基本信息
- 项目名称：
- 基于非线性视觉模拟耦合自主飞行控制技术与体3D惯性制导原理的廉价四旋翼无人机
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本小型四旋翼无人机，具备VTOL飞行器的所有优点，具有广阔的应用前景。军事上可应用于情报获取、地面战场侦察和监视、近距离空中支持和禁飞巡逻、电子战、通信等方面；在民用方面一样大有可为，如重大自然灾害之后的搜索与救援，巡逻监视和目标跟踪，缉毒和反走私，地震后路段、高压线、大桥和水坝的检查，航拍和成图等。总之，小型四旋翼无人机飞行控制技术的研究，从理论和工程的角度来看都具有重要意义。
- 详细介绍：
- 在小型四旋翼无人机和地面移动跟踪系统上分别安装全景摄像机，进行双向实时同步三维运动空间坐标数据采集，用高速AD将全景摄像机获取的环境视觉信息转换成数字信号，通过PC104工控算机对其进行模糊化、离散采样、二值化、细化等处理（进行非线性处理），提取被采集空间上的体3D像素坐标、惯性运动参数等数据，建立笛卡尔坐标运动轨迹方程。 “体3D惯性制导系统”即将体3D像素数据与捷联式惯导【“捷联（Strap down）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在运载体的机体上，从而完成制导和导航任务的系统。】数据相融合——将非线性视觉所得到的笛卡尔坐标运动轨迹方程结果与捷联式惯导系统输出的信号通过模拟方式耦合后进行傅立叶变换，使用 增益和无源化方法变换后得出精确控制无人机飞行速度和姿态角的数据，从而对无人机的位置进行双方式双向实时定位。这种控制方式不仅不易受到外界干扰，而且在机载GPS系统失效后（GPS导航卫星遭受打击或GPS数据链收到严重干扰等），无人机仍能精确制导。整个系统成本低廉，适合广泛推广应用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 我们设计了一款小型四旋翼无人机，在它上面安装全景摄像机，进行实时同步三维图像采集和传输。“体3D惯性制导系统”即将体3D像素数据与捷联式惯导数据相融合——将非线性视觉所得到的笛卡尔坐标运动轨迹方程结果与捷联式惯导系统输出的信号通过模拟方式耦合后进行傅立叶变换，使用 增益和无源化方法变换后得出精确控制无人机飞行速度和姿态角的数据，从而对无人机的位置进行双方式双向实时定位。这种控制方式不仅不易受到外界干扰，而且在机载GPS系统失效后（GPS导航卫星遭受打击或GPS数据链收到严重干扰等），无人机仍能精确制导。整个系统成本低廉，适合广泛推广应用。可应用于重大自然灾害之后的搜索与救援，巡逻监视和目标跟踪，缉毒和反走私，地震后路段、高压线、大桥和水坝的检查，航拍和成图等。总之，小型四旋翼无人机飞行控制技术的研究，从理论和工程的角度来看都具有重要意义。 创新点及技术关键： 1.体3D像素坐标采集 ； 2. 对非线性视觉所得到的笛卡尔坐标运动轨迹方程结果与捷联式惯导系统输出的信号通过模拟方式耦合后进行傅立叶变换； 3. 增益和无源化方法。 原型机βv0.90已达到如下技术指标： 1. 80cm×80cm方形框架； 2. 电机直径28.0 mm；旋翼直径20cm； 旋翼厚度2mm； 3. 飞行器质量1000g； 4. 采用3600mah锂电池组； 5. 有效载荷500g；续航时间0.4h； 续航半径10km； 6.平均飞行速度40km/h；升限800 m。
科学性、先进性
- 飞行控制问题是微小型四旋翼无人直升机研制的关键问题，主要有三个方面的困难。首先，对其进行精确建模非常困难。飞行过程中，它不但同时受到多种物理效应的作用，而且还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，很难获得准确的气动性能参数，难以建立有效、准确的动力学模型。其次，微小型四旋翼无人直升机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，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。再次，利用惯性测量单元信息，通过状态估计方法获得必要的状态反馈是实现自主飞行控制的一大工程难点。