1、 7/72021全國大學生電子設計大賽作品報告 2015年全國大學生電子設計競賽多旋翼自主飛行器（c題） 2015 年8月15 日 旋多翼自主飛行器由RL78/G13MCU板（芯片型號R5F100LEA）,STM32單片 機模塊(加SD卡)，CMOS攝像頭，A2212/13T新西達電機。STM32單片機輸入信 號到RL78/G13MCU板，啟動飛行器和CMOS攝像模塊，RL78/G13MCU飛控模塊矯 正飛行器在空中的姿態，實現懸停,前進,后退等功能，CMOS模塊將拍攝的視頻 內容存儲在STM32模塊內置的SD卡里。當飛行到目的地時各模塊自動停止工作。 飛行器能一鍵式啟動，并開始航拍，從A點起

2、飛，飛向B區，在B區降落，但不是中心，當飛行結束后，拔掉SD卡，能順利的通過P0機回放，在飛行過程中，始終在電子示高線H1和H2的區間內。 目錄 目錄 1. 方案論證與比較 (4) 1.1四旋翼算法方案 (4) 1.2 STM32控制方案 (4) 1.3 CMOS視頻模塊方案 (5) 1.4四旋翼飛行器結構與原理理論 (5) 2理論分析與計算 (6) 2.1四旋翼飛控算法誤析 (6) 2.2 PID算法誤差分析 (7) 3.測試方案 (8) 3.1測試儀器 (8) 3.2 測試環境 (8) 4.測試結果 (8) 4.1.基本要求測試數據 (8) 4.2.綜合性能分析結論 (8) 4.3心得體會

3、： (8) 1. 方案論證與比較 1.1四旋翼算法方案 方案一：采用歐拉角法歐拉角法靜止狀態，或者總加速度只是稍微大于g 時，由加計算出的值比較準確。 使用歐拉角表示姿態，令,和代表ZYX 歐拉角，分別稱為偏航角、俯仰角和橫滾角。載體坐標系下的加速度(axB,ayB,azB)和參考坐標系下的加速度(axN, ayN, azN)之間的關系可表示為(1)。其中 c 和 s 分別代表 cos 和 sin 。axB,ayB,azB 就是mpu 讀出來的三個值。 這個矩陣就是三個旋轉矩陣相乘得到的，因為矩陣的乘法可以表示旋轉。 axB c c c s s axN ayB c s s s c c c s

4、s s s c ayN azB s s c s c s c c s s c c azN -? ? ?=-+?+-+? (1) 飛行器處于靜止狀態，此時參考系下的加速度等于重力加速度，即 00 xN yN zN a a g a ?=? ?（2） 把（2）代入（1）可以解 : arctg =（3） yB zB a arctg a ?= ? ?（4） 即為初始俯仰角和橫滾角，通過加速度計得到載體坐標系下的加速度即可將其解出，偏航角可以通過電子羅盤求出。 方案二：四元數法（通過處理單位采樣時間內的角增量(mpu 的陀螺儀得到的就是角增量)，為了避免噪聲的微分放大，應該直接用角增量抄的書） 本項目采用的

5、是方案一。 1.2 STM32控制方案 方案一：直接激活飛控模塊（RL78/G13MCU），可以很好的與飛控進行協調，實現飛控模塊的啟動與停止。 方案二：使用STM32直接控制飛行器飛行。在植入的程序里包含對四旋翼的控制算法和自啟動和自停止，還有視頻模塊的處理，但太過復雜。 本項目組結合本題相關要求。對模塊之間的協調和信號的傳輸進行處理，決定采用項目一。 1.3 CMOS視頻模塊方案 通過圖像傳感器對實時圖像的采集，得到道路的信息，對當前采集到的圖像信息做出判斷，從而得到道路的情況，之后通過進一步控制實現循跡功能。 本例程利用OV7620 CMOS 攝像頭模塊成像1 米外路徑圖像（白底一條 黑

6、線），將一幀數據轉換成“0”“1” 鏡像到MCU RL78/G13的RAM中。如圖1.1圖像二值化存儲示例。 圖1.1 1.3總體方案描述：如圖1.3 圖1.3 1.4四旋翼飛行器結構與原理理論 1.4.1飛行器結構 旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。結構形式如圖 1.1所示。 1.4. 2.工作原理 四旋翼飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時卻

7、有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統。 圖1.4飛行器的結構形式 2理論分析與計算 2.1四旋翼飛控算法誤析 = 2*(q1q3 - q0q2);/四元素中xyz的vy = 2*(q0q1 + q2q3); vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3 ; / error is sum of cross product between reference direction of fields and direction measured by sensors ex = (ay*vz - az*vy) ; /向量外積在相減得到差分就是誤差 ey = (az* - ax*vz

8、) ; ez = (ax*vy - ay*) ; exInt = exInt + ex * Ki;/對誤差進行積分 eyInt = eyInt + ey * Ki; ezInt = ezInt + ez * Ki; / adjusted gyroscope measurements gx = gx + Kp*ex + exInt; /將誤差PI后補償到陀螺儀，即補償零點漂移 gy = gy + Kp*ey + eyInt; gz = gz + Kp*ez + ezInt; /這里的gz由于沒有觀測者進行矯正會產生漂移，表現出來的就是積分自增或自減 2.2PID算法誤差分析 直接使用陀螺儀測量得

