2013电子设计大赛四旋翼自主飞行器 (b1 题)

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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8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78K0RCPU內核为基础,围绕新的RL78CPU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99

2、26BMOS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:DigitalMotionProcessor)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

3、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。1四旋翼自主飞行器（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：采用元器件2596为开关

4、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摄像头采集图片经过算法

5、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、抗干扰性较好。11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

6、，给最少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

7、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，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

8、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