2017年全國大學生電子設計競賽試題設計報告

1、2017 年全國大學生電子設計競賽試題設計報告C 題）【本科組】廖聰，吳雨航，張錦華摘要：根據(jù)四旋翼飛行器飛行原理，首先根據(jù)設計方案采購了飛行器機體模型，選擇合適的直流無刷電機作為系統(tǒng)動力裝置，選取了功能強大且容易開發(fā)的微處理器、傳感器和相關電子元器件，并做了大量的系統(tǒng)軟硬件調試工作，最終完成了整體設計。根據(jù)系統(tǒng)動力學模型設計控制算法，設計控制系統(tǒng)控制規(guī)律，主要包括兩個控制回路姿態(tài)控制回路、位置控制回路。在仿真軟件平臺上，進行控制算法驗證及實驗研究，優(yōu)化飛行控制算法參數(shù)。最后， 設計實時性高的控制系統(tǒng)軟件程序，進行相關實驗調試工作，最終設計出能夠實現(xiàn)一鍵飛行探測跟蹤的四旋翼自主飛行器。關鍵詞：

2、ATMEGA256瑞薩0R5F523T5ADFM MPU600陀螺儀 0 超聲傳感器一、系統(tǒng)方案根據(jù)設計任務的要求，本系統(tǒng)包括飛行控制模塊、驅動模塊、飛行導航模塊、測距模塊等。1、飛行控制模塊的選擇飛行控制模塊是四旋翼自主飛行器的核心。按照題目要求，飛行控制模塊由ATMEGA256處理器的開發(fā)板專門實現(xiàn)飛行控制算法。0為了實現(xiàn)自主飛行探測跟蹤，必須要形成控制的閉環(huán)回路，必須要有檢測和反饋系統(tǒng)狀態(tài)的傳感器，包括四旋翼的姿態(tài)、經緯度、航向、高度、空速、角速率等信號。目前看來，國內外普遍應用MEMS器件來獲取姿態(tài)、高度、空速、經緯度等信息。此外這中間還需要有A/D 采樣電路、信號調理電路對采集的電信

3、號進行必要的轉換和簡單的濾波。針對四旋翼飛行器，控制方法有PID控制、反步法、滑?？刂频蕊w行控制算法，我們采用經典的PID 控制算法。2、驅動模塊的選擇方案一：采用普通直流電機。普通直流電機有價格低廉、使用簡單等優(yōu)點，但其扭矩較小，可控性差，此系統(tǒng)要求控制精度高、速度快、且質量要小，所以直流電機一般不能滿足要求。方案二：采用無刷直流電機，其具有響應速度快、較大的啟動轉矩，從零轉速至額定轉速具備可提供定轉矩的性能。因系統(tǒng)精度較高，足夠精確控制飛機的速度。綜合以上方案，采用方案二。3、飛行導航模塊的選擇方案一：慣性導航系統(tǒng)能在世界任何地方，不依賴環(huán)境條件，但是，慣性導航不適合在小空間內精確制導。方

4、案二：GPS導航可以全球定位、被動定位，安全隱蔽，無限服務，可以同時為無限數(shù)量接收機提供定位信息。但是GPS導航不適合室內環(huán)境。方案三：紅外導航比較適合小車這種速度慢且接近地面的物體，不適合我們飛行器在高度一米以上的情況下的導航。方案四：圖像導航具有隱蔽性好、自主性強、測量快速、準確、以及廉價、可靠等優(yōu)點。在飛機，無人飛行器、巡航導彈等得到廣泛應用。綜合以上四種方案，我們選擇方案四，圖像導航實現(xiàn)飛行器跟蹤小車。采用攝像頭拍攝小車的運動情況， 從而指導飛行器前行的方向及懸停的位置。圖像采集模塊有OV7725照相模組完成。4、測距模塊的選擇方案一：紅外測距具有便宜、易制、安全、等優(yōu)點，但是精度低、

