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畢業(yè)論文全稿范文 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目多旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)以及區(qū)域性無線定位技術(shù)的研究思路多旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)以及區(qū)域性無線定位技術(shù)的研究思路學(xué)院體育學(xué)院專業(yè)名稱體育教育班級(jí)學(xué)號(hào)12102130學(xué)生姓名杜旭指導(dǎo)教師劉彩惠班級(jí)學(xué)號(hào)12102130學(xué)生姓名杜旭指導(dǎo)教師劉彩惠二二O一六年六月南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。 除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。 對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。 本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名日期學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)南昌航空大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名日期導(dǎo)師簽名日期南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文I多旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)以及區(qū)域性無線定位技術(shù)的研究思路學(xué)生姓名杜旭班級(jí)121021指導(dǎo)老師劉彩惠摘要多旋翼飛行器近年來快速發(fā)展，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛。 如在地形勘探、巡航監(jiān)控、植物保護(hù)、拍攝電影等等方面，為人們的生活提供了方便，提高了一些行業(yè)的工作效率，創(chuàng)造了更多的社會(huì)價(jià)值。 在多旋翼飛行器自主飛行模塊的發(fā)展下，使得更多的普通民眾能夠接觸到這一領(lǐng)域。 然而，多旋翼飛行器的技術(shù)繁雜，飛行技術(shù)更是需要飛手摸索。 除了某些高校中開設(shè)了這門專業(yè)課以外，通過其它的渠道很難理解這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，社會(huì)中也缺少介紹這一領(lǐng)域的專門書籍，使得很多多旋翼飛行器愛好者在探索這一領(lǐng)域時(shí)走了不少彎路。 本文根據(jù)現(xiàn)有多旋翼飛行器的發(fā)展，介紹了其構(gòu)成的關(guān)鍵技術(shù)以及在特定條件下的飛行技術(shù)。 后又根據(jù)現(xiàn)有的定位自主飛行技術(shù)對(duì)于區(qū)域性無線定位技術(shù)做一前瞻性的分析。 發(fā)展航空模型飛行運(yùn)動(dòng)不僅能夠提高國(guó)民的綜合素質(zhì)，還能在一定程度上推動(dòng)航空模型制造以及飛行技術(shù)的發(fā)展。 但是大多數(shù)航模愛好者都只是單純的使用現(xiàn)有的成品模型飛行，并不能真正理解其知識(shí)原理。 在實(shí)際飛行的過程中，甚至不能解決一些簡(jiǎn)單的問題。 在探索飛行技術(shù)的道路上，不由得走了許多彎路，甚至炸機(jī)，造成許多不必要的損失。 由于專門性的科技雜志學(xué)術(shù)性太強(qiáng)，廣大模友無法理解。 這就使得簡(jiǎn)單通俗的闡述和解釋無人機(jī)模型的關(guān)鍵技術(shù)成為航空模型飛行運(yùn)動(dòng)得以推廣的第一件事；之后結(jié)合自身在實(shí)際飛行中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有自導(dǎo)飛行技術(shù)的定位精確度不足，對(duì)新興的無線區(qū)域定位系統(tǒng)進(jìn)行前瞻性探討。 隨著近年來模友數(shù)量不斷的增加，通俗解釋無人機(jī)關(guān)機(jī)技術(shù)有利于提高模友群體的知識(shí)水平，有利于飛手在實(shí)際飛行中對(duì)于復(fù)雜情況作出合理判斷，有利于推進(jìn)現(xiàn)有無人機(jī)的發(fā)展；淺析無人機(jī)區(qū)域定位系統(tǒng)有利于解決現(xiàn)有自導(dǎo)系統(tǒng)由于精度不足造成的損失。 拋磚引玉,推動(dòng)無線定位系統(tǒng)的發(fā)展。 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀無人機(jī)(Unmanned AerialVehicle或者Drone)是一種由無線電進(jìn)行遙控或者通過機(jī)身載有的程序自主控制操縱的無人駕駛飛行1。 近年來，多旋翼無人機(jī)（飛行器）(Multi-Rotor UAV)由于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件和相關(guān)配套硬件的突破性發(fā)展，以及機(jī)身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)造和維護(hù)成本低、支持定點(diǎn)懸停和垂直起降(Vertical TakeOff andLanding)的優(yōu)點(diǎn)，在旋翼無人機(jī)的研究和工程應(yīng)用中獲得了快速的發(fā)展2。 