TI杯四旋翼飞行器Word格式文档下载.docx
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图2系统模块框图
、系统基本方案
为比较方便和经济实惠和可行的实现各模块的功能，分别作以下几种不同的设计方案并进行论证。
2.1.1、处理器选取方案
方案一、
采用比较普及的ｃ５１处理器，51单片机比较普及，价格低廉，学习资料比较多，易于自主的学习与掌握，而且这方面的图书和教材比较多，学习资料易于获取。
但是由于飞行器飞行时MCU需要高速的处理各个传感器发送来的数据并及时的发出控制信号调节控制试飞行器能够平稳飞行，而C51在处理速度和运算能力上远远满足不了飞行器飞行时岁数据的处理需求。
故舍去该方案。
方案二、
采用FPGA，FPGA是操控层次更低,所以自由度更大的芯片，对FPGA的编程在编译后是转化为FPGA内的连线表，相当于FPGA内提供了大量的与非门、或非门、触发器（可以用与非门形成）等基本数字器件，编程决定了有多少器件被使用以及它们之间的连接。
只要FPGA规模够大，这些数字器件理论上能形成一切数字系统，包括单片机甚至CPU。
FPGA在抗干扰，速度上有很大优势。
但是FPGA的价格较贵，电路设计比较难且其引脚密集，不利于焊接。
故舍弃去该方案。
方案三、
采用ARM公司的STM32F103C8T6处理器进行数据处理，STM32F103处理器系列STM32F103C8T6，核心处理器：
ARM32位Cortex-M3CPU，芯体尺寸：
32-位速度：
72MHz；
连通性：
2个IIC接口，5个USART接口（，3个SPI接口（18Mbit/s），两个和IIS复用，CAN接口，USB全速接口，SDIO接口，外围设备：
定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART；
程序存储器容量：
64KB；
程序存储器类型：
32-512KB的Flash存储器；
6-64KB的SRAM存储器；
电压-电源（Vcc/Vdd）：
，用ARM处理器可比较方便简单的操作。
在处理数据的速度能力上也能够满足飞行器在飞行时对数据处理的要求。
综合考虑方案三更符合实际情况相对易于实现，故采用第三套方案。
、传感器模块选取方案
方案一
只采用三轴加速度传感器，三轴加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。
三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。
但是采用三轴加速度传感器，须将采集到的信号进行计算，由于飞行器在飞行过程中，
当三个方向上的加速度为零时,根据牛顿第二定律飞行器有可能处于匀速延某一方向运动或静止状态,无法有效的判断飞行器具体是那种状态，会产生不可预定的情况。
另外单凭三轴加速度传感器无法保持飞行器的平衡，无法实现飞行器的原地悬停及飞行过程中的平衡调整，而且需要的计算量会很大，故舍去该方案。
方案二
采用MPU60509轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的范围都是用户可控的。
一个片上1024字节的FIFO有助于降低系统功耗。
陀螺仪是一种空间相角传感器，主要检测空间某些相位的倾角变化、位置变化，主要用于空间物理领域，特别在航空、航海方面有较多的用途，如：
飞机上的陀螺仪，当飞机在做360°
翻转的时候，陀螺仪将会保持原始的基准状态不变。
陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性，可以测出飞行器行进方向及进行平衡调整，可以实现飞行器的悬停，以及姿态调整。
由于本系统是四旋翼飞行器，所以需要较高的稳定性，因此采用此传感器。
综合考虑方案二更利于实现，故采用第二套方案。
2.1.5、电源模块选取方案
采用四节电池供电，经三端稳压器7805稳压后送给MCU和光电对管等需要５Ｖ供电的部分，驱动四个电机。
该方案简单，但是电池在用一段后会有一个管压降，使得电路得到的电压不稳定，不利于PWM调速。
而且，电池的重量过大，容量小，飞行时间过短，内阻会随使用时间增大，驱动电机的电流变小甚至不稳定，不利于飞行器的飞行，此外，废旧电池会对环境造成污染，不利于环保。
采用高性能聚合物锂离子电池，可以提供以上的电压，经过整流滤波之后供给MCU、传感器、直流电机等直接使用。
该方案解决了电池重量的影响，此电池电容量大，足以让飞行器工作数十分钟，不存在电压不足而导致飞行器不稳定的情况，可以充电循环利用，有利于环境保护，且达到本系统的基本设计要求。
故采用此方案。
2.1.6、电机驱动模块选取方案
采用S8050三极管为驱动元件构成驱动电路，8050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大。
也可用作开关电路。
但是S8050内有一定大小阻值，会减小通过电机的电流，这样就减小了飞行器的最大升力。
可能导致飞行器无法起飞，故舍去此方案。
采用场效应管管SI2300为驱动元件构成驱动电路，SI2300是一种MOS管，其广泛应用于广泛应用于电池充电器，普通电源，智能开关电源，灯具，功率开关，LED，车载，玩具，电动车，电脑主板等方面，使用该场效应管内阻值相比NPN型三极管8050低，可降少功耗，且其具有开关作用，适合小于500mA的电流通电，符合该电路设计，故选取此方案。
、系统各模块的最终方案
