空自摄、气象探测、大气污染探测等场合。基于四旋翼直升机的性能优越和用途广泛，使其有很大的研究空间和意义。目前国内外很多机构都已开始关注四旋翼直升机的研究。国外有瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL)、澳大利亚国立大学(AUN)、美国斯坦福大学(Stanford)、麻省理工学院(MIT)、和佐治亚理工大学（GIT）等；国

7、内国防科技大学、哈尔滨工程大学、南京航空航天大学、南京理工大学等。我国在空中飞行器的研制方面尚处于落后地位，因此，对四旋翼飞行机器人的研究具有推动我国空中飞行器技术水平的提升的现实意义，并且可以为我校在飞行机器人领域的研究搭建一种实验平台，为参与飞行机器人比赛提供基础。同时，小型四旋翼飞信器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。在机器人的智能控制，三维路劲规划，多飞行器的空中交通管理和碰撞规避等方面，小型四旋翼飞行器自主飞行技术都具有极高的研究价值。国内外本项目的研究状况四旋翼直升机的概念很久以前就已经提出了，国外早在上世纪初期就有学者开始研究四选旋翼

8、直升机了。国外比较系统深入的研究四旋翼直升机的主要机构有：瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL)、澳大利亚国立大学(AUN)、美国斯坦福大学(Stanford)、麻省理工学院(MIT)、和佐治亚理工大学（GIT）等，其中具有代表性的研究成果样机有：瑞士洛桑联邦科技学院的OS4、澳大利亚国立大学的X-4 Flyer Mark、美国斯坦福大学的Mesicopter和STARMAC。瑞士洛桑联邦科技学院的OS4目前该项目已经在Matlab/Smiulink仿真环境下进行了OS4避障模型的测试,设计了避障控制器、基于位置和速度控制的5种下同避碰方法,并做了相关测试实验证明；澳大利亚国立大学的 X-4 Fly

9、er Mark在Matlab仿真分析表明倒转四旋翼结构有利于四旋翼的稳定飞行,并具有较高的抗干扰能力；美国斯坦福大学的Mesicopter目前已经完成了试验样机在一根短垂直杆上离地起飞，STARMAC使四旋翼系统有可靠的、完全自主航点跟踪的能力,使其成为一个测试平台,具备多飞行器协同飞行水平；麻省理工学院目前该项目已完成了四旋翼对目标进行连续搜索、跟踪、多机协同和编队飞行等实验室内环境下四旋翼无人机的飞行演示,其中包括多架四旋翼对目标进行连续搜索、跟踪、多机协同和编队飞行等实验。佐治亚理工学的GTMARS是面向火星探测任务而设计的，能够自动将机构展开、自主起降。续航30min、巡航速度可达72

10、km/h、还可以返回到找路器补充能量。他们的最终目标实现室内和室外环境中的自主飞行和多飞行器协同完成具体任务。如今四旋翼直升机被认为是一种优秀合理的垂直飞行器，正受到各国不同机构的研究。国内某些机构四旋翼飞行器相关技术研究的主要内容涉及机构设计和基于惯性飞行控制等方面，迄今，已经完成了原型样机的设计与制作以及动力学模型、控制算法的建立和仿真。如：国防科技大学已经完成了控制系统硬件部分的开发和测试、哈尔滨工程大学和南京航空航天大学也已取得相应成绩，并参加飞行机器人比赛取得很好的成绩等。总体来说实验室当前还是处于是实现基于惯导的微小型四旋翼飞行器的自主悬停控制阶段；长远目标是实现可靠、完全自主的无

11、人飞行器，并为之开展智能控制、避障、轨迹规划、多机协同和无线传感器网络等。国内对这一方面研究虽已取得了一定的收获和基础，但跟国外相比还有很大差距。根据目前国内外的研究状况，该项目在选题上是前沿的，在军用和民用方面具有可预见的现实意义。参考文献1BOUABDALLAH S,BECKERM, SIEGWART R. Autonomousminiature flying robots: coming soonJ. IEEE Robotics & AutomationMagazine,2007,14: 88-98.2BOUABALLAH S, SIEGWARTR. Full controlof a q

