20xx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】
20xx年9月7日
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78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU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9926B MOS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: Digital Motion Processor)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,激光,寻线,超声波,单片机
2
目 录
1系统方案........................................................................................................................................ 1
1.1 XXXX的论证与选择 ........................................................................................................ 1
1.2 XXXX的论证与选择 ........................................................................................................ 1
1.3 控制系统的论证与选择 .................................................................................................... 1
2系统理论分析与计算 .................................................................................................................... 1
2.1 XXXX的分析 ................................................................................................................. 3
2.1.1 XXX ......................................................................................................................... 3
2.1.2 XXX ......................................................................................................................... 3
2.1.3 XXX ......................................................................................................................... 3
2.2 XXXX的计算 .................................................................................................................... 3
2.2.1 XXX ......................................................................................................................... 3
2.2.2 XXX ......................................................................................................................... 3
2.2.3 XXX ......................................................................................................................... 3
2.3 XXXX的计算 .................................................................................................................... 3
2.3.1 XXX ......................................................................................................................... 4
2.3.2 XXX ......................................................................................................................... 4
2.3.3 XXX ......................................................................................................................... 4
3电路与程序设计 ............................................................................................................................ 4
3.1电路的设计 ......................................................................................................................... 4
3.1.1系统总体框图 .......................................................................................................... 4
3.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图 ......................................................................... 5
3.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图 ......................................................................... 5
3.1.4电源 ........................................................................................ 错误!未定义书签。
3.2程序的设计 ......................................................................................................................... 5
3.2.1程序功能描述与设计思路 ...................................................................................... 5
3.2.2程序流程图 .............................................................................................................. 5
4测试方案与测试结果 .................................................................................................................... 6
4.1测试方案 ............................................................................................................................. 6
4.2 测试条件与仪器 ................................................................................................................ 6
4.3 测试结果及分析 ................................................................................................................ 6
4.3.1测试结果(数据) ....................................................................................................... 6
4.3.2测试分析与结论 ...................................................................................................... 7 附录1:电路原理图 ...................................................................................... 错误!未定义书签。 附录2:源程序 .............................................................................................. 错误!未定义书签。
III
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:采用激光,前瞻性较好、抗干扰性较好。
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
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。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小。
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 1
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 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%、3.0V±5%、3.3V±5%;陀螺仪工作电流 5mA,待机电流仅 5uA;加速计工作电流 500uA,在 10Hz 低功耗模 式下仅 40uA。
(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。
(d) 接口采用可高达 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。
(e) 具备较小的 4mm*4mm 的 QFN 封装,减少占据面积;其 QFN 封装如图 3.4-A 所示,图 3.4-B 为其 3 个轴的极性及旋转图。
2
(3). 传感器电路
在实际设计中,微处理器通过 IIC 接口读取传感器模块的数据,MPU-6050 模块电路设计如图 3.5 所示:
图 3.5 MPU-6050 电路
图 3.5 中,IIC 总线 SDA、SCL 连接微处理器的 I/O,相应的电源与地之间需要设计 去耦电容以确保芯片供电稳定;设计中只使用主 IIC 接口,其他的功能引脚设置悬空。
2系统理论分析与计算
2.1 XXXX的分析
2.1.1 XXX
XXXX
2.1.2 XXX
XXXX
2.1.3 XXX
XXXX
2.2 XXXX的计算
2.2.1 XXX
XXXX
2.2.2 XXX
XXXX
2.2.3 XXX
XXXX
3
2.3 XXXX的计算
2.3.1 XXX
XXXX
2.3.2 XXX
XXXX
2.3.3 XXX
XXXX
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图3.1.1所示:
图3.1.1 系统总体框图
4
3.1.2 电源模块电路原理图
3.1.3 电机驱动电路原理图
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
系统软件采用C语言开发,在CubSuite+环境下调试并实现功能。程序流程如图3.2.2所示,进入主程序并初始化后,按键开关按下后开始执行相应的程序。软件程序设计采用模块化的结构,便于分析和实现功能。
2、程序设计思路
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
2、XXX子程序流程图
5
3、XXX子程序流程图
4、XXX子程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
2、软件仿真测试
3、硬件软件联调
4.2 测试条件与仪器
测试条件:检查多次,运行程序无误,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:CubSuite+,示波器,数字万用表。
4.3 测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
6
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX,由此可以得出以下结论:
1、
2、
3、
综上所述,本设计达到设计要求。
附录1:电路原理图
附录2:源程序
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