多旋翼自主飛行器論文正稿

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1、word格式文檔2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（江蘇賽區(qū)TI杯）題目:_多旋翼自主飛行器題目編號(hào)：（C題）參賽隊(duì)編號(hào)：NJ015參賽隊(duì)學(xué)校：東南大學(xué)參賽隊(duì)學(xué)生：朱誠誠、方龍宇、王沁二○一五年八月專業(yè)整理word格式文檔多旋翼自主飛行器（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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種飛行器。該飛行器以Stm32f103ZE單片機(jī)為飛控板作為控制核心，工作頻率高達(dá)72MHz，運(yùn)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

2、制飛行器飛行姿態(tài)。同時(shí)使用RL78/G13MCU板控制US-100超聲波，進(jìn)行測(cè)距，實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器飛行高度的準(zhǔn)確控制；并控制OV2640攝像頭，采集圖像數(shù)據(jù)，實(shí)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(jì)方案先進(jìn)有效，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。電子示高裝置使用激光收發(fā)器件，設(shè)計(jì)電路，實(shí)現(xiàn)題目要求。一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方案主要內(nèi)容1、設(shè)計(jì)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(cè)距定高模塊組成，拾物模塊構(gòu)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

3、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LM2596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LM2940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(jì)中選用加速度和角速度兩種傳感器來進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，用加速度的測(cè)量數(shù)據(jù)來互補(bǔ)角速度傳感器測(cè)量的不足；設(shè)計(jì)中采用6軸運(yùn)動(dòng)處理組件MPU-6050，其特

4、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(cè)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(chǎng)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(cè)量范圍；3

5、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5mA，待機(jī)電流僅5μA；加速計(jì)工作電流500μA，在10Hz低功耗模式下僅40μA。(c)陀螺儀和加速計(jì)都具備16位ADC專業(yè)整理word格式文檔同步采樣；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

6、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、循跡效果好，但是處理程序復(fù)雜、成本高。方案二:采用紅外對(duì)管，有效距離太短，不能滿足實(shí)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(jìn)行循跡計(jì)算。該種方法，抗干擾性較強(qiáng)，較為精確。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.4超聲波測(cè)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

7、發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)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(cè)量高度，串口通信，該方法簡單易行，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的測(cè)量。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.5拾物模塊的論證與選擇方案一：飛機(jī)上加裝拾物裝置，如機(jī)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(shí)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

8、循跡飛行。PID是由比例、微分、積分三個(gè)部分組成的，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常只使用其中的一項(xiàng)或者兩項(xiàng)，如P、PI、PD、PID等。就可以達(dá)到控制要求，至于P,I,D?數(shù)值的確定要在現(xiàn)場(chǎng)的多次調(diào)試確定圖1.6.1為不同調(diào)整的響應(yīng)曲線，下面會(huì)進(jìn)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(gè)加熱器的恒溫100攝氏度，當(dāng)開始加熱時(shí)，離目標(biāo)溫度相差比較遠(yuǎn)，這