1、選題編號： C題 全國大學生電子設計競賽設計報告選題名稱： 多旋翼自主飛行器 主辦單位： 遼寧省教育廳 比賽時間： 201*年*月*日08時 起 201*年*月*日20時 止 摘要多旋翼飛行器也稱為多旋翼直升機，是一種有多個螺旋槳的飛行器。本設計實現基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飛行器。本飛行器由飛行控制模塊、導航模塊、電源模塊和航拍攜物模塊等四部分組成。主控模塊采用ATMEGA328P芯片，負責飛行姿態控制；導航模塊以G13MCU為核心，由陀螺儀、聲波測距等幾部分構成，該模塊經過瑞薩芯片處理采集的數據，用PID控制算法對數據進行處理，同時解算出相應電機需要的PWM增減量

2、，及時調整電機，調整飛行姿態，使飛行器的飛行更加穩定；電源模塊負責提供持續穩定電流；航拍攜物模塊由攝像頭、電磁鐵等構成，負責完成比賽相應動作。飛行器測試穩定，實現了飛行器運動速度和轉向的精準控制，能夠完成航拍，觸高報警，攜物飛行，空中投遞等動作要求。關鍵詞：四旋翼，PID控制，瑞薩目錄摘要ii1.題意分析12.系統方案12.1 飛行控制模塊方案選擇12.2 飛行數據處理方案選擇12.3 電源模塊方案選擇22.4 總體方案描述23.設計與論證23.1 飛行控制方法23.2 PID控制算法33.3 建模參數計算33.4 建立坐標軸計算44.電路設計54.1 系統組成及原理框圖54.2 系統電路圖5

3、5.程序設計65.1 主程序思路圖65.2 PID算法流程圖75.3 系統軟件76. 測試方案76.1 硬件測試76.2 軟件仿真測試76.3 測試條件86.4 軟硬件聯調87.測試結果及分析87.1 測試結果87.2 結果分析98.參考文獻991.題意分析設計并制作一架帶航拍功能的多旋翼自主飛行器。飛行高度30CM以上，實現直線航拍、矩形飛行、高度報警、攜物飛行、空中投遞、尋找目標等功能。根據題意，我們計劃設計一個四旋翼自主飛行器，通過攝像頭，電磁鐵，聲波測距等實現以上目標。2.系統方案2.1 飛行控制模塊方案選擇方案一：飛行控制模塊使用pcduino板為控制核心。其內存大而且板子體積較小，

4、重量較輕，符合飛行控制的實時性并有效降低飛行器自重。但pcduino板對電源的要求較高，而且I/O口較少，不能很好的擴展飛行器其他功能。方案二：飛行控制模塊采用ATMEGA328P的芯片。ATMEGA328P的板子I/O口很多，自帶定時器和多路PWM，可以實現的功能較多，符合實驗要求。ATMEGA328P迷你板在體積和重量上也不是很大，對飛行器的載重量負擔不大。綜合對比兩個方案，飛行控制模塊采用ATMEGA328P更能滿足我們的需求，其存在的弊端對整個裝置影響較小，所以采用飛行控制模塊采用第二種方案。2.2 飛行數據處理方案選擇方案一：采用RL78/G13MCU 板R5F100LEA芯片進行飛

5、行數據處理，陀螺儀采用光纖陀螺儀。特點是光傳播路徑的變化，決定敏感元件的角位移。光纖陀螺儀壽命長，動態范圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕，但是成本較高，反應動作較快不好控制，需要多次試驗。 方案二：采用RL78/G13MCU 板R5F100LEA芯片進行飛行數據處理陀螺儀采用MPU6050三軸陀螺儀。其可以在同一時間內測量三個不同方向的加速度、角速度、角度，具有可靠性很好、結構簡單、重量輕和體積小等特點，但是其輸出數據需要大量的浮點預算才能保證較高的精度，可能會影響數據處理芯片的響應速度。綜合對比上述兩種方案，方案一，控制困難，多次試驗對飛行器機身結構骨架破壞較大，如多次更換修理不利于

