基于嵌入式系统的四旋翼无人机系统研究与设计开题报告

1．本课题研究的背景、目的及意义

1.选题背景

近年来，随着市场上应用的需要，以及各方面相关技术的发展，在世界范围内掀起了一股研究无人机技术的热潮，欧美各国都对这个领域投入了相当的力量。其原因在于用无人机代替人工驾驶飞机具有巨大的优势，降低了成本，且加大了运输保养以及维修的方便性。因此，未来无人机在军事和民事上都有着重大的意义。在军事领域可用来作战侦查，并实现精确打击，减少人员伤亡。在民事上则可用于环境的监测，资源的勘测，地形的考察，灾情侦测以及信号中继等等具有一定危险性而且繁重的任务。面对以上种种复杂的情况，我们的无人机便不能只能停留在遥控飞行器的层面上，更要赋予其一定程度的智能化，使之更能适应种种复杂的状况。而在市场上现有的无人机中，四旋翼是一种较为常见，相对比较便于自行搭建作为研究环境的一种。四旋翼具有交叉对称的框架结构，通过控制四端的四个电机的转速能灵活地实现各种飞行姿态。随着微处理器技术和传感器技术的进步，以及对新材料的应用，电池续航能力的提升，四旋翼无人机的性能大幅度提升，应用前景越来越广，成为中外无人机研究的热点。

2.选题目的

为了顺应这股无人机热的世界潮流，国内的市场上出现了各种各样的无人机。然而经过调查发现，国内市场上大多数无人机在功能应用上尚处于低端领域，有的甚至只是简单的遥控飞行器，始终脱离不了玩具、模型的范畴，无法实现自主飞行，其性能并不堪能承担上文所述的各种复杂的军事、民事任务，亦存在缺少相关专利，造价成本高昂等诸多问题，可见中国国内无人机研究尚显薄弱。因此，本设计针对其中佼佼者作相应分析研究，拟讨论基于嵌入式系统的四旋翼无人机硬件设计、控制系统以及监控系统设计等内容，为实现无人机自主飞行打下基础。本设计主要为应用型研究。

3.选题意义

在四旋翼无人机能够实现了自主飞行之后，其就不仅仅简单的遥控飞行器，而是一定意义上的飞行机器人，因此能够独立完成一些复杂的任务，例如上文所提到的跟踪监控、信息采集和救援等诸多军事民事项目，因此在军事与民事领域都存在着重大的价值和意义。

2．本课题主要研究内容和预期目标

1.研究内容

(1)设计无人机机械本体。将机械本体分为运动系和支撑系两个部分，分别进行设计；

(2)设计控制器硬件。基于嵌入式系统设计控制器硬件，包括通信模块、驱动模块和输入输出模块等。

2.预期目标

（1）对四旋翼无人机本体的设计搭建，包括运动系和支撑系两个部分；

（2）对四旋翼无人机的调试，使之能实现垂直起降、定高悬停、倒飞、正飞、自降等等功能；

（3）通过对系统的编程使四旋翼无人机能完成自动飞行的功能；

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

1.研究方法

（1）文献研究法。通过著作、报刊、杂志、网络等各种渠道，了解实践的研究现状，吸收和借鉴先进的理念，深入挖掘课题理论的深厚底蕴，及时洞悉研究的最新情况，给课题实验与研究以有力的指导；

（2）比较分析法。对设计方案定期检测，及时进行数据分析，找出不足之处，以完善方案；

（3）经验总结法。采取总体规划，分步推进的实验策略，每个阶段有方案、有计划、有记录、有检测、有总结，定期进行定量和定性分析。最后汇总阶段成果和实验过程，形成自己的整体实验成果。

2.研究步骤

（1）查阅文献，获取清晰的研究思路，确定研究方向；

（2）组装搭建四旋翼无人机机械架构；

（3）阅读说明文件调试，试飞；

（4）通过编程实现自主飞行功能。

（5）整理文档，并且撰写论文

4．本课题主要参考文献

[1] 唐强，朱志强，王建元.国外无人机自主飞行控制研究[J].系统工程与电子技术, 2004, 26(3), pp.418-422

[2] 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[J]，光电与控制，2010, 17(10)，pp.46-51

[3] 袁安富，徐金琦，王伟，马浩.基于双STM32多旋翼无人机控制系统设计[J].电子技术应用, 2013, 39(11), pp.136-138

[4] 冯旭光.四旋翼无人机自主控制系统设计[D]，内蒙古科技大学硕士论文，2014

[5] 曾凡，陆继珍. 面向效能的无人机设计技术探讨[J],飞航导弹, 2014, 1(4), pp.19-23

[6]张迎新.单片机初级教程－单片机基础(第二版) [M] 北京航空航天大学出版2006:31-68;245-284

[7]陈杰,黄鸿.传感器与检测技术 [M] 高等教育出版社 2006:195-244

[8]周兴华.手把手教你学单片机（第二版）[M] 北京航空大学出版社 2007:195-292

5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

（1）2022.1.19-2022.3.6 查阅资料，填写开题报告，完成外文资料的翻译；

（2）2022.3.7-3.20 熟悉C语言开发环境；

（3）2022.3.21-2022.3.31 研究基于嵌入式系统控制器硬件，包括通信模块、驱动模块和输入输出模块的设计；

（4）2022.4.1-2022.4.30 编程实现四旋翼无人机控制系统软件代码；

（5）2022.5.1-2022.5.10 调整并完善设计，资料收集，撰写论文提纲；

（6）2022.5.11-2022.5.31 整理设计文档，撰写毕业论文，准备论文答辩。