2013電子設(shè)計(jì)大賽四旋翼自主飛行器_(B1_題)資料

1、2013 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽2013 年 9 月 7 日課題：四旋翼自主飛行器【本科組】（B 題）2為了滿足四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了以微控制器為核心的控制系統(tǒng) 和算法。首先進(jìn)行了各單元電路方案的比較論證，確定了硬件設(shè)計(jì)方案。四旋翼 飛行器采用了固連在剛性十字架交叉結(jié)構(gòu)上的4 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種飛行器，以78K0R CPU 內(nèi)核為基礎(chǔ)，圍繞新的 RL78 CPU 內(nèi)核演化而來的 RL78/G13 作為控 制核心，工作頻率高達(dá) 32MHz，工作電壓 1.6V-5.5V，適合各種類型的消費(fèi)類電 子和工業(yè)應(yīng)用，滿足 8/16 位微控制器的需求，有助于降低系統(tǒng)功耗，削減總系統(tǒng) 的構(gòu)建成本。采用

2、 9926B MOS 管芯片的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)芯片具有內(nèi)阻小、負(fù)載電流大、且控制簡單的特性。通過采用MPU-6050 整合的 3 軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個(gè) I2C 端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或 其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由 主要 I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9 軸融合演算技術(shù)InvenSense 的運(yùn)動(dòng)處理資料庫，可處理運(yùn)動(dòng)感測的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理 運(yùn)算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向的精準(zhǔn)控制。通過HC-SR04 超聲波測距模塊實(shí)現(xiàn)了對四旋翼飛行

3、器飛行高度的準(zhǔn)確控制。通過激 光傳感器，實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器沿黑線前進(jìn)，在規(guī)定區(qū)域起降，投放鐵片等功能， 所采用的設(shè)計(jì)方案先進(jìn)有效，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：四旋翼自主飛行器，激光，尋線，超聲波，單片機(jī)III1 系統(tǒng)方案.11.1 XXXX 的論證與選擇 .11.2 XXXX 的論證與選擇 .11.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇 . 12 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 . 12.1XXXX 的分析.32.1.1 XXX . 32.1.2 XXX . 32.1.3 XXX . 32.2 XXXX 的計(jì)算.32.2.1 XXX . 32.2.2 XXX . 32.2.3 XXX . 32.3 XXXX 的計(jì)算.3

4、2.3.1 XXX . 42.3.2 XXX . 42.3.3 XXX . 43 電路與程序設(shè)計(jì).43.1 電路的設(shè)計(jì).43.1.1 系統(tǒng)總體框圖.43.1.2 XXXX 子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 .53.1.3 XXXX 子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 .53.1.4 電源.錯(cuò)誤！未定義書簽。3.2 程序的設(shè)計(jì).53.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 . 53.2.2 程序流程圖.54 測試方案與測試結(jié)果 . 64.1 測試方案.64.2 測試條件與儀器.64.3 測試結(jié)果及分析 . 64.3.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）.64.3.2 測試分析與結(jié)論 . 7附錄 1:電路原理圖. 8附錄 2:源程序. 91四

5、旋翼自主飛行器（B 題）【本科組】1 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電循跡模塊模塊、超聲波測高模塊、姿態(tài)傳感器模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1.1 電源模塊的論證與選擇方案一：采用線性元器件LM7805 三端穩(wěn)壓器構(gòu)成穩(wěn)壓電路，為單片機(jī)等其他模塊 供電，輸出紋波小，效率低，容易發(fā)熱。方案二：采用元器件2596 為開關(guān)穩(wěn)壓芯片，效率高，輸出的紋波大，不容易發(fā)熱。方案三：采用線性元器件 2940 構(gòu)成穩(wěn)壓電路，為單片機(jī)等其他模塊供電，輸出紋 波小，效率咼，不容易發(fā)熱，綜合性能咼。綜合以上三種方案，選擇方案三。12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇方案一：采用三極管驅(qū)動(dòng)，由于輸出電

6、流很大，容易發(fā)熱，方案二：采用 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過電流大，容易發(fā)熱，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢， 載重量變小。方案三：采用場效應(yīng)管 9926B 芯片組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)能力好。能承受的 最大電流為 7.5A，符合要求。綜合以上三種方案，選擇方案三。13 光電循跡模塊模塊的論證與選擇方案一：采用 CCD 攝像頭采集圖片經(jīng)過算法處理循跡，前瞻性比較好、循跡效果好, 但是處理程序復(fù)雜、成本咼。方案二：采用紅外對管，有效距離太短，不能滿足實(shí)際循跡要求。方案三：采用激光，前瞻性較好、抗干擾性較好。綜合以上三種方案，選擇方案三。14 超聲波測高模塊的論證與選擇采用 E18-D50NK 光電式傳感器，

7、這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢 測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小。15 姿態(tài)傳感器模塊的論證概述四軸飛行器屬于多旋翼飛行器，各個(gè)槳翼之間的旋轉(zhuǎn)過程中總存在著相互干擾，這 就導(dǎo)致在飛行過程中，飛行的穩(wěn)定性較差；另外在飛行器的電機(jī)、槳葉及機(jī)身等方面要2求也較高，它要求各個(gè)旋翼的電機(jī)特性一致、各個(gè)槳葉的槳距及安裝角度相同、機(jī)身對 稱等等。然而實(shí)際中這些條件很難滿足，而且往往相差較大；因此飛行器穩(wěn)定性差，且 難以控制，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)著重需要考慮飛行器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。這樣姿態(tài)測量在飛行器系統(tǒng)中就顯得尤為必要，設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器對飛行器的運(yùn)動(dòng) 姿態(tài)進(jìn)行測量，有助

