多旋翼自主飞行器设计-大学生电子设计大赛论文.doc

1、 0 2015 年全国大学生电子设计竞赛 （江苏赛区 TI 杯） 题目 : _ 多 旋翼自主飞行器 题目编号： （ C 题） 参赛队编号： NJ015 参赛队学校： 东南大学 参赛队学生： 朱诚诚、方龙宇、王沁 二一五年八 月 1 多 旋翼自主飞行器 （ C 题） 摘要 四旋翼飞行器是一种采用了固连在刚性十字架交叉结构上的 4 个电机驱动的一种飞行器。该飞行器以 Stm32f103ZE单片机为飞控板作为控制核心，工作频率高达 72MHz，运算速度快，系统功耗低 。 飞控板 通过 采用 MPU-6050 整合 的 3 轴陀螺仪、 3 轴加速器，以及地磁传感器等控制飞行器飞行姿态。同时使用 RL7

2、8/G13 MCU 板控制 US-100 超声波 ，进行 测距 ，实现对四旋翼飞行器飞行高度的准确控制；并控制 OV2640 摄像头 ，采集图像数据， 实现了 四旋翼飞行器沿黑线循迹 ，在规定区域起降、悬停 等功能 。 所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。 电子示高装置使用激光收发器件，设计电路，实现题目要求。 一、系统方案设计方案主要内容 1、 设计方案工作原理 本 四旋翼 系统主要由电源模块、 姿态传感器模块、循迹 航拍模块、测距定高 模块 组成，拾物模 块构成。 下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 电源模块 的论证与选择 方案一： 采用 线性元器件 LM7805 三端稳压器

3、构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率低，容易发热。 方案二： 采用 元器件 LM2596 为开关稳压芯片，效率高，输出的纹波大，不容易发热。 方案 三 ： 采用线性元器件 LM2940 构成稳压电路， 为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率高，不容易发热，综合性能高。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.2 姿态传感器模块的论证 设计中选用加速度和角速度两种传感器 来进行姿态测量，用加速度的测量数据来互补角速度传感器测量的不足；设计中采用 6 轴运动处理组件 MPU-6050，其特点： (a) 免除了组合陀螺仪与加速计时存在的轴差问题，减少了大量的包装空间。 (b) MPU

4、-6050 整合了 3 轴角速度和 2 轴加速度传感器，并含可用第二个 IIC 端口连接其他厂牌的磁力传感器或其他传感器的数位运动处理 (DMP)硬件加速引擎，由主 IIC 接口以单一数据流的形式向应用提供输出完整的 9 轴融合演算技术。 MPU-6050 被广泛应用于运动感测游戏、光学稳像、行人导航器 等设计研究中，且具备可观的市场前景，其器件特征如下： (a) 内部 3 轴角速度传感器具有 250、 500、 1000 与 2000( /s)全格测量范围； 3 轴加速度量程可程序控制，控制范围为 2g、 4g、 8g 和 16g。 (b) 具备较低功耗：芯片供电电压 VDD 为 2.5V

5、5%、 3.0V 5%、 3.3V 5%；陀螺仪工作电流 5mA，待机电流仅 5A；加速计工作电流 500A，在 10Hz 低功耗模 式下仅 40A。 (c) 陀螺仪和加速计都具备 16 位 ADC 同步采样；另外陀螺 仪具备增强偏置和温2 度稳定的功能，减少了用户校正操作，且具备改进的低频噪声性能；加速计则具备 可编程中断和自由降落中断的功能。 (d) 接口采用可高达 400KHz 的快速模式 IIC，内建频率发生器在所有温度范围仅有 1%频率变化。 (e) 具备较小的 4mm4mm 的 QFN 封装，减少占据面积； 1.3 循迹航拍模块的论证与选择 方案一 :采用 CCD 摄像头采集图片经

6、过算法处理循迹，前瞻性比较好 、 循迹效果好，但是处理程序复杂 、 成本高。 方案二 :采用红外对管，有效距离太短，不能满足实际循迹要求。 方案 三 :使用 OV7620 摄像头采集图片数据，二值化处理后，进行循迹计算。该种方法，抗干扰性较强，较为精确。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.4 超声波测高模块的论证与选择 方案一： 采用 E18-D50NK 光电式传感器，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。但是该传感器干扰比较大。 方案二：使用 HC-05 超声波模块测量高度，串口通信，该方法简单易行，可以实现较远距离的测量。 综合以上 两种 方案，选择方案