9、到的角速度作為微分項。由于角度的微分即角速度，因此直接使用陀螺儀測得的角速度值最為直觀簡便，且由于沒有引入期望值進行微分，因此，在期望值進行切換時不會對系統產生較大的干擾。然而，陀螺儀的零點飄移卻是一個不可忽視的問題。隨著時間，系統運動狀態的改變，陀螺儀的零點可能隨之改變，因而從理論上講，應當對陀螺儀的零點進行動態修正，以保證微分項的準確性。 (1)使用本次角度偏差與上一時刻的角度偏差的差值作為微分項。由于對期 望值進行了微分，因此在期望值進行切換時，存在較大擾動，若使用該方法，可 對微分項進行一階慣性濾波，使微分項較為平滑。 (2)使用微分先行PID 算法，將角度期望進行分離，直接針對當前時

10、刻姿態 解算得到的姿態角進行微分，與上一種方法相比，在期望值進行切換時，不會對 系統產生較大的擾動。與第一種方法相比，由于在姿態解算時，通過加速度計與 陀螺儀進行融合得到較為準確的姿態角，因此，將其用于微分項在理論上較為合 理。 然而，經過大量的實驗經驗發現，第一種方法的控制效果最好。仔細推敲之 后不難發現，由于第三種方法所使用的姿態解算得到的姿態角并非時刻接近真實 值，在動態過程中，該現象尤為明顯。當真實值進行切換時，估計值從上一時刻 逼近這一時刻的真實值需要一定的過渡時間，因此，可以認為第三種方法得到的 微分項是滯后的，微分項的作用體現在對未來的預測，而使用一個“過去”的控制 量對“未來”

11、進行預測控制，這顯然是不合理的。在實驗中則體現為系統抵抗外力 的反作用力較小。因此，使用第三種方法的前提為，具備響應極快的姿態解算算 法且控制頻率較高。 3.測試方案 3.1測試儀器 電子示高裝置，產生示高線h1,h2，位于同一垂直水平線，飛行器觸碰h1,h2線時該裝置可產生聲光報警。 PC機一臺，將拍攝的視頻文件借助PC機播放，以驗證視頻模塊能否正常工作。 兩個直徑不同的同心圓，內圓為黑色外圓為白色，直徑分別為25CM和75CM。秒表一個，要求在規定的時間內完成規定的動作。 3.2 測試環境 在空曠的實驗室中，確保實驗室的長度,高度,寬度均符合條件要求，并能保證實驗人員的安全要求。 基本要求

12、一：測量飛行器起始的位置與目的地之間的線性距離，使它們之間的距離超過題目要求的最小距離，使其從A點出發至B點結束，測試系統工作情況。 基本要求二:測試飛行器從A點出發以飛行高度不低于30CM的要求按逆時針做矩形運動。 基本要求三：要求測試環境有電子示高裝置，并可在現場產生激光示高線，其高度可調，調整范圍為30CM120CM。 發揮部分要求一：使用的小鐵板M1的重量不得低于規定重量的95%，并為單獨實物。 4.測試結果 4.1.基本要求測試數據 飛行器能一鍵式啟動，并開始航拍，從A點起飛，飛向B區，在B區降落，但不是中心，當飛行結束后，拔掉SD卡，能順利的通過P0機回放，在飛行過程中，始終在電子

13、示高線H1和H2的區間內。 4.2.綜合性能分析結論 飛行器在A區能一鍵式啟動，飛行器起飛，沿矩陣CDEF逆時針飛行一圈，并在A區著陸并停機；飛行高度不低于30CM；飛行時間不大于45S.但是各個部件的協調做的不是太好，具體是:有的時候不能正常啟動，還有對CMOS攝像模塊的控制以及錄得文件的存儲，并不能更好的工作，希望以后可以繼續改進。4.3心得體會： 通過單片機來控制飛控模塊的確是個難題，在代碼的設計上出現了很大難題，我和我的團隊更是在單片機與飛控的通信問題上費了好大功夫。 飛控始終是一個大難題，我們團隊采用的是歐拉角方法，我們的姿態扭正算法是在萬方數據庫里的論文找的，千辛萬苦始到金。 另一

14、個難題是攝像模塊的處理，攝像模塊如何與單片機的通信以及如何把所拍攝文件傳輸到SD卡里并能通過PC機回放，我們在單片機的代碼里也考慮到這個問題，最終還是得到好的結果。 炎炎夏日，在如此緊張的時間內完成如此大的工程，的確對我們的耐力和知識提出了挑戰，有團隊的合作,有老師的支持是我們參與此次大賽的初始勇氣。希望下次我們能做到更好。 附錄二、主要軟件程序 #includestc12c5a60s2.h sbit p1=P10; /副翼 sbit p2=P11; /升降 sbit p3=P12; /油門 sbit p4=P13; /方向 unsigned char flag=0;/ intinit_kk=4000;/激活標志 4000周期為2秒/intpwm=0; void delay() inti,j; for(i=0;iflag)/方向2ms p4=1; else p4=0; if(10flag)/油門1ms p3=1 ; else p3=0; delay(); while(1) if(flag=200) flag=0