由于多旋翼無人機(jī)的旋翼數(shù)量和機(jī)身尺寸規(guī)格等參數(shù)的不同，多旋翼的構(gòu)型和應(yīng)用的場(chǎng)景也不盡相同，包括四旋翼3、六旋翼4、八旋翼無人機(jī)5等，多用于室外飛行任務(wù)中的軍事偵察、氣象觀測(cè)、航空拍攝、小型貨物運(yùn)輸、安防監(jiān)控以及低空測(cè)量標(biāo)定等場(chǎng)合，其中，在民用多旋翼無人機(jī)中，用于室外航拍6的相關(guān)產(chǎn)品在近年來在無人機(jī)市場(chǎng)中的份額有了大幅的提升，其中包括深圳大疆公司在內(nèi)的多家公司生產(chǎn)的多旋翼無人機(jī)航拍產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的盈利，其中尺寸較小的四旋翼飛行器還有很多在室內(nèi)環(huán)境下的應(yīng)用7，在室內(nèi)導(dǎo)航的南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的自主飛行，路徑規(guī)劃89和三維地圖構(gòu)建10，可用于建筑環(huán)境內(nèi)部的災(zāi)難搜救，動(dòng)態(tài)監(jiān)控，安防巡視等用途。 隨著多旋翼無人機(jī)的微型化，它的飛行空間已經(jīng)擴(kuò)大到叢林、城市甚至建筑物內(nèi)。 然而在這些復(fù)雜環(huán)境中，通常存在著噪聲干擾、信號(hào)遮擋等問題，導(dǎo)致全球定位系統(tǒng)（GPS）的信號(hào)十分不穩(wěn)定。 所以無法得到多旋翼無人機(jī)準(zhǔn)確的位姿參數(shù)，這就為無人機(jī)的自主導(dǎo)航控制帶來了很大難題。 因此，如何利用視覺系統(tǒng)或機(jī)載傳感器（如激光雷達(dá)、攝像頭或光流傳感器等）對(duì)多旋翼無人機(jī)進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下的定位已經(jīng)逐漸成為各國(guó)的研究重點(diǎn)。 迄今為止，歐美各國(guó)及我國(guó)都已經(jīng)對(duì)此開展了研究并取得了一定的進(jìn)展，其中包括日本千葉大學(xué)1112、美國(guó)猶他州立大學(xué)13、賓夕法尼亞大學(xué)14、紐約市立大學(xué)1516、康奈爾大學(xué)17、麻省理工學(xué)院1819、德國(guó)弗萊堡大學(xué)2021、航空航天中心22等。 目前對(duì)小型多旋翼無人機(jī)的室外定位主要使用全球定位系統(tǒng)（GPS），室內(nèi)主要采用多模塊配合定位的自主飛行系統(tǒng)。 全球定位系統(tǒng)（GPS）的民用精度只能精確到3米范圍，軍用級(jí)別GPS雖然精度更高，但是使用費(fèi)用相當(dāng)高昂，并且有著諸多限制。 大多數(shù)小型多旋翼無人機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)度不超過1米，若使用民用級(jí)別的全球定位系統(tǒng)（GPS），定位精度已經(jīng)無法應(yīng)付復(fù)雜環(huán)境下的定位。 若使用多模塊配合定位的自主飛行系統(tǒng)，定位的范圍僅運(yùn)用于室內(nèi)或者很小的范圍。 而本課題探究的這種區(qū)域定位系統(tǒng)是近年來新興的一種定位系統(tǒng)，使用現(xiàn)有的無線發(fā)射基站以及各電信運(yùn)營(yíng)商的無線發(fā)射塔、無線WiFi、藍(lán)牙模塊進(jìn)行極高精度的定位。 使用此系統(tǒng)的無人機(jī)在無線信號(hào)覆蓋的城市、山地、鄉(xiāng)村環(huán)境下可以進(jìn)行自主飛行或者固定路線飛行。 可運(yùn)用于城市3D地圖測(cè)繪，區(qū)域范圍山地地形勘探，考古墓穴探測(cè)，區(qū)域性無人機(jī)監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。 這種高精度低成本且定位范圍廣的區(qū)域定位系統(tǒng)亟待研究。 因此解釋，分析此類定位技術(shù)在于為新的多旋翼無人機(jī)定位系統(tǒng)做出假設(shè)，拋磚引玉。 3通俗解釋多旋翼飛行器構(gòu)成模塊的關(guān)鍵技術(shù)3.1多旋翼飛行器的核心構(gòu)成多旋翼飛行器是由硬件和軟件兩部分來構(gòu)成的，起初，硬件部分的組成就只有機(jī)架、嵌入式計(jì)算機(jī)和底層控制芯片、電調(diào)、電池和電機(jī)。 最初的多旋翼飛行器也是難以控制的，飛手需要自行練習(xí)很長(zhǎng)的時(shí)間才能使其穩(wěn)定飛行。 而且這種多旋翼飛行器并不具備復(fù)雜飛行的條件。 甚至吹一陣風(fēng)就能報(bào)廢一架多旋翼。 但南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文3是最初的多旋翼是具有時(shí)代意義的，后人在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和發(fā)展的新模塊使得無人機(jī)得以進(jìn)化，發(fā)展到現(xiàn)有水平。 3.1.1機(jī)架機(jī)架也就是無人機(jī)的主體部分，根據(jù)機(jī)臂的數(shù)量不同，從三軸到十八軸不等，還有組合軸型（比如四軸八旋翼。 前段時(shí)間外國(guó)研究出了雙軸多旋翼，但是需要很嚴(yán)格的放飛方式）無人機(jī)的所有機(jī)載設(shè)備全都安裝在機(jī)架上。 一般喜歡將機(jī)架的前后使用不同的顏色進(jìn)行噴涂，這樣有利于控制飛行姿態(tài)。 由于強(qiáng)度和重量的考慮，大部分機(jī)架采用碳纖維材質(zhì)（少部分使用合成高分子材料（也就是屬性不同的塑料）。 3.1.2嵌入式計(jì)算機(jī)模塊嵌入式計(jì)算機(jī)模塊是一架多旋翼飛行器的核心，它不僅使各個(gè)模塊可以分工協(xié)作，還提供了強(qiáng)大的飛行算法。 （作為非研究人員此處并不深究）簡(jiǎn)言之，它就像是多旋翼飛行器的大腦。 