而我们所研制的系统对于精确建模有了进一步的提升，降低了非线性、强耦合和敏感度，在状态估计方法上做了进一步的改进，使我们的无人机设计在此领域中有了进一步的突破。 我们研制的无人机系统集合了原有飞行器的优点，实现了自主控制飞行，并且有重量轻、尺寸小、速度快、能耗低和成本低的优点。这样无论是将其应用在任何领域，都将克服其他国家同类产品价格昂贵的缺点。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品2009年4月通过鉴定,2009年6月获“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛省一等奖。
作品所处阶段
- 已作出实物模型，可以现场展示。
技术转让方式
- 独家转让。
作品可展示的形式
- 实物模型现场展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该四旋翼飞行器是自动控制，操作简单。非线性视觉模拟耦合自主飞行控制技术与体3D惯性制导原理的引入，提高了测量精度，并实现了双方式的自主悬停。因此，该小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境中执行监视、侦察等任务,具有广阔的军事和民用前景;与此同时,它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一 ;另外,新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式使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。 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，它的飞行控制、任务规划、GPS 导航、视觉和通信等子系统将会得到进一步完善,从而具备自主起降和全天候抗干扰稳定飞行的能力。 据了解，本产品在国内的军事、治安、交通等方面将会有很大的需求量。同时该产品能在节省成本的同时产生很大的经济利益，例如现在的小型无人机成品均来自国外，我们无人机的研制成功将给为我国飞机类产业开辟新的市场。 综上，该装置在国内外均具有广泛的适用性和推广价值。
同类课题研究水平概述
- 国内： 目前，北京航空航天大学、西北工业大学等学校都进行了相关研究，能够实现遥控短时间飞行。飞机的稳定性有待提高，相关的研究尚处在起步阶段。 国外： 佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的CAD 无人机系统GTMARS。它重20kg ,旋翼半径0.92m,续航时间30min。折叠封装的GTMARS 随四面体着陆器登陆火星后,能自动将机构展开;能自主起飞和降落,巡航速度可达72ｋｍ／ｈ;另外,它还能返回到着陆器补充能量(着陆器装载有太阳能电池) 。 美国斯坦福大学的Mesicoptet.它是一种厘米尺寸大小的微型直升机。其前期工作阶段主要是研究空气动力学特性、对旋翼翼型做优化设计、研究微型旋翼的加工方法、完成实验样机在一竿臂上的离地起飞。进一步工作是完成自主飞行和多个飞行器协助完成具体任务。该飞行器的四个螺旋桨分别由直径3mm，重325毫克的微电机驱动，每个螺旋桨直径为1.5cm，厚度仅0.88mm，机身为16×16mm的方形框架。 日本KEYENCE公司研制的ENGAGER ＧＳⅢＥ－７７０飞行器通过压电陀螺进行三轴控制，并允许自由倾斜，可以在无线遥控下飞行三分钟。该飞行器长５００ｍｍ，宽４００ｍｍ，高１２０ｍｍ，重３００ｇ，采用重约１２０ｇ，７．２Ｖ，５５０ｍａｈ的镍镉电池组。 国外在无人机项目的开发和研制的过程中，有许多设计采用了很高的成本，并且耗时很长，直接导致产品的使用价格过高，限制了产品推广和普及，随着全球经济的增长，四旋翼无人机的市场空间将更加广阔。然而，过大的成本和过高的使用费用，大大制约了该产品的大规模生产和广泛使用。 综上所述，目前国内此类研究尚处在起步阶段，市场的巨大需求空间与产品过高的设计开发成本之间的巨大反差，制约了此类产品的发展，因此，研制开发出成本更低，功能更完善的国人自己的四旋翼飞行器，势必会在社会中占据有利的竞争优势，同时带来巨大的经济效益和社会效益。
