1、02013 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1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
2、系统功耗，削减总系统的构建成本。采用 9926B MOS 管芯片的驱动直流电机，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-
3、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，E18-D50NK 光电传感器，寻线，超声波，单片机。2四旋翼自主飞行器 （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
4、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 光电循迹模块的论证与选择方案一：采用 CCD 摄像头采集图片经
5、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 E18-D50NK 光电传感器，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。探测距离远、受可见光干扰小、前瞻性较好、抗3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HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路, 达到本次设计所需要求.基本工作原理：(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少
6、10us 的高电平信呈。(2)模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2;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、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
7、，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4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，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
8、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 2.5V5%、3.0V 5%、3.3V 5%；陀螺仪工作电流 5mA，待机电流仅 5uA；加速计工作电流
9、 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 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。5(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-605
10、0 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。62 系统理论分析与计算2.1 四旋翼飞行器的基本原理分析 2.1.1 四旋翼飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结构上的 4 个电机驱动的一种飞器。 飞行器动作依靠 4 个电机的转速差进行控制，其机械结构相对简单，可电机直接驱动，无需复杂的传动装置，便于微型化。四旋翼飞行器产生基本动作的原理为：电机 1 和 3 逆时针旋转驱动两个正桨产生升力，电机 2
11、 和 4 顺时针旋转驱动两个反桨产生升力。反向旋转的两组电机和桨使其各自对机身产生的转矩相互抵消，保证 4 个电机转速一致时机身不发生转动。电机 1 和 4 转速减小(增大)，同时电机 2 和 3 转速增大(减小)，产生向前( 后)方向的运动。电机 1 和 2 转速减小(增大)，同时电机 3 和 4 转速增大(减小 )，产生向左 (右) 方向的运动。4 个电机转速同时增大(减小)产生向上( 向下)的运动。对角线的电机一组转速增大，另一组转速减小产生自身旋转运动，如图 2.1.1：7图 2.1.23 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
12、3.1.1 系统总体框图83.1.2 电源模块电路原理图 如图 3.1.2图 3.1.2 3.1.3 电机驱动电路原理图 如图 3.1.3图 3.1.33.2 程序的设计3.2.1 程序功能描述与设计思路1、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。93.2.2 程序流程图1、主程序流程图开始起飞姿态调整调整飞行高度循迹前进探测着陆区域循迹前进飞跃示高线探测 B 区投放铁片调整飞行高度拾起铁片起飞姿态调整基础部分发挥部分104
13、测试方案与测试结果4.1 测试方案1、硬件测试电源直接给电机供电，测试电压电流正常。2、软件仿真测试在 CubSuite+环境下调试，调试通过，无运行错误。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)A 区飞向 B 区所需时间： （单位/S）第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次 第八次 第九次40 41 42 41 42 45 44 40 45A 区拾取铁片飞跃示高线到达 B 区然后飞跃示
14、高线返回所需时间：（单位 /S）第一次 第二次 第三次 第四次4.3.2 测试分析与结论根据上述测试数据，A 区到达 B 区所需时间均符合需求，由此可以得出以下结论（如图 4.3.2）：（1）四旋翼自主飞行器（下简称飞行器）摆放在图 4.3.2 所示的 A 区，一键式启动飞行器起飞；飞向 B 区，在 B 区降落并停机；飞行时间不大于 45s。降落 返回 A 区着陆11（2）飞行器摆放在 B 区，一键式启动飞行器起飞；飞向 A 区，在 A 区降落并停机；飞行时间不大于 45s。综上所述，本设计达到设计要求。（3）飞行器摆放在 A 区，飞行器下面摆放一薄铁片，一键式启动，飞行器拾取薄铁片并起飞。（4）飞行器携带薄铁片从示高线上方飞向 B 区，并在空中将薄铁片投放到B 区；飞行器从示高线上方返回 A 区，在 A 区降落并停机。（5）以上往返飞行时间不大于 30s。图 4.3.2122013 年 9 月 7 日
