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全国大学生电子设计大赛作品报告

全国大学生电子设计大

赛作品报告

Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

2015年全国大学生电子设计竞赛

多旋翼自主飞行器（c题）

2015 年8月15 日

摘要

旋多翼自主飞行器由RL78/G13MCU板（芯片型号R5F100 LEA）,STM32单片机模块(加SD卡)，CMOS摄像头，A2212/13T新西达电机。STM32单片机输入信号到RL78/G13MCU板，启动飞行器和CMOS摄像模块，RL78/G13MCU飞控模块矫正飞行器在空中的姿态，实现悬停,前进,后退等功能，CMOS模块将拍摄的视频内容存储在STM32模块内置的SD卡里。当飞行到目的地时各模块自动停止工作。

飞行器能一键式启动，并开始航拍，从A点起飞，飞向B区，在B区降落，但不是中心，当飞行结束后，拔掉SD卡，能顺利的通过P0机回放，在飞行过程中，始终在电子示高线H1和H2的区间内。

1. 方案论证与比较

四旋翼算法方案

方案一：采用欧拉角法欧拉角法静止状态，或者总加速度只是稍微大于g 时，由加计算出的值比较准确。

使用欧拉角表示姿态，令Φ,θ和Φ代表ZYX 欧拉角，分别称为偏航角、俯仰角和横滚角。载体坐标系下的加速度(axB,ayB,azB)和参考坐标系下的加速度(axN, ayN, azN)之间的关系可表示为(1)。其中 c 和 s 分别代表 cos 和 sin 。axB,ayB,azB 就是mpu 读出来的三个值。

这个矩阵就是三个旋转矩阵相乘得到的，因为矩阵的乘法可以表示旋转。

axB c c c s s axN ayB c s s s c c c s s s s c ayN azB s s c s c s c c s s c c azN θψθψθφψφθψφψφθψφθφψφθψφψφθψφθ-???

?????????=-++????????????+-+?????? (1)

飞行器处于静止状态，此时参考系下的加速度等于重力加速度，即

00xN yN zN a a g a ????????=???????????? （2）把（2）代入（1）可以解

arctg θ= （3）

a arctg a φ??=

?? （4）

即为初始俯仰角和横滚角，通过加速度计得到载体坐标系下的加速度即可将其解出，偏航角可以通过电子罗盘求出。

方案二：四元数法（通过处理单位采样时间内的角增量(mpu 的陀螺仪得到的就是角增量)，为了避免噪声的微分放大，应该直接用角增量-------抄的书）

本项目采用的是方案一。

STM32控制方案

方案一：直接激活飞控模块（RL78/G13MCU ），可以很好的与飞控进行协调，实现飞控模块的启动与停止。

方案二：使用STM32直接控制飞行器飞行。在植入的程序里包含对四旋翼的控制算法和自启动和自停止，还有视频模块的处理，但太过复杂。

本项目组结合本题相关要求。对模块之间的协调和信号的传输进行处理，决定采用项目一。

CMOS视频模块方案

通过图像传感器对实时图像的采集，得到道路的信息，对当前采集到的图像信息做出判断，从而得到道路的情况，之后通过进一步控制实现循迹功能。

本例程利用OV7620 CMOS 摄像头模块成像 1 米外路径图像（白底一条黑线），将一帧数据转换成“0”“1” 镜像到MCU RL78/G13的RAM中。如图图像二