通過處理不同模塊給它反饋的數(shù)據(jù)，調(diào)整多旋翼的飛行姿態(tài)和飛行模式。 3.1.3底層控制芯片底層控制芯片是對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)的一種輔助，如果將嵌入式計(jì)算機(jī)模塊比喻成大腦，那么底層控制芯片類似于腦干，來控制各個(gè)模塊不同的分工，最后將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一交給嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行分工處理。 3.2多旋翼飛行器的可選拓展模塊隨著多旋翼飛行器的興起，許許多多的拓展模塊開始出現(xiàn)，拓展模塊是為了幫助飛手更好的操控多旋翼無人機(jī)。 例如電子陀螺儀、加速度計(jì)、電路控制體統(tǒng)等（統(tǒng)稱為飛控（飛行控制模塊）近些年，由于自主化飛行精度要求，又出現(xiàn)了許多高端自主飛行模塊。 例如GPS接收器、聲吶傳感器、激光雷達(dá)傳感器。 使用多旋翼飛行器總有一些具體的任務(wù)（當(dāng)前的多旋翼主要用于與圖像傳輸有關(guān)的任務(wù)），所以，很多多旋翼無人機(jī)還帶有數(shù)據(jù)傳輸模塊。 3.2.1飛控模塊飛行控制模塊包括了所有對(duì)多旋翼飛行有所幫助的輔助模塊，（這里只討論部分常用和普及的模塊，對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究級(jí)別的高端數(shù)據(jù)模塊不做研究）。 陀螺儀最早的機(jī)械陀螺儀用于航海，后用于飛機(jī)，但是機(jī)械陀螺儀太大并且十分笨重。 發(fā)展到現(xiàn)代，出現(xiàn)了電子陀螺儀。 陀螺儀只測(cè)試旋轉(zhuǎn)角速度，它對(duì)加速度十分敏感。 對(duì)于多旋翼飛行器來說，陀螺儀是保證平穩(wěn)飛行的關(guān)鍵。 加速度計(jì)用于測(cè)量飛行器不同軸的加速度和重力（飛行器一般都有三個(gè)軸向，分別是水平、南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4俯仰、滾轉(zhuǎn)），在多旋翼飛行器突然轉(zhuǎn)向或者升降時(shí)，它可以使飛行器更加安全平穩(wěn)的作出相對(duì)應(yīng)的一系列變化。 電路控制系統(tǒng)這里得介紹一個(gè)對(duì)于電子多旋翼飛行器十分重要的模塊電調(diào)。 （也稱電子調(diào)速器）它將飛控系統(tǒng)做發(fā)出的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)大小，從而控制多旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。 同時(shí)，電調(diào)還承擔(dān)了電壓變化器的功能（所有電機(jī)同時(shí)工作需要的電流大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛控所使用的），使得飛控和電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 3.2.2自主飛行模塊談及這個(gè)模塊，首先就是GPS接收模塊。 GPS系統(tǒng)是一個(gè)全球覆蓋率高達(dá)98%的系統(tǒng)。 美國(guó)耗資300億耗時(shí)20多年完成此系統(tǒng)。 可靠性很高，應(yīng)用范圍也很廣泛。 GPS模塊能測(cè)出無人機(jī)當(dāng)前的經(jīng)緯度、海拔高度、對(duì)地速度等信息，一般還會(huì)包含地磁羅盤，用于測(cè)定航向。 多旋翼無人機(jī)搭載此模塊就是為了更好地自主飛行。 通過GPS的精準(zhǔn)定位（其實(shí)用于多旋翼無人機(jī)而言任然不夠，第四章會(huì)提到）可以相對(duì)準(zhǔn)確的飛行。 聲吶傳感器其實(shí)多旋翼飛行器應(yīng)用聲吶傳感器是為了配合修正其它模塊由于電磁干擾或者震動(dòng)所帶來的定位精度缺失。 主要是對(duì)升降時(shí)的對(duì)地距離修正。 使無人機(jī)不至于因?yàn)槭?zhǔn)而重力降落。 激光雷達(dá)傳感器搭載激光雷達(dá)傳感器主要用于避障，通過激光不停地返回當(dāng)前飛行器所處環(huán)境周邊的信息，從而進(jìn)行調(diào)整，避免裝上障礙物（新興技術(shù)）。 3.2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊數(shù)據(jù)傳出模塊是多旋翼飛行器多見的模塊之一，現(xiàn)有的多旋翼飛行器多用于拍攝，所以機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸模塊很常見。 一般而言都是機(jī)載云臺(tái)，配備一個(gè)高清的攝像機(jī)（相機(jī)）然后以短波的形式傳送回地面PC站（或者手機(jī)和平板電腦，大疆公司的精靈系列就是將數(shù)據(jù)傳輸回ipad或者iPhone），在研發(fā)當(dāng)中，還以傳送飛行日志，也就是各個(gè)部件之間工作的數(shù)據(jù)，以便于修改和完善多旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)4多旋翼飛行器在不同環(huán)境下的飛行技術(shù)多旋翼無人機(jī)是通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變分布在機(jī)體周圍多個(gè)旋槳的轉(zhuǎn)速來提供升力的一種無人機(jī)。 （以四旋翼為例）四旋翼無人機(jī)的飛行原理可以簡(jiǎn)單概括如下: (1)當(dāng)同時(shí)增加或減小四個(gè)旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，無人機(jī)可產(chǎn)生向上或者向下的升力，從而實(shí)現(xiàn)垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，如圖1-1(a); (2)當(dāng)保持旋槳2和4轉(zhuǎn)速不變時(shí)，增加旋槳3轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低旋槳4轉(zhuǎn)速，無人機(jī)可產(chǎn)生繞Y方向的正力矩，使機(jī)體實(shí)現(xiàn)向前的傾斜運(yùn)動(dòng)。 反之則產(chǎn)生向后的傾斜運(yùn)動(dòng)，如圖1-1(b); (3)南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文5在保持旋槳1和3轉(zhuǎn)速不變的情況下，增加旋槳2轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低旋槳4轉(zhuǎn)速，無人機(jī)可產(chǎn)生繞x方向的正力矩，使機(jī)體實(shí)現(xiàn)向左的傾斜運(yùn)動(dòng)，反之則產(chǎn)生向右的傾斜運(yùn)動(dòng)，如圖1-1（c）; (4)當(dāng)?shù)攘吭黾有龢?和旋槳3的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量降低旋槳2和旋槳4的轉(zhuǎn)速時(shí)，無人機(jī)可產(chǎn)生逆時(shí)針的反力矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，反之則會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1-1（d）（圖1-1）其實(shí)通俗的講，在練習(xí)四旋翼飛行時(shí)，應(yīng)該讓其一個(gè)旋翼固定朝向飛手自己，這樣就可以在開始學(xué)習(xí)飛行時(shí)，靈活的操控。 這種練習(xí)飛行的方式叫做對(duì)頭練習(xí)。 如圖（1-1），a是垂直起降，b是朝著箭頭標(biāo)注的方向前進(jìn)，c和b相同，d是在水平方向做橫轉(zhuǎn)。 在對(duì)西安市的部分模友的走訪中，發(fā)現(xiàn)他們大多數(shù)的問題飛行技術(shù)，部分模友甚至沒有經(jīng)過培訓(xùn)或者練習(xí)，買了成品機(jī)型就直接開始飛行，然后才在實(shí)際的飛行中獲得經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。 這種方法是極其不可取的，不僅風(fēng)險(xiǎn)很大，而且容易對(duì)他人造成傷害。 于是我和幾位模友在實(shí)際的飛行訓(xùn)練中，通過不斷的飛行以及經(jīng)驗(yàn)的累計(jì)，設(shè)計(jì)出了一些十分具有借鑒價(jià)值的飛行實(shí)驗(yàn)，下面是對(duì)于這些經(jīng)驗(yàn)的部分總結(jié)。 4.1城市環(huán)境飛行4.1城市環(huán)境飛行隨著航空模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，越來越多的普通人開始加入這個(gè)行列，而且大部分的模友也都城市，很多模友節(jié)假日會(huì)在江邊、學(xué)校操場(chǎng)、大型公園里飛自己的多旋翼飛行器（多見為四軸）。 但是在實(shí)際飛行中，并不是所有的模友都能規(guī)避一些的潛在危險(xiǎn)，在這種因素下，我們開始了一些實(shí)驗(yàn)。 4.1.1開闊廣場(chǎng)環(huán)境飛行南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文6實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景城市中較為適合飛行的場(chǎng)所就是比較開闊的廣場(chǎng)，模型飛行時(shí)一定要盡可能的選擇這種場(chǎng)地。 不僅能來得及反應(yīng)，還可以避免傷及他人。 但是城市開闊廣場(chǎng)飛行也有潛在風(fēng)險(xiǎn)。 城市中影響多旋翼無人機(jī)飛行的因素?zé)o外乎電磁干擾和城市亂流。 由于無人機(jī)自主避障功能的研發(fā)，即使控制信號(hào)被干擾，只要無人機(jī)在視距內(nèi)，自動(dòng)避障功能就能將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。 但是城市亂流還是存在，突然的強(qiáng)風(fēng)可能讓無人機(jī)離開你的視線范圍，城市中障礙物又多，就可能出現(xiàn)飛丟的可能。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試城市亂流對(duì)多旋翼飛行器的影響。 實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)突然出現(xiàn)的城市亂流會(huì)強(qiáng)烈影響多旋翼飛行器的飛行軌跡。 實(shí)驗(yàn)工具和器材實(shí)驗(yàn)工具和器材大疆PHANTOM3（PROFESSIONAl）、秒表、風(fēng)速計(jì)。 