《四旋翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化與自主飛行》項(xiàng)目申請書

1、編號： （試行）蘭州交通大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)項(xiàng)目申請書項(xiàng)目名稱： 四旋翼飛行機(jī)器人 機(jī)構(gòu)優(yōu)化與自主飛行實(shí)驗(yàn) 申 報 人： 王硯麟 所在院系： 機(jī)電工程學(xué)院 聯(lián)系電話：指導(dǎo)教師： 趙志剛 申請實(shí)驗(yàn)室： 機(jī)制實(shí)驗(yàn)室 申報日期： 2012年11月19日 蘭州交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理處 制2012年11月26日項(xiàng)目簡況項(xiàng)目名稱四旋翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化與自主飛行項(xiàng)目類別a、理論研究、社會調(diào)查研究類； b、科技產(chǎn)品開發(fā)、發(fā)明創(chuàng)造類；c、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及研究； d、其他類。申請資助經(jīng)費(fèi)20000.00元項(xiàng)目起止時間2012.12-2014.6項(xiàng)目申請人姓名王硯麟性別男民族漢出生年月1992.

2、5專業(yè)年級機(jī)設(shè)1001班學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院前一學(xué)期綜合測評名次z值：第1 名；u值：第 1名電導(dǎo)教師個人簡歷姓名 性別民族職稱出生年月研究方向趙志剛男漢副教授1975.3特種機(jī)器人主要科學(xué)研究工作簡歷時間項(xiàng)目名稱獲獎情況2005-2008緊耦合飛行機(jī)器人自主飛行關(guān)鍵技術(shù)研究國家自然科學(xué)基金結(jié)題20072009轎車遮陽傘自動折疊機(jī)構(gòu)研制已鑒定2011-2016光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)研究開發(fā)國家863計劃在研2013-2016纜系式緊耦合多機(jī)器人協(xié)調(diào)建模及穩(wěn)定性分析國家自然科學(xué)基金在研2012-2014鏈?zhǔn)骄o耦合多機(jī)器人系統(tǒng)規(guī)劃和控制研究國家教育部重點(diǎn)項(xiàng)目在研項(xiàng)目組主要成員待添加

3、的隱藏文字內(nèi)容2姓 名性別出生年月專業(yè)年級所在學(xué)院項(xiàng)目分工分工簽字王硯麟男1992.5機(jī)設(shè)101班機(jī)電工程學(xué)院結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)模塊及制作張誠誠男1992.2機(jī)設(shè)101班機(jī)電工程學(xué)院結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)模塊及制作陶定凱男1994.2機(jī)設(shè)1101班機(jī)電工程學(xué)院仿真分析及數(shù)學(xué)建模嚴(yán) 健男1991.10機(jī)設(shè)1101班機(jī)電工程學(xué)院仿真分析及數(shù)學(xué)建模項(xiàng)目內(nèi)容概要（限200字以內(nèi)）利用ansys有限元分析軟件對四旋翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，使其具有更好的穩(wěn)定性、更大的承載能力及更少的能耗；再利用adams仿真分析軟件對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行分析，搭建硬件軟件平臺，研究制定合適的控制策略，并利用matlab軟件對其

4、設(shè)計一個能夠使其自主飛行的系統(tǒng)；同時完成該樣機(jī)的制作。該項(xiàng)目可以為我校在飛行機(jī)器人領(lǐng)域的研究搭建一種實(shí)驗(yàn)平臺，并為我校參與飛行機(jī)器人比賽提供基礎(chǔ)。項(xiàng)目的目的和意義一、項(xiàng)目的目的四旋翼直升機(jī)的結(jié)構(gòu)具有對稱性，它是通過平衡四個螺旋槳產(chǎn)生的力來使其穩(wěn)定的盤旋以及精確的飛行的。因此，四旋翼飛行器在操縱性和結(jié)構(gòu)方面具有很多潛在的優(yōu)勢。該項(xiàng)目的目的就是在以往的四旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其飛行性能更加穩(wěn)定，承載能力更大；并且設(shè)計一個能夠更好的控制四旋翼無人機(jī)使其能自主飛行的系統(tǒng)。二、項(xiàng)目的意義與普通的單旋翼旋翼式直升機(jī)相比：一方面，它可以采用更小的螺旋槳，進(jìn)而使其飛行變得更安全，并且有

