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1、2013年全国大学生电子设计竞赛课题:四旋翼自主飞行器 （B 题） 【本科组】2013年9月7日摘 要 为了满足四旋翼飞行器的设计要求，设计了以微控制器为核心的控制系统和算法。首先进行了各单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。四旋翼飞行器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，以78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU內核演化而来的RL78/G13作为控制核心，工作频率高达32MHz，工作电压1.6V-5.5V，适合各种类型的消费类电子和工业应用, 满足8/16位微控制器的需求，有助于降低系统功耗，削减总系统的构建成本。采用9926B MOS管芯片的驱动
2、直流电机，该驱动芯片具有内阻小、负载电流大、且控制简单的特性。通过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，实现了四旋翼飞行器运动速度和转向的精准控制。通过HC-SR04超声波测距模块实现了对四旋翼飞行器飞行高度的准确控制。通过激光传感器，实现了四旋翼飞行器沿
3、黑线前进，在规定区域起降，投放铁片等功能，所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。 关键词：四旋翼自主飞行器，激光，寻线，超声波，单片机 目 录1系统方案11.1 XXXX的论证与选择11.2 XXXX的论证与选择11.3 控制系统的论证与选择12系统理论分析与计算12.1 XXXX的分析12.1.1 XXX12.1.2 XXX12.1.3 XXX12.2 XXXX的计算12.2.1 XXX12.2.2 XXX12.2.3 XXX12.3 XXXX的计算22.3.1 XXX22.3.2 XXX22.3.3 XXX23电路与程序设计23.1电路的设计23.1.1系统总体框图23.1.2 X
4、XXX子系统框图与电路原理图23.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图23.1.4电源23.2程序的设计23.2.1程序功能描述与设计思路23.2.2程序流程图34测试方案与测试结果34.1测试方案34.2 测试条件与仪器34.3 测试结果及分析34.3.1测试结果(数据)34.3.2测试分析与结论4附录1：电路原理图5附录2：源程序6四旋翼自主飞行器 （B 题）【本科组】1系统方案本系统主要由电源模块、电机驱动模块、光电循迹模块模块、超声波测高模块、 姿态传感器模块组成，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LM7805三端稳压器构成稳压电路，为
5、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2596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2940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 电机驱动模块的论证与选择方案一：采用三极管驱动，由于输出电流很大，容易发热，方案二：采用L298N电机驱动模块，通过电流大，容易发热，使得电机转速变慢，载重量变小。方案三：采用场效应管9926B芯片组成的电机驱动模块，驱动能力好。能承受的最大电流为7.5A，符合要求。综合以上三种方案，选择方案三。1.3 光电循迹模块
6、模块的论证与选择方案一：采用CCD摄像头采集图片经过算法处理循迹，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：采用激光，前瞻性较好、抗干扰性较好。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。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小。1.5 姿态传感器模块的论证(1) 概述 四轴飞行器属于多旋翼飞行器，各个桨翼之间的旋转过程中总存在着相互干扰，这就导致在飞行过程中，飞行的稳定性较差；另外在飞行器的电机
7、、桨叶及机身等方面要求也较高，它要求各个旋翼的电机特性一致、各个桨叶的桨距及安装角度相同、机身对称等等。然而实际中这些条件很难满足，而且往往相差较大；因此飞行器稳定性差，且难以控制，在设计控制系统时着重需要考虑飞行器的稳定性设计。 这样姿态测量在飞行器系统中就显得尤为必要，设计相应的传感器对飞行器的运动姿态进行测量，有助于反馈当前姿态，确保飞行稳定。(2) 传感器使用 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 InvenSense 公司生产的整合性 6 轴运动处理组件 MPU-6050；MPU-6050 为全球首例整合性组件，
8、相比较多组件方案，有如下特点：(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-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
9、2g、4g、8g 和16g。(b) 具备较低功耗：芯片供电电压 VDD 为 2.5V5%、3.0V5%、3.3V5%；陀螺仪工作电流 5mA，待机电流仅 5uA；加速计工作电流 500uA，在 10Hz 低功耗模式下仅 40uA。(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 4mm*4mm 的 QFN 封装，减少占据面积；其 QFN
10、 封装如图 3.4-A 所示，图 3.4-B 为其 3 个轴的极性及旋转图。(3). 传感器电路 在实际设计中，微处理器通过 IIC 接口读取传感器模块的数据，MPU-6050 模块电路设计如图 3.5 所示：图 3.5 MPU-6050 电路图 3.5 中，IIC 总线 SDA、SCL 连接微处理器的 I/O，相应的电源与地之间需要设计去耦电容以确保芯片供电稳定；设计中只使用主 IIC 接口，其他的功能引脚设置悬空。2系统理论分析与计算2.1 XXXX的分析 2.1.1 XXXXXXX2.1.2 XXXXXXX2.1.3 XXXXXXX2.2 XXXX的计算 2.2.1 XXXXXXX2.2
11、.2 XXXXXXX2.2.3 XXXXXXX2.3 XXXX的计算 2.3.1 XXXXXXX2.3.2 XXXXXXX2.3.3 XXXXXXX3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3.1.1所示：图3.1.1 系统总体框图3.1.2 电源模块电路原理图3.1.3 电机驱动电路原理图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路系统软件采用C语言开发，在CubSuite+环境下调试并实现功能。程序流程如图3.2.2所示，进入主程序并初始化后，按键开关按下后开始执行相应的程序。软件程序设计采用模块化的结构，便于分析和实现功能。2、程序设计思路3.2.2程序流
12、程图1、主程序流程图2、XXX子程序流程图3、XXX子程序流程图4、XXX子程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，运行程序无误，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：CubSuite+，示波器，数字万用表。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)2V档信号测试结果好下表所示： （单位/V）信号值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9994.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：1、2、3、综上所述，本设计达到设计要求。附录1：电路原理图附录2：源程序