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电子设计大赛国赛四旋翼自主飞行器
2015电子设计大赛国赛四
旋翼自主飞行器-(A题)
2013年全国大学生电子设计竞赛
课题:
四旋翼自主飞行器
【本科组】
(B题)
2013年9月7日
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78K0RCPU內核为基础,围绕新的RL78CPU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9926BMOS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:
DigitalMotionProcessor)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,E18-D50NK光电传感器,寻线,超声波,单片机。
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E18-D50NK光电传感器,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。
探测距离远、受可见光干扰小、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
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测
距精度可达高到3mm模块包括超声波发射器、接收器与控制电路,达到本次设计所需要求.
基本工作原理:
(1)采用IO口TRIG触发测距,给最少10us的高电平信呈。
(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声
波从发射到返回的时间。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;
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lie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土250、土500、土1000与土2000(°/s)全格测量范围;3轴加速度量程可程序控制,控制范围为土2g、土4g、土8g和土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。
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A芯片対皱B极性及旋转图
图34MFU•创刃
(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:
CH
團3.SMPU-60S0电路
图3.5MPU-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
2.1四旋翼飞行器的基本原理分析
2.1.1
四旋翼飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结构上的4个电机驱动的一种飞器。
飞行器动作依靠4个电机的转速差进行控制,其机械结构相对简单,可电机直接驱动,无需复杂的传动装置,便于微型化。
四旋翼飞行器产生基本动作的原理为:
电机1和3
逆时针旋转驱动两个正桨产生升力,电机2和4顺时针旋转驱动两个反桨产生升力。
反向旋转的两组电机和桨使其各自对机身产生的转矩相互抵消,保证4个电机转速一
致时机身不发生转动。
电机1和4转速减小(增大),同时电机2和3转速增大(减小),产生向前(后)方向的运动。
电机1和2转速减小伸大),同时电机3和4转速增大(减小),产生向左(右)方向的运动。
4个电机转速同时增大(减小)产生向上(向下)的运动。
对角线的电机一组转速增大,另一组转速减小产生自身旋转运动,如图2.1.1:
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
3.1.2电源模块电路原理图如图3.1.2
图3.1.2
3.1.3电机驱动电路原理图如图3.1.3
图3.1.3
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、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。
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
起飞姿丿
I拾起铁片起
调整飞JI__调整飞J
循迹前讲」
•探测IB区」
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
电源直接给电机供电,测试电压电流正常。
2、软件仿真测试
在CubSuite+环境下调试,调试通过,无运行错误
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)
A区飞向B区所需时间:
(单位/S)
第
次
第
次
第
次
第四次
第
五
次
第
六
次
第
七次
第
八
次
第
九
次
40
41
42
41
42
45
44
40
45
A区拾取铁片飞跃示高线到达B区然后飞跃示高线返回所需时间:
(单位/S)
第一次
第二次
第三次
第四次
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,A区到达B区所需时间均符合需求,由此可以得出以下结论
(如图4.3.2):
(1)四旋翼自主飞行器(下简称飞行器)摆放在图432所示的A区,一键式
启动飞行器起飞;飞向B区,在B区降落并停机;飞行时间不大于45s。
(2)飞行器摆放在B区,一键式启动飞行器起飞;飞向A区,在A区降落并停机;飞行时间不大于45s。
综上所述,本设计达到设计要求。
(3)飞行器摆放在A区,飞行器下面摆放一薄铁片,一键式启动,飞行器拾取薄铁片并起飞。
(4)飞行器携带薄铁片从示高线上方飞向B区,并在空中将薄铁片投放到
B区;飞行器从示高线上方返回A区,在A区降落并停机。
(5)以上往返飞行时间不大于30s。
500•■八……八g—~I米亦為级
I10:
屿!
指示线
I«I
图432
2013年9月7日
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- 电子设计 大赛 国赛四旋翼 自主 飞行器