值化存储示例。

图

总体方案描述：如图

图

四旋翼飞行器结构与原理理论

飞行器结构

旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图所示。

工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

图飞行器的结构形式

2理论分析与计算

四旋翼飞控算法误析

vx = 2*(q1q3 - q0q2); 试方案

测试仪器

电子示高装置，产生示高线h1,h2，位于同一垂直水平线，飞行器触碰h1,h2线时该装置可产生声光报警。

PC机一台，将拍摄的视频文件借助PC机播放，以验证视频模块能否正常工作。

两个直径不同的同心圆，内圆为黑色外圆为白色，直径分别为25CM和75CM。秒表一个，要求在规定的时间内完成规定的动作。

测试环境

在空旷的实验室中，确保实验室的长度,高度,宽度均符合条件要求，，并能保证实验人员的安全要求。

基本要求一：测量飞行器起始的位置与目的地之间的线性距离，使它们之间的距离超过题目要求的最小距离，使其从A点出发至B点结束，测试系统工作情况。

基本要求二:测试飞行器从A点出发以飞行高度不低于30CM的要求按逆时针做矩形运动。

基本要求三：要求测试环境有电子示高装置，并可在现场产生激光示高线，其高度可调，调整范围为30CM—120CM。

发挥部分要求一：使用的小铁板M1的重量不得低于规定重量的95%，并为单独实物。

4.测试结果

.基本要求测试数据

.综合性能分析结论

飞行器在A区能一键式启动，飞行器起飞，沿矩阵CDEF逆时针飞行一圈，并在A区着陆并停机；飞行高度不低于30CM；飞行时间不大于45S..但是各个部件的协调做的不是太好，具体是:有的时候不能正常启动，还有对CMOS摄像模块的控制以及录得文件的存储，并不能更好的工作，希望以后可以继续改进。

心得体会：

通过单片机来控制飞控模块的确是个难题，在代码的设计上出现了很大难题，，我和我的团队更是在单片机与飞控的通信问题上费了好大功夫。

飞控始终是一个大难题，我们团队采用的是欧拉角方法，我们的姿态扭正算法是在万方数据库里的论文找的，千辛万苦始到金。

另一个难题是摄像模块的处理，摄像模块如何与单片机的通信以及如何把所拍摄文件传输到SD卡里并能通过PC机回放，我们在单片机的代码里也考虑到这个问题，最终还是得到好的结果。

炎炎夏日，在如此紧张的时间内完成如此大的工程，的确对我们的耐力和知识提出了挑战，有团队的合作,有老师的支持是我们参与此次大赛的初始勇气。希望下次我们能做到更好。

参考文献

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计（第二版）.北京：北京航空航天大学出版社 2011 年 2 月

[3]程程，洪龙. 一种实用的红外通信装置设计及实现.电力自动化设备. 第 29 卷第9 期 2009 年 9 月 P26~29

[4]Paul scherz.发明者电子设计宝典.蔡声镇，林佑达，吴允平等译.福建：福建科学出版社.2004 年 1 月

[5]陈永真，陈之勃.全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精讲.北京：电子工业出版社.2011 年 5 月

附录一、总体电路原理图

附录二、主要软件程序

#include""

sbit p1=P1^0; //副翼

sbit p2=P1^1; //升降

sbit p3=P1^2; //油门

sbit p4=P1^3; //方向

unsigned char flag=0;//

int init_kk=4000;//激活标志 4000周期为2秒

//int pwm=0;

void delay()

{

int i,j;

for(i=0;i<1850;i++)

for(j=0;j<1000;j++);

}

int mian()

{

EA=1;

TMOD=0x01;

AUXR=0;

ET0=1;

TH0=185/256; //

TL0=185%256;

TR0=1;

while(init_kk)

{

if(flag==200)

flag=0;

if(20>flag)//方向2ms

{

p4=1;

}

else

{

p4=0;

}

if(10>flag)//油门1ms

{

p3=1 ;

}

else

{

p3=0;

}

delay();

while(1)

{

if(flag==200)

flag=0;

if(15>=flag) //方向

{

p1=0;

p2=0;

p4=1;

}

else

{

p1=0;

p2=0;

p4=0;

}

if(13>=flag) //油门

{

p3=1;

// if(pwm==6000) // {

// pwm=0;

// i++;

// if(i==20) // i=0; // }

}

else

p3=0;

}

void tm() interrupt 1

{

TH0=185/256; //

TL0=185%256;

init_kk--;

flag++;

//pwm++;

TR0=1;

}