6、飛行器調試。而方案二，雖然會產生大量的浮點預算，但考慮到R5F100LEA芯片運算能力強，陀螺儀產生的數據處理對R5F100LEA芯片響應速度影響不大。故飛行數據處理采用方案二。2.3 電源模塊方案選擇 方案一：采用元器件2596為開關穩壓芯片，toshiba采用L298N電機驅動模塊，其穩壓芯片效率高，不容易發熱，但輸出的紋波較大，L298N電機驅動模塊驅動效果不佳，使電機轉速較低。方案二：采用線性元器件2940構成穩壓電路，采用場效應管9926B芯片組成電機驅動模塊。其輸出紋波小，效率高，不容易發熱，綜合性能高。驅動能力強。綜合上述兩種方案，方案二綜合性較強，總體符合設計要求，電源模塊選擇

7、方案二。2.4 總體方案描述四旋翼自主飛行器設計由飛行控制模塊、導航模塊、電源模塊和航拍攜物模塊等四部分組成，外形結構由固定的剛性十字交叉骨架和四個分別固定在展臂末端的電機構成，各模塊均放置在飛行器十字型骨架中心。飛行控模塊采用ATMEGA328P芯片，主要負責四個電機的控制；導航模塊以G13MCU核心，由陀螺儀、聲波測距等構成，工作中該模塊收集的數據經過瑞薩芯片處理后輸出，發送給飛行控制芯片調整飛行姿態；電源模塊負責為整個系統提供持續穩定電流；航拍攜物模塊由攝像頭、電磁鐵等構成，主要負責完成比賽的相應要求。3.設計與論證3.1 飛行控制方法四旋翼飛行器依靠四個電機的轉速差進行控制，基本動作原

8、理為：電機1和電機3逆時針旋轉驅動，兩個正螺旋槳產生升力，電機2和電機4順時針旋轉驅動兩個反螺旋槳產生升力。反向旋轉的兩組電機和螺旋槳使其各自對機身產生的轉矩相互抵消，保證四個電機轉速一致，機身不發生轉動。運動示意如圖1所示。圖1 四旋翼飛行器前/后、左/右、上/下運動示意圖電機1和電機4轉速減小/增大，同時電機 2 和 3 轉速增大/減小，產生向前/后方向的運動。電機1和2轉速減小/增大，同時電機3和4轉速增大/減小，產生向左/右方向的運動。四個電機轉速同時增大/減小產生向上/向下的運動。3.2 PID控制算法PID控制即將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用這

9、一控制量對被控對象進行控制。通過人為引入四個控制量(U1，U2，U3，U4),從而把非線性耦合模型解耦為四個獨立的控制通道,四旋翼直升機系統可以被描述為由角運動和平移運動這兩個子系統組成,角運動影響平移運動,而平移運動則不影響角運動。控制系統主要包含兩個控制回路:一個是飛行器姿態控制回路,另一個是飛行器位置控制回路。由于姿態運動模態的頻帶寬,運動速率快,所以姿態控制回路作為內回路進行設計;而位置運動模態的頻帶窄,運動速度慢,所以位置控制回路作為外回路進行設計。位置控制回路的控制指令預先設置或者由導航系統實時產生。位置控制回路使飛行器能夠懸停在指定位置或者按照設定好的軌跡飛行。姿態控制回路使四旋

10、翼飛行器保持穩定的飛行姿態，如圖2所示。若兩個控制回路同時產生控制信號則四個旋翼的轉速分別作相應的調整,使得四旋翼飛行器能夠按照指令穩定飛行。圖2 控制系統結構框圖3.3 建模參數計算建立飛行器建立一個非線性模型，由于作用到飛行器上的合力和合力矩是四個螺旋槳所產生的力與力矩的矢量和，之間存在極大地交叉耦合特性。不考慮或忽略交叉耦合以及對單個螺旋槳的力與力矩的影響，把飛行器建模為集總系統,并假定四個螺旋漿的軸線都與機體平面嚴格垂直。定義推力FB為四個旋翼升力（1）的總和，因此，在機體坐標系中表示的拉力FB=0 0 TT。如式（1）所示。（2）地面坐標系下，機體的受力情況如式（2）。（3）由牛頓第

11、二定律可知，三個方向的運動方程，根據歐拉方程，可以獲得機體的角度運動方程，忽略空氣阻力，自定義四旋翼直升機的四個輸入量。聯立兩個方程可得飛機運動方程式（3）。（4）進行多次線性化處理，獲得簡化的線性模型，如式（4）所示。3.4 建立坐標軸計算根據動力學模型建立機體坐標系 B(oxyz)和地面坐標系 E(OXYZ)兩個坐標系如圖3所示。圖3 機體坐標系與地面坐標系機體坐標系原點o取在四旋翼飛行器的重心上，x軸在飛機對稱平面內并平行于飛行器的縱軸線；y軸垂直于飛機對稱平面平行于左右旋翼的連線指向機身左方，z軸分別與 x 軸 y 軸垂直并指向機身上方。地面坐標系原點在地面上選任意點O，作四旋翼飛行器

