电子设计大赛四旋翼飞行器报告

选题编号：C题全国大学生电子设计竞赛设计报告选题名称：多旋翼自主飞行器主办单位：辽宁省教育厅比赛时间：2015年08月12日08时起2015年08月15日20时止ii摘要多旋翼飞行器也称为多旋翼直升机，是一种有多个螺旋桨的飞行器。本设计实现基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飞行器。本飞行器由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成。主控模块采用ATMEGA328P芯片，负责飞行姿态控制；导航模块以G13MCU为核心，由陀螺仪、声波测距等几部分构成，该模块经过瑞萨芯片处理采集的数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时解算出相应电机需要的PWM增减量，及时调整电机，调整飞行姿态，使飞行器的飞行更加稳定；电源模块负责提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，负责完成比赛相应动作。飞行器测试稳定，实现了飞行器运动速度和转向的精准控制，能够完成航拍，触高报警，携物飞行，空中投递等动作要求。关键词：四旋翼，PID控制，瑞萨iii目录摘要................................................................................................................................ii1.题意分析.....................................................................................................................12.系统方案.....................................................................................................................12.1飞行控制模块方案选择.................................................................................12.2飞行数据处理方案选择.................................................................................12.3电源模块方案选择.........................................................................................22.4总体方案描述.................................................................................................23.设计与论证.................................................................................................................23.1飞行控制方法.................................................................................................23.2PID控制算法..................................................................................................33.3建模参数计算.................................................................................................33.4建立坐标轴计算.............................................................................................44.电路设计.....................................................................................................................54.1系统组成及原理框图.....................................................................................54.2系统电路图.....................................................................................................55.程序设计.....................................................................................................................65.1主程序思路图.................................................................................................65.2PID算法流程图..............................................................................................75.3系统软件.........................................................................................................76.测试方案...................................................................................................................76.1硬件测试.........................................................................................................76.2软件仿真测试.................................................................................................76.3测试条件.........................................................................................................86.4软硬件联调.....................................................................................................87.测试结果及分析.........................................................................................................87.1测试结果.........................................................................................................87.2结果分析.........................................................................................................98.参考文献.....................................................................................................................911.题意分析设计并制作一架带航拍功能的多旋翼自主飞行器。飞行高度30CM以上，实现直线航拍、矩形飞行、高度报警、携物飞行、空中投递、寻找目标等功能。根据题意，我们计划设计一个四旋翼自主飞行器，通过摄像头，电磁铁，声波测距等实现以上目标。2.系统方案2.1飞行控制模块方案选择方案一：飞行控制模块使用pcduino板为控制核心。其内存大而且板子体积较小，重量较轻，符合飞行控制的实时性并有效降低飞行器自重。但pcduino板对电源的要求较高，而且I/O口较少，不能很好的扩展飞行器其他功能。方案二：飞行控制模块采用ATMEGA328P的芯片。ATMEGA328P的板子I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。ATMEGA328P迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞行器的载重量负担不大。综合对比两个方案，飞行控制模块采用ATMEGA328P更能满足我们的需求，其存在的弊端对整个装置影响较小，所以采用飞行控制模块采用第二种方案。2.2飞行数据处理方案选择方案一：采用RL78/G13MCU板R5F100LEA芯片进行飞行数据处理，陀螺仪采用光纤陀螺仪。特点是光传播路径的变化，决定敏感元件的角位移。光纤陀螺仪寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，但是成本较高，反应动作较快不好控制，需要多次试验。方案二：采用RL78/G13MCU板R5F100LEA芯片进行飞行数据处理陀螺仪采用MPU6050三轴陀螺仪。其可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度、角度，具有可靠性很好、结构简单、重量轻和体积小等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，可能会影响数据处理芯片的响应速度。综合对比上述两种方案，方案一，控制困难，多次试验对飞行器机身结构骨架破坏较大，如多次更换修理不利于飞行器调试。而方案二，虽然会产生大量的浮点预算，但考虑到R5F100LEA芯片运算能力强，陀螺仪产生的数据处理对R5F100LEA芯片响应速度影响不大。故飞行数据处理采用方案二。22.3电源模块方案选择方案一：采用元器件2596为开关稳压芯片，toshiba采用L298N电机驱动模块，其稳压芯片效率高，不容易发热，但输出的纹波较大，L298N电机驱动模块驱动效果不佳，使电机转速较低。方案二：采用线性元器件2940构成稳压电路，采用场效应管9926B芯片组成电机驱动模块。其输出纹波小，效率高，不容易发热，综合性能高。驱动能力强。综合上述两种方案，方案二综合性较强，总体符合设计要求，电源模块选择方案二。2.4总体方案描述四旋翼自主飞行器设计由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成，外形结构由固定的刚性十字交叉骨架和四个分别固定在展臂末端的电机构成，各模块均放置在飞行器十字型骨架中心。飞行控模块采用ATMEGA328P芯片，主要负责四个电机的控制；导航模块以G13MCU核心，由陀螺仪、声波测距等构成，工作中该模块收集的数据经过瑞萨芯片处理后输出，发送给飞行控制芯片调整飞行姿态；电源模块负责为整个系统提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，主要负责完成比赛的相应要求。3.设计与论证3.1飞行控制方法四旋翼飞行器依靠四个电机的转速差进行控制，基本动作原理为：电机1和电机3逆时针旋转驱动，两个正螺旋桨产生升力，电机2和电机4顺时针旋转驱动两个反螺旋桨产生