5、在小區(qū)域范圍內(nèi)起飛、盤旋、飛行、著陸的能力。飛行器可以飛至離目標(biāo)更近的區(qū)域，而不像傳統(tǒng)直升機(jī)由于其具有巨大的單旋翼而不能近距離靠近目標(biāo)；另一方面，四旋翼無人機(jī)時通過四個旋翼不同的轉(zhuǎn)動方向自動平衡扭矩的，而傳統(tǒng)直升機(jī)必須加一個尾翼用來平衡旋翼扭矩，這個尾翼對向上的推力無幫助作用，浪費(fèi)了能量。四旋翼機(jī)的旋翼小，轉(zhuǎn)速更高，因而其效率更高。由于該四旋翼直升機(jī)具有以上優(yōu)勢，其垂直起降不受場地影響，具有很強(qiáng)的室外適應(yīng)能力。在軍事方面，它是重要的戰(zhàn)術(shù)武器，可用于巡視偵查、攻擊目標(biāo)、信息對抗、通信中繼、反潛等多種場合。例如在兩軍對陣的巷戰(zhàn)或叢林、山地作戰(zhàn)時，步兵可釋放微型四旋翼飛行機(jī)器人，機(jī)載攝像裝置可攝取敵

6、方的圖像傳輸?shù)街笓]部，以便對目標(biāo)實(shí)施打擊；當(dāng)然，四旋翼飛行機(jī)器人也可裝載炸藥，對目標(biāo)實(shí)施自爆性攻擊。與飛機(jī)、衛(wèi)星等飛行器相比，無機(jī)人以其低成本和有效的軍事作戰(zhàn)功能，可使軍隊?wèi)?zhàn)斗力倍增，因此引起了各國軍隊的高度重視。在民用方面，可用于災(zāi)情探測（森林防火、洪澇災(zāi)害、地震、塌方等）和搜救災(zāi)情中的傷員、地質(zhì)勘探，航空自攝、氣象探測、大氣污染探測等場合?；谒男碇鄙龣C(jī)的性能優(yōu)越和用途廣泛，使其有很大的研究空間和意義。目前國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都已開始關(guān)注四旋翼直升機(jī)的研究。國外有瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院(epfl)、澳大利亞國立大學(xué)(aun)、美國斯坦福大學(xué)(stanford)、麻省理工學(xué)院(mit)、和佐治亞理

7、工大學(xué)（git）等；國內(nèi)國防科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)等。我國在空中飛行器的研制方面尚處于落后地位，因此，對四旋翼飛行機(jī)器人的研究具有推動我國空中飛行器技術(shù)水平的提升的現(xiàn)實(shí)意義，并且可以為我校在飛行機(jī)器人領(lǐng)域的研究搭建一種實(shí)驗(yàn)平臺，為參與飛行機(jī)器人比賽提供基礎(chǔ)。同時，小型四旋翼飛信器研究也為自動控制，先進(jìn)傳感技術(shù)以及計算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個平臺。在機(jī)器人的智能控制，三維路勁規(guī)劃，多飛行器的空中交通管理和碰撞規(guī)避等方面，小型四旋翼飛行器自主飛行技術(shù)都具有極高的研究價值。國內(nèi)外本項(xiàng)目的研究狀況四旋翼直升機(jī)的概念很久以前就已經(jīng)提出了，國外早在上世紀(jì)初期就

8、有學(xué)者開始研究四選旋翼直升機(jī)了。國外比較系統(tǒng)深入的研究四旋翼直升機(jī)的主要機(jī)構(gòu)有：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院(epfl)、澳大利亞國立大學(xué)(aun)、美國斯坦福大學(xué)(stanford)、麻省理工學(xué)院(mit)、和佐治亞理工大學(xué)（git）等，其中具有代表性的研究成果樣機(jī)有：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的os4、澳大利亞國立大學(xué)的x-4 flyer mark、美國斯坦福大學(xué)的mesicopter和starmac。瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的os4目前該項(xiàng)目已經(jīng)在matlab/smiulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了os4避障模型的測試,設(shè)計了避障控制器、基于位置和速度控制的5種下同避碰方法,并做了相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)證明；澳大利亞國立