12、起飛位置。X 軸是在水平面內指向某一方向，Z軸垂直于地面指向空中，Y軸在水平面內垂直于X軸，并滿足右手定則。（6）即（5）通過轉換繞x、y、z 軸旋轉到X、Y、Z 軸的歐拉角、。坐標轉換采用右手定則，先繞 z 軸旋轉得 ，再繞 y 軸旋轉得，最后繞 x 軸旋轉得 ，每旋轉一次，都有相應的轉移矩陣，整理得機體坐標系 B 到地面坐標系 E 的轉換矩陣，如式（5）所示，整理得式（3）。4.電路設計4.1 系統組成及原理框圖陀螺儀姿態傳感器超聲波模塊攝像頭RL78/G13MCU 板飛行控制板電機驅動模塊物體投放模塊系統由飛行控制模塊、導航模塊、電源模塊和航拍攜物模塊等四部分組成。主控模塊負責飛行姿態控

13、制；導航模塊用PID控制算法對數據進行處理，同時解算出相應電機需要的PWM增減量，調整飛行姿態；電源模塊負責提供持續穩定電流；航拍攜物模塊主要負責完成比賽相應動作。原理框圖如圖4所示。圖4 系統總體框圖4.2 系統電路圖根據系統的方案設計和各模塊之間的關系，畫出系統電路圖，如圖5所示。各部分電路用紅框標出。圖5 飛行器整體電路圖5.程序設計5.1 主程序思路圖基礎部分發揮部分降落返回A區著陸探測著陸區域探測B區投放鐵片循跡前進循跡前進飛躍示高線調整飛行高度調整飛行高度起飛姿態調整拾起鐵片起飛姿態調整開始主程序按照要求不同分為“基礎部分”和“發揮部分”兩部分設計。如圖6所示。圖6 主程序思路圖5

14、.2 PID算法流程圖配合上述PID算法，流程圖如圖7所示。圖7 PID算法流程圖5.3 系統軟件系統軟件采用C語言開發，在CubSuite+環境下調試并實現功能。進入主程序并初始化后，按鍵開關按下后開始執行相應的程序。軟件程序設計采用模塊化的結構，便于分析和實現功能。6. 測試方案6.1 硬件測試調試PID的三個參數，當飛行器反應迅速且兩邊機翼等幅震蕩時即可確定P參數；調節D參數時當飛行器從任意角度都可以一次直接返回平衡位置即可；當某一邊機翼反應過小時加一個I參數，直至測試出一組適合的PID參數。同時電源直接給電機供電，測試電壓電流正常。6.2 軟件仿真測試用串口顯示每個電機PWM輸出，觀察

15、各種姿態下PID控制后電機油門的大小。再在CubSuite+環境下調試，調試通過，直至無運行錯誤。6.3 測試條件檢查多次，運行程序無誤，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。6.4 軟硬件聯調通過編程，模仿出PWM，并測量是否能通過電機驅動來使飛行器起飛，通過多次測試，找出飛行器起飛時的PWM值。通過串口向主控板發送數據，并在電腦上利用串口接收，檢測數據是否正確，通過軟件編程針對顯示的數據進行修改。使四軸飛行器穩定的起飛，并懸停在空中；再進行測試，使四軸飛行器前進和后退；最后進行降落的測試。通過超聲波的測量使其懸停在100cm的空中，在進行前進后退的校

16、準，使其飛行足夠準確，之后進行對引導線的識別，使飛機平穩前進。7.測試結果及分析7.1 測試結果調試好飛行器各項參數，對飛行器進行測試，測試結果符合色設計目標，可達到題目要求，測試飛行數據如表1所示，攜物飛行數據如表2所示。表1：A區飛向B區測試數據第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次第八次第九次時間/s18158191316181216高度/cm504030554550504050表2：A區拾取鐵片飛達B區然后返回測試數據第一次第二次第三次第四次時間/s26282221高度/cm505045407.2 結果分析根據上述測試數據，飛行器測試飛行高度大于30CM，飛行時間小于30s。，由此可以得出以下結論：1、飛行器擺放在A區，一鍵式啟動飛行器起飛；飛向B區，在B區降落并停機，飛行時間不大于30s，飛行高度大于3