多旋翼自主飛行器論文

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1、.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽（江蘇賽區(qū)TI杯）題目:_多旋翼自主飛行器題目編號：（C題）..多旋翼自主飛行器（C題）摘要四旋翼飛行器是一種采用了固連在剛性十字架交叉結(jié)構(gòu)上的4個電機驅(qū)動的一種飛行器。該飛行器以Stm32f103ZE單片機為飛控板作為控制核心，工作頻率高達72MHz，運算速度快，系統(tǒng)功耗低。飛控板通過采用MPU-6050整合的3軸陀螺儀、3軸加速器，以及地磁傳感器等控制飛行器飛行姿態(tài)。同時使用RL78/G13MCU板控制US-100超聲波，進行測距，實現(xiàn)對四旋翼飛行器飛行高度的準(zhǔn)確控制；并控制OV2640攝

2、像頭，采集圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了四旋翼飛行器沿黑線循跡，在規(guī)定區(qū)域起降、懸停等功能。所采用的設(shè)計方案先進有效，完全達到了設(shè)計要求。電子示高裝置使用激光收發(fā)器件，設(shè)計電路，實現(xiàn)題目要求。一、系統(tǒng)方案設(shè)計方案主要內(nèi)容1、設(shè)計方案工作原理本四旋翼系統(tǒng)主要由電源模塊、姿態(tài)傳感器模塊、循跡航拍模塊、測距定高模塊組成，拾物模塊構(gòu)成。下面分別論證這幾個模塊的選擇。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LM2596為開關(guān)穩(wěn)

3、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LM2940構(gòu)成穩(wěn)壓電路，為單片機等其他模塊供電，輸出紋波小，效率高，不容易發(fā)熱，綜合性能高。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2姿態(tài)傳感器模塊的論證設(shè)計中選用加速度和角速度兩種傳感器來進行姿態(tài)測量，用加速度的測量數(shù)據(jù)來互補角速度傳感器測量的不足；設(shè)計中采用6軸運動處理組件MPU-6050，其特點：(a)免除了組合陀螺儀與加速計時存在的軸差問題，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IIC端口連接其

4、他廠牌的磁力傳感器或其他傳感器的數(shù)位運動處理(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)用于運動感測游戲、光學(xué)穩(wěn)像、行人導(dǎo)航器等設(shè)計研究中，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±250、±500、±1000與±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±2g、±4g、±8g和±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5

5、mA，待機電流僅5μA；加速計工作電流500μA，在10Hz低功耗模式下僅40μA。(c)陀螺儀和加速計都具備16位ADC..同步采樣；另外陀螺儀具備增強偏置和溫度穩(wěn)定的功能，減少了用戶校正操作，且具備改進的低頻噪聲性能；加速計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；1.3循跡航拍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

6、好，但是處理程序復(fù)雜、成本高。方案二:采用紅外對管，有效距離太短，不能滿足實際循跡要求。方案三:使用OV7620攝像頭采集圖片數(shù)據(jù)，二值化處理后，進行循跡計算。該種方法，抗干擾性較強，較為精確。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.4超聲波測高模塊的論證與選擇方案一：采用E18-D50NK光電式傳感器，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)要求進行調(diào)節(jié)。但是該傳感器干擾比較大。方案二：使用HC-05超聲波模塊測量高度，串口通信，該方法簡單易行，可以實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的測量。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.5

7、拾物模塊的論證與選擇方案一：飛機上加裝拾物裝置，如機械手等，但該種方式十分繁瑣，且效率低下方案二：采用繼電器控制電磁鐵開斷實現(xiàn)磁鐵的吸放，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，體積小，適合裝載在飛行器上。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.6位置式PID控制算法PID控制算法是本飛行器的最主要算法，控制飛行器的定高飛行和循跡飛行。PID是由比例、微分、積分三個部分組成的，在實際應(yīng)用中經(jīng)常只使用其中的一項或者兩項，如P、PI、PD、PID等。就可以達到控制要求，至于P,I,D?數(shù)值的確定要在現(xiàn)場的多次調(diào)試確定圖1.6.1為不同調(diào)整的響應(yīng)曲線

8、，下面會進行具體介紹。圖1.6.1PID調(diào)節(jié)示意圖1.6.1比例控制（P）：??比例控制是最常用的控制手段之一，比方說我們控制一個加熱器的恒溫100攝氏度，當(dāng)開始加熱時，離目標(biāo)溫度相差比較遠(yuǎn)，這時我們通常會加大加熱，使溫度快速上升，當(dāng)溫度超過100攝氏度時，我們則關(guān)閉輸出，通常我們會使用這樣一個函數(shù)????U(t)?=?ｅ(t)×P；e(t)?