5、距離近，方向性差。方案二：激光測距具有精確度高和測距遠的優(yōu)點，但是制作難度大、成本較高，一般用于遠距離測距。方案三：超聲波測距結果簡單、成本低廉、等優(yōu)點，經常用一般的距離的測量，如深井、管道長度等封閉場合。綜上三種方案考慮，由于飛行器在封閉空間內飛行，同時又要在一米以上的空中懸停，因此可以采用超聲波測量飛行器的高度。如圖（ 1）所示。我們采用HC - SR04超聲波測距模塊二、系統(tǒng)理論分析與計算1、四旋翼飛行器產生基本動作的原理四旋翼飛行器結構形式如圖（2）所示，電機1 和電機 3 逆時針旋轉的同時，電機 2 和電機 4 順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

6、與傳統(tǒng)的直升機相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機1 和電機3 逆時針旋轉的同時，電機2 和電機 4 順時針旋轉，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。四旋翼飛行器在空間共有6 個自由度（分別沿3 個坐標軸1） HC - SR04 超聲波圖作平移和旋轉動作），這6 個自由度圖都可以通過調節(jié)不同電機的轉速來實現(xiàn)?；具\動狀態(tài)分別是：1 垂直運動；2 俯仰運動；3 滾轉運動；4 偏航運動；5 前后運動；6 側向運動。2、 PID飛行控制算法如圖（ 3）所示：由于四旋翼飛行器由四路電機帶動兩對反向螺旋槳來產生時轉速的一致性及不同動作時各個電, 所以如何保證

7、電機在平穩(wěn)懸浮或上升狀態(tài)所以這里我們采用到pid 控制理論如圖（4）所示：PID, 如果存在誤, 就對誤差進行比例、積微分的調整, 再將調整, 飛機3）PID 算法圖, 但是穩(wěn)定性較差, 往往會調節(jié)過火; 積分調節(jié)可以消除長期誤差, 排除, 但是同樣會降低系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性, 使飛機發(fā)生震蕩; 微分調節(jié), 及時的進行調整, 而且對比例調節(jié)有抑制作用, 加, 排除調節(jié)過度的問題。所以通過pid 控制可以完全考慮, 以使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。1、系統(tǒng)組成整個系統(tǒng)的組成如圖（ 5） 所示： 系統(tǒng)核心主控MPU- ATMEGA256采用 0 ATMELDE8bit 和整合三軸陀螺儀與三軸加速度的六軸MEM傳感器

8、SMPU6000以及高度測MS- 5611 等?？梢酝瓿娠w行控制算法和完成OV7725照相模組、HC - SR04 超聲波測距圖（5） 系統(tǒng)硬件電路結構2、導航控制電路如圖 （6） 所示，導航控制電路主要由主控MPU - ATMEGA25、60OV7725照相模HC - SR04超聲波測距模塊、微波檢測模塊等構成。根據(jù)小車的運動情況，圖(6)飛行控制電路3、主要模塊程序設計圖(7)四、競賽工作環(huán)境條件1、儀器設備硬件平臺：PC機等。2、配套加工安裝條件：電烙鐵、鉆孔機、制版機、打印機等。3、 開發(fā)環(huán)境：飛控ATMEGA256瑞0薩 R5F523T5ADFM。五、測試方案與測試結果1、測試方案通

9、過模擬考場，進行模擬比賽。2、測試結果(1) 、飛行器放在A區(qū)通過按鍵可以實現(xiàn)一鍵平穩(wěn)起飛，并且能7)飛控流程圖夠在 1 米以上懸停5 秒后平穩(wěn)降落并準確的停在A區(qū)，懸停期間激光筆可以照在A區(qū)。(2) 、手持飛行器靠近小車，當兩者距離1 米左右時，飛行器和小車發(fā)出了響聲和光。(3) 、當小車擺放在位置8，飛行器在A區(qū)，一鍵啟動飛行器，飛行器可以以接近直線的路徑飛至小車上方并懸停5 秒， 然后降落在小車左側，懸停期間，激24。 8光筆可以照射在A 區(qū)內，并且不止一次照在小車上。從起飛到降落用時 秒。(4) 、發(fā)揮部分，飛行器基本上可以探測跟蹤小車飛行，只是跟蹤的路徑有些曲折。到此，競賽要求絕大部分可以完成。六、參考資料1 . 黃智偉 . 全國大學生電子設計競賽訓練教程。電子工業(yè)出版社，20102 . 張淑清 . 嵌入式單片機STM32設計及應用技術。國防工業(yè)出版社，20153 . 王廣雄 . 控制系統(tǒng)設計M 。宇航出版社，19924 . 王彤.P