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)以公園內(nèi)地面風(fēng)速為0m/s的一點(diǎn)為起點(diǎn)，在同一直線上，每間隔30m左右，做一次高度60m的勻速爬升，記錄各個(gè)點(diǎn)需要爬升的時(shí)間和最終偏移的位置，得出數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄和處理表1城市開闊廣場(chǎng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)表對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組1實(shí)驗(yàn)組2實(shí)驗(yàn)組3實(shí)驗(yàn)組4實(shí)驗(yàn)組5實(shí)驗(yàn)組6實(shí)驗(yàn)組7實(shí)驗(yàn)組8實(shí)驗(yàn)組9實(shí)驗(yàn)組10地面風(fēng)速(m/s)00.30.61.21.511.8001.30.6爬升速率4.85.33.64.94.55.885.354.546.255.947.22爬升高度60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m所用時(shí)間12.5s11.3s16.3s12.1s13.2s10.2s11.2s13.2s9.6s10.1s8.3偏移距離4.6m5m16m20m26m12m6m14m5.2m14m22m(注這里風(fēng)速取各個(gè)方向風(fēng)速的絕對(duì)值)實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在爬升高度相同，勻速爬升的情況下，城市環(huán)境的亂流仍然會(huì)很大程度的影響多旋翼飛行器的飛行狀態(tài)，特別是靠近城市高層建筑和街道口的地方，可能會(huì)突然出現(xiàn)強(qiáng)烈的橫向風(fēng)或者上升氣流或下降氣流。 都會(huì)對(duì)城市飛行產(chǎn)生一定的影響，所以建議在城市中飛行時(shí)，時(shí)刻保持飛行器的飛行高度，以防在出現(xiàn)意外時(shí)能夠及時(shí)補(bǔ)救。 4.1.2街道環(huán)境飛行4.1.2街道環(huán)境飛行南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文7實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景城市街道環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)于多旋翼飛行器的飛行來說，是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，我們也不建議初學(xué)者在這種環(huán)境里飛行。 在大疆公司推出了大疆PHANTOM4之后，似乎在這種環(huán)境飛行也不是什么難事（大疆PHANTOM4配備了基于視覺的自動(dòng)避障模塊）。 由于某些飛行任務(wù)的需要（跟拍，定點(diǎn)巡航），仍然需要在這種環(huán)境下飛行，于是在現(xiàn)有條件下，我們?cè)谝粭l較為寬闊的街道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試城市街道中亂流對(duì)多旋翼飛行器的影響。 實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)街道中不穩(wěn)定的亂流會(huì)使多旋翼飛行器難以控制。 實(shí)驗(yàn)工具和器材實(shí)驗(yàn)工具和器材大疆PHANTOM 4、秒表、風(fēng)速計(jì)。 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)選擇一條兩端有十字路口的寬闊大街，從街道的一頭開始，使用具有自動(dòng)避障功能的多旋翼飛行器進(jìn)行勻速30m高度的爬升。 之后在街道中，隨機(jī)選取障礙物較少的點(diǎn)，做爬升實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄和處理表2街道飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組1實(shí)驗(yàn)組2實(shí)驗(yàn)組3實(shí)驗(yàn)組4實(shí)驗(yàn)組5實(shí)驗(yàn)組6實(shí)驗(yàn)組7實(shí)驗(yàn)組8實(shí)驗(yàn)組9實(shí)驗(yàn)組10風(fēng)速00.30.600.10.30.6000.40.5爬升速率4.854.547.144.54.484.414.844.624.844.92爬升高度30m30m30m30m30m30m30m30m30m30m30m所用時(shí)間6.2s6.0s6.6s4.2s6.3s6.7s6.8s6.2s6.5s6.2s6.1s偏移距離2.2m3.4m1.2m1.6m1.4m2.6m1.2m1.4m6m2.4m3.6m(注這里風(fēng)速取各個(gè)方向風(fēng)速的絕對(duì)值)實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在城市街道環(huán)境飛行時(shí)，來往車輛會(huì)引起氣流的方向突然發(fā)生變化。 車輛駛來時(shí)氣流會(huì)突然抬升，致使飛行器隨氣流突然抬升，當(dāng)車輛駛離時(shí)，強(qiáng)烈的下降流會(huì)牽引飛行器下降并朝著車輛行駛方向飛行，當(dāng)多輛車輛混合行進(jìn)時(shí)，氣流變化十分復(fù)雜，在很大程度上影響飛行器飛行的穩(wěn)定性，飛手應(yīng)該盡量避免在此種環(huán)境下飛行，或者配備有自動(dòng)避障功能的飛行器。 4.2鄉(xiāng)村環(huán)境飛行南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文8多旋翼飛行器應(yīng)用的領(lǐng)域多種多樣，植物保護(hù)就是其中一種。 這中飛行任務(wù)的產(chǎn)生需要飛手去鄉(xiāng)村進(jìn)行飛行，鄉(xiāng)村相對(duì)于城市來說，飛行場(chǎng)地更為開闊，而且干擾也并沒有城市中那么多。 相對(duì)來說比較輕松。 但是在不同的地形飛行，仍然存在飛行風(fēng)險(xiǎn)，我們就這幾種較為特殊的地形，進(jìn)行了幾種針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)。 