12、uadrotorC /Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,2007:153-158.3BOUABDALLAH S, BECKER M, PERROT V D. Toward obstacle avoidance on quadrotorsC/ Proceedings of the XII International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics, 2007: 153-158.4POUNDS P,MAHONY R

13、, CORKE P.Modelling and control of a quad-rotor robotC/ Proceedings of the Aus-tralasian Conference on Robotics and Automation, 2008:27-29.5HOFFMANN G,RAJNARAYAN G,WASLANDER S L, et a.l The stantonl testbed of autonomous rotorcraft formulti-agent control C /AIAA DigitalAvionics systems con-ference,

14、2004, 2: 12.E. 4-121-10.6HOFFMANN GM,HUANG H,WASLANDER S L, et a.l Quadrotor helicopter flight dynamics and control theorand experimentC /Proceedings of the AIAA Guidance,Navigation, and Control Conference and Exhibit, 2007: 20-23.7WASLANDER S, HOFFMANN G M, JANG J S, et a.l Multi-agent quadrotor te

15、stbed controldesign: integral sliding mode vs reinforcement learningC /2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005: 468-473.8 HOW J P,BETHKE B,FRANK A, etal Real-time indoor autonomous vehicle test environment J. IEEE Control SystemsMagazine, 2008, 28(2): 51-64.9李占

16、科,宋笔锋,宋海龙. 微型飞行器的研究现状及其关键技术.飞行力学,2003 ,21(4）.10岳基隆,张庆杰,朱华勇. 微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析.电光与控制,2010,（10）.11聂博文,马宏绪,王剑,王建文. 微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术电光与控制 2007（12）.12吴俊琦. 四桨动力布局在十字形升力体上的一体化设计与气动特性研究.南京航天航空大学.项目的创新点1. 该设计方案是一种新型的不受场地影响的能够在狭小空间自主飞行的飞行器方案；2. 该设计方案通过对四旋翼无人机的结构优化，使其稳定性提高，能耗减小，承载能力提高；3. 该设计方案通过控制四个螺旋桨的转

17、速就可以实现飞行器飞行姿势的控制；4. 该设计方案在四轴飞行器添加相应的功能（如:GPS导航、航拍、跟踪、简单轨迹的自动巡航等）。项目的详细内容、研究方案（研究方法、技术路线） 一、项目的详细内容利用UG三维软件设计一款结构简单、质量小、外形新颖的四旋翼无人机，并利用ANSYS有限元分析软件对其结构进行优化，使其具有更好的稳定性、更大的承载能力、更小的能耗；再利用ADAMS仿真分析软件对其运动学和动力学进行分析，并搭建合理的硬件以及软件平台，研究制定适当的控制策略，利用MATLAB软件设计一个能够使四旋翼无人机自主飞行的系统，并对搭建的系统进行调试，使其能够控制四旋翼无人机实现自主飞行。二、项

18、目的研究方案本项目在研究过程中，遵循由简单到复杂，由认识到创新的循序渐进的原则；将该项目分成以下几个模块，分阶段对各个模块进行研究。下面将该项目分成如下几个模块，并对各个模块制定具体的方案如下：1.确定四旋翼飞行器的动力：根据四旋翼飞行器飞行原理、直升机飞行原理和空气动力学知识确定四旋翼飞行器的动力要求，结合螺旋桨和空气动力学知识确定机翼类型，并选择合适的电机和螺旋桨；2.四旋翼飞行器的结构设计：根据选择的电机和螺旋桨，和四旋翼飞行器的动力要求，利用材料力学、机械设计、机械原理等知识，设计出四旋翼飞行器的其他零部件，利用UG（或solidworks）三维造型软件完成四旋翼飞行器的三维造型。3.