经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
2.2.1、方案描述
四翼飞行器本身是围绕MCU组织起来的。
MCU的任务是读取物理传感器（MPU6050传感器）的测量结果，给出控制信号控制电机，让飞行器起飞，通过一个控制反馈回路，CPU对电机发送调节转速的指令使飞行器平稳飞行并保持一定高度。
控制程序向四翼飞行器发送飞行命令。
我们也有调节飞行器上控制参数的程序模块，并且会记录下传感器的测量结果，方便调整控制回路。
2.2.2、具体方案
（1）控制模块：
采用ARM公司的STM32F103C8T6为主控芯片。
（2）传感器模块：
MPU6050传感器。
（3）电源模块：
采用锂电池电源直接供电。
（4）电机模块：
采用空心杯直流电机。
（5）电机驱动元件：
SI2300等。
、控制算法介绍
（1）电机速度控制算法PWM
脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉宽调制（PWM）基本原理：
控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。
也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
PWM的一个优点是从处理器到信号都是数字形式的，无需进行。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
在程序设计中，PWM采用4组定时器实现，在一个周期内，由高电平翻转为低电平，高电平占的时间越长，电机的转速越快。
假设一个周期为固定值T，高电平占用时间为m（m<
T），则定时器定时为m时I/O输出为高电平，定时为T-m时间内为低电平。
频率越高对控制的性能越好，过渡越平滑，电机的震动感越小。
（2）平衡控制PID算法
在过程控制中，按的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID算法是应用最为广泛的一种自动算法。
它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；
对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID算法是一种最优控制。
PID调节规律是动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。
三、系统的硬件设计与实现
、系统硬件的基本组成部分
本设计是一个图像、机、电一体的综合设计,在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。
系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。
传感部分包括图像循迹模块、超声波测距模块，智能控制部分包括系统中控制器件根据由传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制飞行器的电机，完成了飞行器的直线飞行，升高，降落，起飞等各项任务。
控制部分包括五个主要单元电路：
瑞萨控制电路、电机驱动电路、平衡模块、测距模块、循迹模块。
系统硬件原理框图如图3所示。
图3原理框图
3.2、主要单元电路的设计
3.2.1、控制电路
用ARM公司的STM32F103C8T6作为主控芯片，其控制电路原理图如下：
图8超声波测距原理图
3.2.4、电机驱动电路
利用三极管SI2300、10K电阻和二极管构成一个驱动电路，其工作原理图如下所示：
四、系统软件设计
、基本要求流程图
、超声波发送和接收模块流程图
超声波发送和接收模块流程图如图14所示。
.软件流程图
.主要算法程序代码
#include"
"
externfloatfaccx,faccy,faccz,fgyrox,fgyroy,fgyroz;
externvoidtask_mpu6050（void）;
externU8get_mpu6050_mode（void）;
externvoidatttitude_calculate（unsignedinttimer_us,floatgx,floatgy,floatgz）;
externvoidq4_to_euler_rpy（Q4*dat,RPY*ang）;
externvoidcuratt_init（void）;
externQ4curattX;
externRPYcurrrpy;
voidR_MAIN_UserInit（void）;
voidmain（void）
{
R_MAIN_UserInit（）;
curatt_init（）;
while（1U）
{
task_mpu6050（）;
if（OK==get_mpu6050_mode（））
{
atttitude_calculate（4000,fgyrox,fgyroy,fgyroz）;
q4_to_euler_rpy（&
curattX,&
currrpy）;
}
;
}
}
voidR_MAIN_UserInit（void）
EI（）;
}
Q4curattX={1,0,0,0};
RPYcurrrpy={0,0,0};
floatmath_rsqrt（floatnumber）
longi;
floatx2,y;
x2=number*;
y=number;
i=*（long*）&
y;
i=0x5f3759df-（i>
>
1）;
y=*（float*）&
i;
y=y*（-（x2*y*y））;