4.2.1山谷地形飛行實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景多旋翼飛行器在商業(yè)拍攝領(lǐng)域的使用，使其在復(fù)雜地形拍攝成為必要。 山谷就是其中一種。 不管是景區(qū)宣傳片，還是電影取景制作。 山谷谷間飛行的穩(wěn)定性尤為重要，對(duì)此，我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試影響山谷間多旋翼飛行的主要因素。 實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)山谷間出現(xiàn)的上升和下降氣流會(huì)使飛行器飛行不穩(wěn)定，出現(xiàn)的谷風(fēng)會(huì)使得飛行器的航向偏移。 實(shí)驗(yàn)工具和器材實(shí)驗(yàn)工具和器材大疆PHANTOM3（PROFESSIONAl）、秒表、風(fēng)速計(jì)。 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在一山谷的入口，做勻速60m的爬升，之后做勻速的200m直線運(yùn)動(dòng)，收集爬升所用的時(shí)間、勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、風(fēng)速、航向偏移的距離。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄和處理表3山谷地形飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組1實(shí)驗(yàn)組2實(shí)驗(yàn)組3實(shí)驗(yàn)組4實(shí)驗(yàn)組5實(shí)驗(yàn)組6實(shí)驗(yàn)組7實(shí)驗(yàn)組8實(shí)驗(yàn)組9實(shí)驗(yàn)組10風(fēng)速(m/s)012.30.41.63.21.20.61.52.61.2爬升速率6.255.945.3655.886.256.96.255.775.365.66爬升高度60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m爬升時(shí)間9.6s10.1s11.2s12s10.2s9.6s8.79.610.411.210.6爬升偏移距離06m3.6m4m2.3m12m3m4.5m0.6m5.3m2m運(yùn)行距離200m200m200m200m200m200m200m200m200m200m200m運(yùn)行時(shí)間20.1s19.6s17.6s18.3s22.4s19.4s17.6s18.3s19.2s21.3s20.1s(注這里風(fēng)速取各個(gè)方向風(fēng)速的絕對(duì)值)實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論白天由于谷風(fēng)的影響，多旋翼飛行器爬升速度受到上升氣南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文9流的抬升，爬升速率較快；進(jìn)出山口的風(fēng)力受到山峰阻擋，可能突然加大，橫向風(fēng)風(fēng)向不定，飛行時(shí)應(yīng)當(dāng)注意抬升過快以及橫向風(fēng)方向突變等問題，避免造成抬升過度，飛丟飛行器，以及橫向風(fēng)影響飛行器飛行軌跡。 4.2.2平原地形飛行實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景平原地形飛行是鄉(xiāng)間最為普遍的飛行了，不管是農(nóng)田作業(yè)，還是植物保護(hù)，平原空曠的環(huán)境也會(huì)使得飛行更為輕松，但是，快速的平原風(fēng)和開闊地所造成的眩暈效果，使得飛行仍然存在隱患。 對(duì)此，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試強(qiáng)力的側(cè)向風(fēng)對(duì)飛行器的具體影響，以及產(chǎn)生空曠眩暈的因素。 實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)側(cè)向風(fēng)使得無人機(jī)平原做業(yè)偏移距離，農(nóng)藥噴灑不精確。 實(shí)驗(yàn)工具和器材實(shí)驗(yàn)工具和器材大疆PHANTOM3（PROFESSIONAl）、秒表、風(fēng)速計(jì)。 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)選擇一塊較大的農(nóng)田，做往返運(yùn)動(dòng)（模擬正常的田間作業(yè)）以不使用風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)力測(cè)試裝置的實(shí)驗(yàn)組為對(duì)照組，用相同的飛行方式，分別測(cè)試使用風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)力測(cè)試裝置不同組下的飛行狀態(tài)，主要收集航向偏移數(shù)據(jù)。 選擇區(qū)域較大的農(nóng)場(chǎng)，進(jìn)行長(zhǎng)距離的往返飛行，記錄產(chǎn)生眩暈的時(shí)間和因素。