9、大學(xué)的 x-4 flyer mark在matlab仿真分析表明倒轉(zhuǎn)四旋翼結(jié)構(gòu)有利于四旋翼的穩(wěn)定飛行,并具有較高的抗干擾能力；美國斯坦福大學(xué)的mesicopter目前已經(jīng)完成了試驗(yàn)樣機(jī)在一根短垂直桿上離地起飛，starmac使四旋翼系統(tǒng)有可靠的、完全自主航點(diǎn)跟蹤的能力,使其成為一個測試平臺,具備多飛行器協(xié)同飛行水平；麻省理工學(xué)院目前該項(xiàng)目已完成了四旋翼對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)搜索、跟蹤、多機(jī)協(xié)同和編隊飛行等實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無人機(jī)的飛行演示,其中包括多架四旋翼對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)搜索、跟蹤、多機(jī)協(xié)同和編隊飛行等實(shí)驗(yàn)。佐治亞理工學(xué)的gtmars是面向火星探測任務(wù)而設(shè)計的，能夠自動將機(jī)構(gòu)展開、自主起降。續(xù)航30m

10、in、巡航速度可達(dá)72km/h、還可以返回到找路器補(bǔ)充能量。他們的最終目標(biāo)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外環(huán)境中的自主飛行和多飛行器協(xié)同完成具體任務(wù)。如今四旋翼直升機(jī)被認(rèn)為是一種優(yōu)秀合理的垂直飛行器，正受到各國不同機(jī)構(gòu)的研究。國內(nèi)某些機(jī)構(gòu)四旋翼飛行器相關(guān)技術(shù)研究的主要內(nèi)容涉及機(jī)構(gòu)設(shè)計和基于慣性飛行控制等方面，迄今，已經(jīng)完成了原型樣機(jī)的設(shè)計與制作以及動力學(xué)模型、控制算法的建立和仿真。如：國防科技大學(xué)已經(jīng)完成了控制系統(tǒng)硬件部分的開發(fā)和測試、哈爾濱工程大學(xué)和南京航空航天大學(xué)也已取得相應(yīng)成績，并參加飛行機(jī)器人比賽取得很好的成績等。總體來說實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前還是處于是實(shí)現(xiàn)基于慣導(dǎo)的微小型四旋翼飛行器的自主懸停控制階段；長遠(yuǎn)目標(biāo)是

11、實(shí)現(xiàn)可靠、完全自主的無人飛行器，并為之開展智能控制、避障、軌跡規(guī)劃、多機(jī)協(xié)同和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。國內(nèi)對這一方面研究雖已取得了一定的收獲和基礎(chǔ)，但跟國外相比還有很大差距。根據(jù)目前國內(nèi)外的研究狀況，該項(xiàng)目在選題上是前沿的，在軍用和民用方面具有可預(yù)見的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)1bouabdallah s,beckerm, siegwart r. autonomousminiature flying robots: coming soonj. ieee robotics & automationmagazine,2007,14: 88-98.2bouaballah s, siegwartr. full co

12、ntrolof a quadrotorc /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

13、 p,mahony r, 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 co

14、n-ference, 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 q

15、uadrotor testbed 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)

16、: 51-64.9李占科,宋筆鋒,宋海龍. 微型飛行器的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù).飛行力學(xué),2003 ,21(4）.10岳基隆,張慶杰,朱華勇. 微小型四旋翼無人機(jī)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)淺析.電光與控制,2010,（10）.11聶博文,馬宏緒,王劍,王建文. 微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)電光與控制 2007（12）.12吳俊琦. 四槳動力布局在十字形升力體上的一體化設(shè)計與氣動特性研究.南京航天航空大學(xué).項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)1. 該設(shè)計方案是一種新型的不受場地影響的能夠在狹小空間自主飛行的飛行器方案；2. 該設(shè)計方案通過對四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其穩(wěn)定性提高，能耗減小，承載能力提高；3. 該設(shè)計方案

17、通過控制四個螺旋槳的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)飛行器飛行姿勢的控制；4. 該設(shè)計方案在四軸飛行器添加相應(yīng)的功能（如:gps導(dǎo)航、航拍、跟蹤、簡單軌跡的自動巡航等）。項(xiàng)目的詳細(xì)內(nèi)容、研究方案（研究方法、技術(shù)路線） 一、項(xiàng)目的詳細(xì)內(nèi)容利用ug三維軟件設(shè)計一款結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、外形新穎的四旋翼無人機(jī)，并利用ansys有限元分析軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其具有更好的穩(wěn)定性、更大的承載能力、更小的能耗；再利用adams仿真分析軟件對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行分析，并搭建合理的硬件以及軟件平臺，研究制定適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，利用matlab軟件設(shè)計一個能夠使四旋翼無人機(jī)自主飛行的系統(tǒng)，并對搭建的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使其能夠控制四旋翼無人

