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1、2013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】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 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，工作频率髙达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
2、直流电机，该驱动芯片具有阻小、负 载电流大、且控制简单的特性。通过采用MPL-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 Mot io n 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，实现了四族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
3、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、超声波测髙模块、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
4、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
5、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10 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10 口 ECHO输
6、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，各个桨翼之问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
7、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
8、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) 部3轴角速度传感器具有250、500、1000与土2000( /s)全格测量围; 3轴加速度量程可程序控制，控制围为2g、4g、8g和16g。(b) 具备较低功耗：芯片供电电压VDD为2. 5V5%、3.0V5%、3. 3V5%；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40uAo(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
9、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,建频率发生器在所有温度围仅有1% 频率变化。(e) 具备较小的4min*4mni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。RESV cw KESW RESV SCL SIM門凹門凹出凸CLKIN 匡3(Z叵3 冋 冋冋F1B回GNI)NCNCNCsVLOC-CAurcL5TSYNCA芯片封装B极性及旋转图图 34 MFU-6O5O(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
10、路设计如图3.5所示:GND團3.5 M卩U-6050电路1716VIN一空UNA亠D 7 6 5 4 D MDIHt 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：
11、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（增大），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：图 2. 1.23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：3.1
12、.3电机驱动电路原理图如图3.1.3图3.1.1系统总体框图3.1.2电源模块电路原理图如图3.1.257图 3. 1.2Rasl LOKGND图 3. 1.332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
13、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404142414245444045A区拾取铁片飞跃示髙线到达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4.3.2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30so300图 4. 3.2B区指示线1米示髙线指示线指示线A区2013年9月7日