7、二 。 1.5 拾物模块的论证与选择 方案一： 飞机上加装拾物装置，如机械手等，但该种方式 十分繁琐，且效率低下 方案 二 ： 采用 继电器控制电磁铁开断实现磁铁的吸放，结构简单，质量轻，体积小，适合装载在飞行器上。 综合以上 两种 方案，选择方案 二 。 1.6 位置式 PID 控制算法 PID 控制算法是本飞行器的最主要算法，控制飞行器的定高飞行和循迹飞行。 PID 是由比例、微分、积分三个部分组成的，在实际应用中经常只使用其中的一项或者两项，如 P、 PI、 PD、 PID 等。就可以达到控制要求，至于 P,I,D 数值的确定要在现场的多次调试确定图 1.6.1 为不同调整的响应曲线，下

8、面会进行具体介绍。 图 1.6.1 PID 调节示意图 1.6.1 比例控制（ P）： 比例控制是最常用的控制手段之一，比方说我们控制一个加热器的恒温 100 摄氏度，当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加大加热，使温度快速上升，当温度超过 100 摄氏度时，我们则关闭输出，通常我们会使用这样一个函数 U(t) = (t) P； e(t) = SP y(t) 3 SP 设定值 e(t) 误差值 y(t) 反馈值 U(t) 输出值 P 比例系数 滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很 多被控对象中因为有滞后性，所以需要加入 I 或 D 的控制。 1.6.2

9、 比例积分控制（ PI）： 积分的存在是针对比例控制要不就是有差值要不就是振荡的这种特点提出的改进，它常与比例一块进行控制，也就是 PI 控制。 其公式有很多种，但大多差别不大，标准公式如下： U(t) = pK e(t) + IK e(t) + 0U U(t) 输出 pK 比例放大系数 IK 积分放大系数 e(t) 误差 0U 控制量基准值（基础偏差） 积分项是一个历史误差的累积值，如果光用比例控制时，我们知道要不就是达不到设定值要不就是振荡，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题，比方说一个控制中使用了 PI 控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累

10、积值会越来越大，这个累积值乘上 IK 后会在输出的比重中越占越多，使输出 U(t)越来越大，最终达到消除静态误差的目的。 1.6.3 PID控制： 因为 PI 系统中的 I 的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响，为了解决这个问题，我们在控制中增加了 D 微分项，微分项主要用来解决系统的响应速度问题， D 用 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数 D 相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个 D 参数也是 PID 被称为可预测的控制器 的原因。 D 参数对减少控制器短期的改变很有帮助。 其完整的公式如

11、下： u(t) = pK e(t) + IK e(t) + dK e(t) e(t-1)+ 0U 图 1.6.3 为 PID 控制整体原理图，描述了一般的 PID 算法流程。 图1.6.3 PID 控制整体原理图 二、 核心部件电路设计 4 2.1 电源模块 电路原理图 图 2.1 电源模块电路 12V 2200mAh 电池供电，经电路降压后，为飞行器以及各模块供电。 2.2 电子示高装置 电路原理图 图 2.2 激光接收电路 电子示高装置使用一对激光收发管，来实现，声光报警。发射管上电即可产生激光，接收管部分电路如图 3.2.2 所示，当没有接收到激光信号时，蜂鸣器发光， LED 灯点亮。图

12、中三极管的使用是为了扩流，提高蜂鸣器的报警声。 三、 竞赛工作环境条件 3.1 系统总体框图 系统总体框图 如图 3.5 所示： 5 图 3.1 系统总体框图 Stm32F103 单片机作为飞控板，接收核心控制板 RL78/G13 的控制信号，进行飞行器的飞行姿态的控制。 瑞萨 RL78/G13 板作为核心板控制循迹摄像头模块，定高超声波模块，拾物继电器模块，以及屏幕，按键等外部控制输入。 航拍摄像头为带 SD 卡存储， AV 输出的专用摄像头。 US-100 超声波模块： 自带温度传感器 ， 对测距结果进行检验，同时具有串口通信方式 ， 工作稳定可靠。 OV7620 摄像头模块：设置图像窗口