8、于反饋當(dāng)前姿態(tài)，確保飛行穩(wěn)定。(2)傳感器使用設(shè)計(jì)中選用加速度和角速度兩種傳感器來進(jìn)行姿態(tài)測量， 用加速度的測量數(shù)據(jù)來互 補(bǔ)角速度傳感器測量的不足；設(shè)計(jì)中采用 Inven Se nse 公司生產(chǎn)的整合性 6 軸運(yùn)動(dòng)處理 組件MPU-6050 ； MPU-6050 為全球首例整合性組件，相比較多組件方案，有如下特點(diǎn)：(a) 免除了組合陀螺儀與加速計(jì)時(shí)存在的軸差問題，減少了大量的包裝空間。(b) MPU-6050 整合了 3 軸角速度和 2 軸加速度傳感器，并含可用第二個(gè)IIC 端口連接其他廠牌的磁力傳感器或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理(DMP)硬件加速引擎，由主 IIC 接口以單一數(shù)據(jù)流的形式向應(yīng)用

9、提供輸出完整的9 軸融合演算技術(shù)。MPU-6050 被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)感測游戲、光學(xué)穩(wěn)像、行人導(dǎo)航器等設(shè)計(jì)研究中，且 具備可觀的市場前景，其器件特征如下：(a) 內(nèi)部 3 軸角速度傳感器具有土 250、土 500、土 1000 與土 2000( /s)全格測量范圍；3 軸加速度量程可程序控制，控制范圍為土2g、土 4g、土 8g 和土 16g。(b) 具備較低功耗：芯片供電電壓 VDD 為 2.5V 5%、3.0V 5%、3.3V 5%;陀 螺儀工作電流 5mA，待機(jī)電流僅 5uA ;加速計(jì)工作電流 500uA，在 10Hz 低功耗模 式下僅 40uA。(c) 陀螺儀和加速計(jì)都具備 16 位 A

10、DC 同步采樣；另外陀螺儀具備增強(qiáng)偏置和溫 度穩(wěn)定的功能，減少了用戶校正操作，且具備改進(jìn)的低頻噪聲性能；加速計(jì)則具備可編程中斷和自由降落中斷的功能。(d) 接口采用可高達(dá) 400kHz 的快速模式 IIC，內(nèi)建頻率發(fā)生器在所有溫度范圍僅 有 1%頻率變化。(e) 具備較小的 4mm*4mm 的 QFN 封裝，減少占據(jù)面積；其 QFN 封裝如圖 3.4-A 所示，圖 3.4-B 為其 3 個(gè)軸的極性及旋轉(zhuǎn)圖。A芯片対裝圖3.4 MPU-6O5OCIJJN* * w wKwKwX2-X2-M M L L H S工ZMH *050匡E匡匡叵亙1冋冋冋冋冋冋叵GNDCCKC% DORFrlETRFrl

11、ETAWAWrOGsrOGs芒廠2,2,3(3)傳感器電路在實(shí)際設(shè)計(jì)中，微處理器通過IIC 接口讀取傳感器模塊的數(shù)據(jù)，MPU-6050 模塊電路設(shè)計(jì)如圖 3.5 所示：圖 3.5 MPU-6050 電路圖 3.5 中，IIC 總線 SDA、SCL 連接微處理器的 I/O,相應(yīng)的電源與地之間需要設(shè)計(jì) 去耦電容以確保芯片供電穩(wěn)定；設(shè)計(jì)中只使用主 IIC 接口，其他的功能引腳設(shè)置懸空。2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 XXXX 的分析2.1.1 XXXXXXX2.1.2 XXXXXXX2.1.3 XXXXXXX2.2 XXXX 的計(jì)算2.2.1 XXXXXXX2.2.2 XXXXXXX2.2.3 XXX

12、XXXXE3.5 MPU-6050電路2MA上一】匕0音OGVuEj!上AJ*rlricrlric42.3 XXXX 的計(jì)算2.3.1 XXXXXXX2.3.2 XXXXXXX2.3.3 XXXXXXX3 電路與程序設(shè)計(jì)3.1 電路的設(shè)計(jì)3.1.1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖 3.1.1 所示:圖 3.1.1系統(tǒng)總體框圖53.1.2 電源模塊電路原理圖VCC -JVP13.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖3.2 程序的設(shè)計(jì)3.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)軟件采用 C 語言開發(fā)，在 CubSuite+環(huán)境下調(diào)試并實(shí)現(xiàn)功能。程序流程如圖 322 所示，進(jìn)入主程序并初始化后，按鍵開關(guān)按下后開始執(zhí)行相應(yīng)的程序。軟件程序設(shè)計(jì)采 用模塊化的結(jié)構(gòu)，便于分析和實(shí)現(xiàn)功能。2、程序設(shè)計(jì)思路3.2.2 程序流程圖1、主程序流程圖2、XXX 子程序流程圖63、XXX 子程序流程圖4、XXX 子程序流程圖4 測試方案與測試結(jié)果4.1 測試方案1、硬件測試2、軟件仿真測試3、硬件軟件聯(lián)調(diào)4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，運(yùn)行程序無誤，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全 相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：CubSuite+，示波器，數(shù)字萬用表。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）2V 檔信號測試結(jié)果好下表所示：（單位