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄和處理表4平原地形飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組1實(shí)驗(yàn)組2實(shí)驗(yàn)組3實(shí)驗(yàn)組4實(shí)驗(yàn)組5實(shí)驗(yàn)組6實(shí)驗(yàn)組7實(shí)驗(yàn)組8實(shí)驗(yàn)組9實(shí)驗(yàn)組10風(fēng)速(m/s)1.23.21.122.33.21.62.43.21.62.2運(yùn)行距離35m35m35m35m35m35m35m35m35m35m35m運(yùn)行時(shí)間60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m偏移距離4.1m6m3.1m2.3m4m6.3m2m2.3m5.7m2.2m4.2m(注這里風(fēng)速取各個(gè)方向風(fēng)速的絕對(duì)值)實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論平原地形是無人機(jī)飛行最為理想的環(huán)境，空曠、視野開闊、南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文10干擾較少，在練習(xí)飛行的時(shí)候，一般也會(huì)選取這種地形。 這種地形主要需要注意的問題就是強(qiáng)力的橫向風(fēng)和空曠眩暈。 突然出現(xiàn)的橫向風(fēng)讓飛手猝不及防，無人機(jī)會(huì)偏離預(yù)定的飛行航線，需要飛手進(jìn)行修正。 飛行時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生空曠眩暈。 當(dāng)然，空曠眩暈的產(chǎn)生有多種因素，比如強(qiáng)烈的陽光照射、多旋翼飛行器的運(yùn)行速度、飛手的狀態(tài)等等。 4.2.3丘陵地形飛行4.2.3丘陵地形飛行實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景鄉(xiāng)間最常見的地形就是丘陵地形，當(dāng)然，大型的農(nóng)場(chǎng)一般建在平原，丘陵地形果園居多。 這類地形飛行與山谷和平原都不同，我們就這種特殊地形，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試丘陵地形影響飛行的因素。 實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)影響丘陵地帶飛行器飛行的因素不僅存在上升下降流還有側(cè)向風(fēng)。 實(shí)驗(yàn)工具和器材實(shí)驗(yàn)工具和器材大疆PHANTOM3（PROFESSIONAl）、秒表、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)。 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)選擇建于丘陵地帶的果園，分別在園內(nèi)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)進(jìn)行多組60m勻速爬升測(cè)試，記錄時(shí)間、風(fēng)速、航向偏移距離。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄和處理表5丘陵地形飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（區(qū)域高點(diǎn)）對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組1實(shí)驗(yàn)組2實(shí)驗(yàn)組3實(shí)驗(yàn)組4實(shí)驗(yàn)組5實(shí)驗(yàn)組6實(shí)驗(yàn)組7實(shí)驗(yàn)組8實(shí)驗(yàn)組9實(shí)驗(yàn)組10風(fēng)速(m/s)01.61.41.32.11.61.41.81.71.30.8爬升速率55.665.945.366.255.885.775.885.945.885.88爬升高度60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m所用時(shí)間12s10.6s10.1s11.29.610.210.410.210.110.210.2偏移距離0m4m4.6m4.2m6m4.6m3.6m4.2m5.1m4.1m3.8m表6丘陵地形飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（區(qū)域低點(diǎn)）對(duì)照實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文11組組1組2組3組4組5組6組7組8組910風(fēng)速(m/s)00.81.20.60.400.60.71.11.40.9爬升速率54.414.294.764.553.854.883.94.584.234.92爬升高度60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m60m所用時(shí)間12s13.6s14s12.6s13.2s15.6s12.3s15.4s13.1s14.2s12.2s偏移距離0m1.2m1.4m2.6m2.2m1.3m2.1m2.1m0.6m1.4m1.5m實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論丘陵地形飛行時(shí)分為兩種，一種是在高點(diǎn)，一種是在谷中。 在高點(diǎn)飛行時(shí)，由于高點(diǎn)受橫向風(fēng)和上升氣流影響，爬升效率非常高，橫向風(fēng)使飛行器難以控制，飛手得提前觀察環(huán)境并且提前預(yù)判作出提前量的抗風(fēng)飛行措施。 在谷中飛行時(shí)，受到的橫向風(fēng)變小，但是下降氣流容易使得飛行器撞到環(huán)境中的障礙物，建議安裝有聲吶模塊的多旋翼飛行器飛行。 5區(qū)域無線定位系統(tǒng)多旋翼飛行器現(xiàn)有的自主飛行定位系統(tǒng)是以GPS為主導(dǎo)，其它模塊為輔助的一種定位系統(tǒng)。 GPS定位技術(shù)發(fā)展成熟，但是仍然存在由于信號(hào)干擾而產(chǎn)生的定位精度不足，于是就有了其它輔助模塊輔助飛行（例如聲吶、激光雷達(dá)等等）在實(shí)際的城市或者復(fù)雜地形飛行時(shí)，暴露出了一系列問題。 