18、機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行。二、項(xiàng)目的研究方案本項(xiàng)目在研究過程中，遵循由簡單到復(fù)雜，由認(rèn)識到創(chuàng)新的循序漸進(jìn)的原則；將該項(xiàng)目分成以下幾個模塊，分階段對各個模塊進(jìn)行研究。下面將該項(xiàng)目分成如下幾個模塊，并對各個模塊制定具體的方案如下：1.確定四旋翼飛行器的動力：根據(jù)四旋翼飛行器飛行原理、直升機(jī)飛行原理和空氣動力學(xué)知識確定四旋翼飛行器的動力要求，結(jié)合螺旋槳和空氣動力學(xué)知識確定機(jī)翼類型，并選擇合適的電機(jī)和螺旋槳；2.四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計：根據(jù)選擇的電機(jī)和螺旋槳，和四旋翼飛行器的動力要求，利用材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理等知識，設(shè)計出四旋翼飛行器的其他零部件，利用ug（或solidworks）三維造型軟件完成四旋翼

19、飛行器的三維造型。3.四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：根據(jù)四旋翼飛行器的動力要求、選擇的電機(jī)和螺旋槳的參數(shù)、承載能力以及功耗問題，利用工程優(yōu)化知識以及ansys有限元分析軟件對各個零件和飛行器總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化各個零件及總體結(jié)構(gòu)；4.四旋翼飛行器的裸機(jī)制作：憑借四旋翼飛行器的零件三維造型和裝配圖，購買電機(jī)、螺旋槳等材料，并加工零件，完成四旋翼飛行器裸機(jī)的制作，并通過實(shí)驗(yàn)的方法，檢驗(yàn)裸機(jī)的承載性能，是否滿足設(shè)計要求，再對其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化；5.四旋翼飛行器的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的研究：利用ug完成的四旋翼飛行器的三維造型，運(yùn)用ug、adams（或matlab/smiulink）仿真分析軟件對其運(yùn)動學(xué)

20、和動力學(xué)進(jìn)行仿真分析，結(jié)合空氣動力學(xué)和螺旋槳知識對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行分析研究；6.四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)建模：根據(jù)四旋翼飛行器的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的研究基礎(chǔ)，運(yùn)用已知的物理定理和方程來建立其數(shù)學(xué)模型；7.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究及設(shè)計：基于四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型，利用控制原理、單片機(jī)、智能控制等方面的知識，設(shè)計制定一套經(jīng)濟(jì)可靠的通過控制四只旋翼轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制的自主飛行控制系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)調(diào)試；8.四旋翼飛行器的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)：將設(shè)計好的自主飛行控制系統(tǒng)應(yīng)用于裸機(jī)上，使控制系統(tǒng)和裸機(jī)很好的結(jié)合，完成四旋翼飛行器的自主飛行樣機(jī)的制作和試飛，使其能夠完成一定的自主飛行任務(wù)以及循跡飛行任務(wù)。在技術(shù)上，廣泛

21、吸收應(yīng)用該課題所涉及到的技術(shù)方面的最新研究成果，優(yōu)先選用已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證明的成熟的或比較成熟的，且使用于本課題研究的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。突出課題的研究重點(diǎn)，集中人力、物力和財力對本課題所涉及的關(guān)鍵技術(shù)采用各個擊破的原則，從基礎(chǔ)環(huán)節(jié)做起。縱觀本課題中所涉及的學(xué)科和關(guān)鍵技術(shù)，雖然將多種技術(shù)集成在一個四旋翼飛行器系統(tǒng)中比較難，但這些關(guān)鍵技術(shù)都能在相關(guān)學(xué)科中找到相近的理論模型或?qū)崿F(xiàn)算法或具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)。因此，目前開展本課題研究工作，從技術(shù)積累和知識結(jié)構(gòu)上是可行的。三、本項(xiàng)目年度研究計劃如下：【2013122013. 6】四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化（三維圖及裝配圖的繪制）；四旋翼飛行器的裸機(jī)制作及性能檢測?！?01372013. 12】四旋翼飛行器的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究；四旋