13、大小为 200 100 像素，计算速度为每秒 1015 帧，图像清晰稳定。 继电器模块 :接收核心板的控制信号，控制电磁铁的 开关，实现取物，放物。 按键以及屏幕模块可在外部给入数据进行参数设置，选择飞行模式等，实现一键式起飞。 3.2 软件程序设计 3.2.1 定高、循迹 PID控制程序设计 图 3.3.1 a 摄像头循迹控制程序流程图 图 3.3.1 b 超声波定高控制程序流程图 6 图 3.3.1 和图 3.3.2 描述了飞行器主要的两个 PID 控制的程序流程，该程序用于控制飞行器的飞行方向，和高度，在每个小题中都是使用了类似算法，是飞行器的核心程序。 3.2.2 拾物控制程序设计 图

14、3.3.2 飞行器拾物控制流程图 图 3.3.2 是发挥部分第二小题拾取小铁片的程序流程图，用较简单的方法进行识别和取物，效果比较理想。 四、 作品成效总结分析 4.1 基本要求一 测试方式：从 A 点一键式起飞，飞至 B 点降落，尝试不同高度，分析实验结果 测试结果： 测试次数 飞行高度 (cm) 飞行时间 (s) 落地点误差 (cm) 1 60 20 12 2 70 16 15 3 80 22 5 结果分析： 不同的飞行高度对飞机循迹前进的影响不大，落地点误差也在允许范围内，实验结果比较理想。 4.2 基本要求二 测试方 式：从 A 点一键式起飞，绕外围黑线逆时针绕行一周，会至 A 点降落

15、，尝试不同高度，分析实验结果 测试结果： 7 测试次数 飞行高度 (cm) 飞行时间 (s) 落地点误差 (cm) 1 60 40 30 2 65 46 45 3 70 44 30 结果分析： 飞行过程中，有时会受到干扰，误判飞行路线，但能按程序循迹飞行，基本完成题目要求。 4.3 发挥部分一 测试方式：从 A 点一键式起飞，吸起小铁片 1M ，飞至 B 点，投放小铁片，并返回 A 点，尝试不同高度，不同质量，分析实验结 果。 测试结果： 测试次数 飞行高度 (cm) 飞行时间 (s) 落地点误 差 (cm) 拾物重量 (g) 激光 1h ， 2h 间距(cm) 1 60 26 10 200

16、20（ 触线 ） 2 70 25 15 200 27（不触线） 3 90 29 18 200 27（ 不触线 ） 结果分析： 飞行效果受飞行高度以及飞行时间影响不大，但飞行器投放铁片后状态会有一定变化，导致回来的状态有一定波动，但总体效果还是比较理想。另外由于机身本身高 度的限制（机身高 20cm）， 1 h ， 2h 的间距有一下限，实验所测 27cm 时，能正常通过。 4.4 发挥部分二 测试方式：从 A 点一键式起飞，飞至 B 点，寻找小铁片 2M ，并返回 A 点，尝试不同高度分析实验结果。 测试结果： 测试次数 飞行高度 (cm) 飞行时间 (s) 落地点误差 (cm) 是否捡到铁片

17、 1 60 28 10 是 2 70 22 5 否 3 80 27 15 是 结果分析： 由于使用的电磁铁吸力较小，且大小很小（ 直径 2cm 的圆 ）所以只有当电磁铁落在铁片正中心的时候才能吸起铁片，所以有时即使找到铁片，也会吸不起来，但总体而言，基本能达到题目要求。 4.5 系统特色 本系统完成了题目中的基本要求，并完成了发挥部分的要求，此外，还增加了自制激光、蜂鸣器等模块。整个系统的构建来源于软硬件的合理架构，最大的亮点是最大程8 度地利用了瑞萨单片机的资源，使得四旋翼的结构轻巧，既符合题目要求，又易于控制。 五、 附件材料 5.1 作品照片 图 5.1 作品照片 5.2 PID 核心控

18、制代码 void Filter(unsigned int set_hight) static float hight_error=0,hight_errorold=0; static float Alt_Hight3; RcvIndex = 0; g_Hight = US_distance_mm; if(g_Hight3000|g_Hight 200) 9 hight_error =200; if(hight_error50) g_HightControl=g_HightControlold+50; else if(g_HightControlold-g_HightControl50) g_HightControl=g_HightControlold-50; if(g_HightControl700) g_HightControl=700; else if(g_HightControl0) g_HightControl=0; 六、 参考资料 1高吉祥 ， 王晓鹏 ， 宋克慧 .全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 M.电子工业出版社 ， 2011.2. 2吴乃陵，况迎辉 .C+程序设计 M.北京：高等教育出版社， 2006.3. 3 孙亮， 杨鹏 .自动控制原理 .北京：北京工业大学 出版社， 2012.8.