多旋翼自主飞行器设计-大学生电子设计大赛论文

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1、2015年全国大学生电子设计竞赛（江苏赛区TI杯）题目：__多旋翼自主飞行器_参赛队编号:参赛队学校:参赛队学生:题目编号：（c题）NJ015东南大学朱诚诚、方龙宇、王沁二O—五年八月多旋翼自主飞行器(C题)摘要四旋翼飞行器是一种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。该飞行器以Stm32flO3ZE单片机为飞控板作为控制核心，工作频率高达72MHz，运算速度快，系统功耗低。飞控板通过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器，以及地磁传感器等控制飞行器飞行姿态。同时使用RL78/G13MCU板控制U

2、S-100超声波，进行测距，实现对四旋翼飞行器飞行高度的准确掠制；并按制OV2640摄像头，采集图像数据，实现了四旋翼飞行器沿黑线循迹，在规定区域起降、悬停等功能。所采用的设计方案先进有效，完全达到丫设计要求。电子示高装置使用激光收发器件，设计电路，实现题目要求。一、系统方案设计方案主要内容1、设计方案工作原理本四旋翼系统主要由电源模块、姿态传感器模块、循迹航拍模块、测距定高模块组成，拾物模块构成。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

3、块供电，输出纹波小，效率低，容易发热。方案二：采用元器件LM2596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LM2940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姿态传感器模块的论证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6轴运动处理组件MPU-6050,其特点：(a)免除了组合陀螺仪与加速计吋存在的轴差问题，减少了大量的包装空间。(b)MPU-6050

4、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±2g、±4g、±8g和±16g。(b)具备较低功耗：芯片供电电压VDD为2.5V

5、±5%、3.0V±5%、3.3V±5%;陀螺仪工作电流5mA,待机电流仅5gA；加速计工作电流500pA,在10Hz低功耗模式下仅40gA。(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。(a)接U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。(b)具备较小的4mmx4mm的QFN封装，减少占掘面积；1.3循迹航拍模块的论证与选择方案一:采用CCD摄像头采集图

6、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、成木高。方案二:采用红外对管，冇效距离太短，不能满足实际循迹要求。方案三:使用OV7620摄像尖采集图片数据，二值化处理后，进行循迹计算。该种方法，抗干扰性较强，较为精确。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方案一：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。但是该传感器干扰比较大。方案二：使用HC-05超声波模块测量高度，串口通信，该方法简单易行，可以实现较远距离的测量。综合

7、以上两种方案，选择方案二。1.5拾物模块的论证与选择方案一：飞机上加装拾物装置，如机械手等，似该种方式十分繁琐，且效率低下方案二：采用继电器控制电磁铁开断实现磁铁的吸放，结构简单，质量轻，体积小，适合装载在飞行器上。综合以上两种方案，选择方案二。1.6位置式PID控制算法PID控制算法是本飞行器的最主要算法，控制飞行器的定高飞行和循迹飞行。PID是由比例、微分、积分三个部分组成的，在实际应用中经常只使用其中的一项或者两项，如P、PI、PD、PID等。就可以达到控制要求，至于P,/，£＞数值的确定要在现场的多次调试确定图1.6.

8、1为不同调整的响应曲线，下面会进行具体介绍。5VjH凋ViPIDfSliJ图1.6.1PID调节示意图1.6.1比例控制(P)：比例控制是最常用的控制手段之•一，比方说我们控制一个加热器的恒温100摄氏度，当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加人加热，使温度快速