在實(shí)際的飛行中，我和我的伙伴們也遇到了不少關(guān)于定位不足而產(chǎn)生的問題，比如由于精度缺失，多旋翼飛行器在橫穿狹窄空間時(shí)，需要飛手手動(dòng)校準(zhǔn)，但是某些特殊的地形飛手不能近距離操縱（在上面的街道飛行實(shí)驗(yàn)時(shí)，就有遇到穿越樹冠從，而飛手看不見飛行器的問題），自主飛行的GPS模塊又不能正常工作，就使得很多本來多旋翼飛行器能夠應(yīng)用的場(chǎng)合無法發(fā)揮出它應(yīng)有的作用。 就多旋翼飛行器在我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)展水平而言，多數(shù)是應(yīng)用于室外寬闊的簡(jiǎn)單地形。 然而多旋翼飛行器十分靈活，完全能夠勝任復(fù)雜空間的復(fù)雜飛行任務(wù)。 多旋翼飛行器的飛行之所以被限制，就是現(xiàn)有的定位技術(shù)已經(jīng)無法滿足如此之高的定位精度。 區(qū)域無線定位系統(tǒng)是多旋翼飛行器在一定區(qū)域內(nèi)高精度自主飛行的關(guān)鍵技術(shù)。 它和傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)相比有著定位精度高、定位速度快、信號(hào)頻率不易受干擾等優(yōu)勢(shì)。 但是由于現(xiàn)有的多旋翼飛行器制造商過于依賴GPS定位系統(tǒng)，使得此南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文12種技術(shù)沒有得到充分的發(fā)展，尤其是在我國(guó)，這一技術(shù)基本處于空白狀態(tài)。 當(dāng)前GPS定位技術(shù)的民用精度在理想情況下才能到3m，（注這是在我國(guó)能夠使用的精度。 軍用級(jí)別0.3m）而現(xiàn)有的多旋翼大部分的機(jī)架長(zhǎng)度都大于0.3m，所以使用GPS模塊的飛行器大部分都使用了其它模塊輔助，并且有飛手實(shí)時(shí)觀測(cè)，才能做到低風(fēng)險(xiǎn)的自主飛行。 對(duì)于城市中高密度的建筑和大量的電測(cè)干擾，基于GPS模塊的多旋翼飛行器飛行就需要飛手實(shí)時(shí)注意掌控，讓飛行器自主飛行很難做到。 若配合多模塊避障，成本又會(huì)很高。 多旋翼飛行器無法安全用于城市，這與它的設(shè)計(jì)初衷不相符合。 這就需要發(fā)展區(qū)域無線定位系統(tǒng)。 區(qū)域無線定位是聯(lián)合地面基站、WiFi、藍(lán)牙等無線發(fā)射終端所建立的一種適用于區(qū)域的定位技術(shù)。 可以在城市建立這種定位網(wǎng)，然后飛行器搭載所對(duì)應(yīng)的接收器，就能高精度的自主飛行。 （定位精度可以到1厘米）并且可以盡量少的搭載其它輔助飛行模塊。 這種系統(tǒng)建立之后，可以適配所有的飛行器進(jìn)行自主飛行。 這樣一來，多旋翼飛行器的優(yōu)勢(shì)就能夠充分發(fā)揮。 隨著多旋翼飛行器的發(fā)展，進(jìn)行城市飛行的需求會(huì)越來越大，過分依賴GPS模塊不僅不利于多選于飛行器區(qū)域無線定位系統(tǒng)的發(fā)展，還讓國(guó)內(nèi)的多旋翼飛行器與國(guó)外的定位技術(shù)高度耦合，這無疑也是不利于國(guó)內(nèi)多旋翼飛行器的發(fā)展。 本文希望能夠拋磚引玉，讓更多的飛行器愛好者能夠重視這種技術(shù)，從而推動(dòng)區(qū)域無線定位技術(shù)的發(fā)展。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文13參考文獻(xiàn)1秦博，王蕾.無人機(jī)發(fā)展綜述J.飛航導(dǎo)彈.xx (8):4-10.2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J.電光與控制.xx,17 (10):46-52.3Bouabdallah S,Noth A,Siegwart R.PID vsLQ controltechniques appliedto anindoor microquadrotorC.IEEE,xx.2451-2456.4Baranek R,Solc F.Modelling andcontrol ofa hexa-copterC.IEEE,xx.19一23.5Er MJ,Yuan S,Wang N.Development controland navigationof OctocopterZ.IEEE,xx.1639-1643.6減克，孫永華，李京，等.微型無人機(jī)遙感系統(tǒng)在汶川地震中的應(yīng)J.自然災(zāi)害學(xué)報(bào).xx,19 (3):162-166.7Weiss S,Scaramuzza D,Siegwart R.Monocular一SLAM一based navigationfor autonomousmicro helicoptersin GPS一denied environmentsJ.Journal ofField Robotics.xx.28 (6):854-874.8He R,Prentice S,Roy N.Planning ininformation spacefor aquadrotor helicopterin aGPS-denied environmentC.IEEE,xx.9Hoffmann GM,Waslander SL,Tomlin CJ.Quadrotor helicoptertrajectory trackingcontrolC.xx.1一1410Davison AJ,Cid YG,Kita N.Real-time3D SLAMwith wide-angle visionC.xx.11Farid K.Optic Flow-Based VisionSystem 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