19、四旋翼飞行器的结构优化：根据四旋翼飞行器的动力要求、选择的电机和螺旋桨的参数、承载能力以及功耗问题，利用工程优化知识以及ANSYS有限元分析软件对各个零件和飞行器总体结构进行有限元分析，优化各个零件及总体结构；4.四旋翼飞行器的裸机制作：凭借四旋翼飞行器的零件三维造型和装配图，购买电机、螺旋桨等材料，并加工零件，完成四旋翼飞行器裸机的制作，并通过实验的方法，检验裸机的承载性能，是否满足设计要求，再对其进行进一步的优化；5.四旋翼飞行器的运动学和动力学的研究：利用UG完成的四旋翼飞行器的三维造型，运用UG、ADAMS（或MATLAB/Smiulink）仿真分析软件对其运动学和动力学进行仿真分析，

20、结合空气动力学和螺旋桨知识对其运动学和动力学进行分析研究；6.四旋翼飞行器的数学建模：根据四旋翼飞行器的运动学和动力学的研究基础，运用已知的物理定理和方程来建立其数学模型；7.四旋翼飞行器控制系统研究及设计：基于四旋翼飞行器的数学模型，利用控制原理、单片机、智能控制等方面的知识，设计制定一套经济可靠的通过控制四只旋翼转速来实现飞行姿态控制的自主飞行控制系统，并完成系统调试；8.四旋翼飞行器的系统联调：将设计好的自主飞行控制系统应用于裸机上，使控制系统和裸机很好的结合，完成四旋翼飞行器的自主飞行样机的制作和试飞，使其能够完成一定的自主飞行任务以及循迹飞行任务。在技术上，广泛吸收应用该课题所涉及到

21、的技术方面的最新研究成果，优先选用已经被实验所证明的成熟的或比较成熟的，且使用于本课题研究的实现技术。突出课题的研究重点，集中人力、物力和财力对本课题所涉及的关键技术采用各个击破的原则，从基础环节做起。纵观本课题中所涉及的学科和关键技术，虽然将多种技术集成在一个四旋翼飞行器系统中比较难，但这些关键技术都能在相关学科中找到相近的理论模型或实现算法或具体实现技术。因此，目前开展本课题研究工作，从技术积累和知识结构上是可行的。三、本项目年度研究计划如下：【2013122013. 6】四旋翼飞行器的结构设计及结构优化（三维图及装配图的绘制）；四旋翼飞行器的裸机制作及性能检测。【201372013. 1

22、2】四旋翼飞行器的运动学和动力学研究；四旋翼飞行器的整体数学建模。【201412014. 6】四旋翼飞行器样机的系统联调；四旋翼飞行器的自主飞行控制系统研究和设计；项目的鉴定。实验用主要仪器设备：电机及电机主要配件、螺旋桨、锂聚合物电池、机体、电子称、速度传感器、电子调速器、无线数据传输器、GPS天线、接收机、DSP芯片及相关数据采集单元等,以及示波器、信号发生器等设备。研究计划及预期成果主要研究阶段（起止时间）阶段预期成果成果形式前期2012.12-2013.6四旋翼无人机的整体结构设计、优化及裸机制作图纸、裸机中期2013.7-2013.12四旋翼无人机的运动学、动力学研究及数学模型的建立

23、论文后期2014.1-2014.6四旋翼无人机的自主飞行系统控制及系统联调自主飞行样机最终研究成果最终成果名称最终成果形式四旋翼自主飞行机器人自主飞行样机序号预算项目预算金额（元）备注1实验设备0TMS320F2812 DSP控制板、数据采集单元、速度传感器、电子调速器、锂电池2材料费10000螺旋桨、电机及配件、机体制作材料（铝合金）及加工费、摄像头、GPS天线3测试化验费5000飞行机器人质量、速度和各部位受力大小的测量仪器及样机调试仪器等4资料费1000螺旋桨、空气动力学、结构优化、控制等方面的教材及相关资料的获取费用等5出版/文献/信息传播费/知识产权事务费2000论文发表、文献检索等费用6其他2000市场调研、样机包装等费用合计20000指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日学生所在学院意见：学院院长签名： 年 月 日学校专家组意见：专家组签名： 年 月 日专家组成员专家姓名职 称签字实验室管理处意见负责人签名： 年 月 日