计算机类科研课题推荐：MS面向平面迷宫的四旋翼自主导航系统

MS面向平面迷宫的四旋翼自主导航系统

项目分类：计算机科学｜人工智能｜数据科学

课题背景01Project Background

无人机是通过遥控或者执行预定程序实施飞行任务的不载人飞机。近年来，四旋翼无人机越来越受欢迎，从军事用途到民用，再到普通家庭。人们通常认为四旋翼无人机是带摄像头的飞行器，但实际上，它们还能携带各种设备，如多光谱相机、激光测距仪等，用于农业、物流等多个领域。

无人机分为民用和军用两大类。自 1917 年“凯特灵”空中鱼雷机问世以来，军用无人机一直在发展，如英国的“蜂王”和美国的“火蜂”。现代军用无人机如中国的“翼龙-II”和美国的 “MQ-9 死神”，用于侦察和干扰。相比之下， 民用无人机起步较晚，但已在水利、电力、城 市规划、林业和公安等领域得到广泛应用。四旋翼无人机的导航系统在整个无人机控制系统中至关重要。

本项目针对四旋翼无人机面对平面迷宫的情况，采用机器视觉与路径规划算法相结合的方式，使四旋翼无人机能够完成自主导航任务。导航系统的研发包括对可编程摄像头、无人机 上位机的开发以及对四旋翼无人机的飞行控制。该项目应用场景包括无人机控制、 机械工程、路径规划等。

项目目标02Project objective

（1）深入理解四旋翼的飞行控制方式原理

四旋翼飞行器通过调整四个电机的转速来控制飞行姿态和位置。具体来说：

• 垂直运动：增减电机的功率控制上升和下降。

• 俯仰和翻滚运动：改变相对电机的转速差，产生 力矩实现绕轴旋转。

• 偏航运动：改变对角电机转速，产生反扭矩。

• 水平运动：调整左右电机功率差，产生水平推力 实现前进或后退。

PID 控制算法是常用的方法，它通过比例 (P)、积分 (I)、微分 (D) 三个参数的调整来精确控制飞行器。此外，还有基于神经网络 PID 的控制算法，具有更强的自适应能力和抗干扰能力。

（2）掌握可编程摄像头的编程开发方式，以及机器视觉相关算法

编程摄像头通常涉及使用 API（应用程序编程接口）来控制摄像头的各种功能，如 调整分辨率、设置曝光或捕获图像。开发者可以通过编写代码来发送指令给摄像头硬件，实现特定的图像处理或视频流捕获任务。

（3）编程实现完成对无人机上位机的开发以及对四旋翼无人机的飞行控制

项目收获03Project harvest

本项目在数学、数据分析、编程和专业写作方面提供了多项技能提升

巩固学科知识点：数学-线性代数-矩阵计算

Floyd-Warshall 路径规划算法用于在加权图 中找到所有顶点对之间的最短路径。该算法 使用以下矩阵迭代更新距离矩阵D：

其中 D(k) 是第 k 步更新后的距离矩阵，D(k−1) 是前一步的距离矩阵，E (k) 是一个矩阵，其元素定义为：

操作符 ◦ 表示矩阵的逐元素乘法。

深度参与编程实践：使用专业编程语言实现图像数据处理

掌握 LaTex 写作：学习掌握国际通用的科技写作软件 LaTex

项目成果04Project achievements

项目成果丰富，包括实物、数据、论文、专利等，不仅能帮助挖掘兴趣特长、选择适合自己的专业，成果对申请国际名校还有加分作用。

□ 项目总结 □ 技术报告

□ 仿真代码 □ 小论文

□ 求解器 □ 实物模型

□ 协助发表相关论文、申请软件专利

学习计划05Project Background

历史学生案例06ExamplesF同学

成都石*国际部｜牛津大学机械工程专业

因为小学有参加过机器人竞赛的经历，而且也计划后期就读机械工程的方向。所以跟老师商议后，决定开展水下机器人水下机器人的科研项目对，这段经历不仅让我更直观的了解了工程学相关的知识，也可以说是我拿到牛津offer最直接的助力。

X同学

成都*德国际部｜德州农工大学

我进行科研项目不仅仅是因为物理ee要求学生进行自主实验，更因为我对我的项目（空气动力学）抱有极大的兴趣。

很早之前我就有过想要做飞行器简易研究的想法，但是苦于缺乏机会，而ee给了我一个完美的时机。在我做科研的过程中，学到新的物理学知识是必然的，然而我认为更重要的是动手能力。

因为我计划后期继续在工程方面发展，科研项目让我有机会自己动手设计，制作，组装和运行我的项目。