returny;
voidcuratt_init（void）
=1;
=0;
voidatttitude_calculate（unsignedinttimer_us,floatgx,floatgy,floatgz）
floata_rsqrt;
floatqa,qb,qc;
floattimesec=timer_us*;
gx*=*timesec）;
gy*=*timesec）;
gz*=*timesec）;
qa=;
qb=;
qc=;
+=（-qb*gx-qc*gy-*gz）;
+=（qa*gx+qc*gz-*gy）;
+=（qa*gy-qb*gz+*gx）;
+=（qa*gz+qb*gy-qc*gx）;
a_rsqrt=math_rsqrt*+*+*+*;
*=a_rsqrt;
voidq4_to_euler_rpy（Q4*dat,RPY*ang）
floatgx,gy,gz,x_2,w_2;
gx=2*（dat->
x*dat->
z-dat->
w*dat->
y）;
gy=2*（dat->
x+dat->
y*dat->
z）;
x_2=dat->
x;
w_2=dat->
w;
gz=w_2-x_2-dat->
y+dat->
z*dat->
z;
gz*=gz;
ang->
yaw=-1*atan2（2*dat->
y-2*dat->
z,2*w_2+2*x_2-1）;
roll=-1*atan（gx*math_rsqrt（gy*gy+gz））;
pitch=atan（gy*math_rsqrt（gx*gx+gz））;
五、系统测试
、测试仪器
表2测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
UNI-T数字万用表
胜利公司
2
直流电压源DF1731SC2A
宁波中策电子有限公司
3
秒表精度
4
米尺
5
示波器
6
安全框
、指标测试
5.2.1、测试方法和条件
在硬件电路设计时用万用表测试元件的阻值，电压，电流等。
用示波器看电路上产生的信号以及信号的特征值。
秒表测试飞行器起飞和飞行时间是否达到要求。
米尺在做安全框时测量尺寸和飞机飞行的高度。
在整个测量过程中始终要有安全框来保护测量人员的安全，但是安全框不能影响观察的视线，直到测量结束才能撤去。
、测试数据及测试结果分析
⑴计时精度分析
由于飞行器在空中的难控制性和题目要求决定测量时间只要能大于一定是的值即可并不需要精确到固定的值，飞行的高度只要大于一米小于两米即可，左右摆动不得超过一米五，并且飞行过程中以不碰到安全框为原则。
飞行时间完全符合要求。
（2）超声波测距分析
安全框内的最大高度测量距离为两米，超声波在空气中的速度以300M/S计算其误差非常小完全符合飞行器的飞行高度要求。
（3）摄像头定位测试
在测试之前把A区和B区的图像信息存储在MCU中，飞行器在飞行过程中只要检测到飞行在A区或者B区上方则控制电机转速缓慢降落在指定区域内，在实际测试中虽然不能降落在正中心但是还是降落在指定区域内即能符合要求。
六、总结
本系统以瑞萨RL78/G13芯片为核心控制部件，配合以陀螺仪，三轴加速度，摄像头超声波等传感器协调工作来控制电机的转速。
利用光电、超声波检测等技术，和一套独特的编程控制实现飞行器的起飞，平衡保持，避开障碍物，定点降落的功能，最终使飞行器完成竞赛题目中的基本任务要求。
在系统设计过程中，力求硬件线路简单，节能环保，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。
有付出就会有收获。
在这暑假一个多月里，我们放弃回家和去玩的机会，选择留在学校学习和做设计为这次比赛做准备。
功夫不负有心人，我们成功地完成了四天三夜的全国大学生电子设计竞赛。
在本次竞赛的过程中，遇到了许多事先未曾预料的情况和各种困难，设计制作难度较大，但通过查找资料、仔细分析和自我调整讨论后独立的解决了问题。
在设计的过程中，我们团队团结合作，相互帮助，努力奋斗，在大家的共同努力下我们成功的完成了这次的竞赛。
在整个过程中我们深刻得体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己发现问题，分析问题，解决问题的能力也从中学习到了很多专业方面以及以前从来没有涉及到的知识，积累了软硬件设计的经验，极大的开阔了眼见，培养了在电子设计方面的兴趣，丰富了校园生活，增强了自信，启发的我们的思维。
当今社会，科学技术日新月异，信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，时代前进的步伐越迈越宽，虽然这是人类科技的进步，但是对于我们大学生触动还是很大，我们也希望依靠我们的智慧和毅力，对于人工智能慢慢的研究，而此全国大学生电子设计竞赛则给了我们很好的实践机会。
参考文献
（1）瑞萨快速入门学习视频和入门教材。
（2）RL78/G13开发套件MCU板原理图。
（3）瑞萨R8C/1A、1B单片机原理和应用刘正清华大学。
（4）瑞萨M16C/62P单片机原理和应用（附盘）矢野敏之。
（5）瑞萨M16C/62P单片机原理和应用清华大学出版社。
（6）《瑞萨R8C/11单片机原理和应用》（日）铃木诚常清璞。
（7）《瑞萨H8-SLP单片机原理和应用》（日）冈村雅一。
（8）GY-50-L3G4200三轴陀螺仪资料。
（9）OV7670摄像头资料。
（10）DAXL345三轴加速度传感器资料。
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