2015全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽作品報告(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 多旋翼自主飛行器（c題）2015 年 8月 15 日 摘 要旋多翼自主飛行器由RL78/G13MCU板（芯片型號R5F100 LEA）,STM32單片機(jī)模塊(加SD卡)，CMOS攝像頭，A2212/13T新西達(dá)電機(jī)。STM32單片機(jī)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(tài)，實(shí)現(xiàn)懸停,前進(jìn),后退等功能，CMOS模塊將拍攝的視頻內(nèi)容存儲在STM32模塊內(nèi)置的SD卡里。當(dāng)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(diǎn)起飛，飛向B區(qū)，在B區(qū)

2、降落，但不是中心，當(dāng)飛行結(jié)束后，拔掉SD卡，能順利的通過P0機(jī)回放，在飛行過程中，始終在電子示高線H1和H2的區(qū)間內(nèi)。目 錄目錄 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?fàn)顟B(tài)，或者總加速度只是稍微大于g時，由加計算出的值比較準(zhǔn)確。使用歐拉角表示姿態(tài)，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(biāo)系下的 加 速 度(axB,ayB,azB)和參考坐標(biāo)系下的加速度(axN, ayN, azN)之間的關(guān)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(zhuǎn)矩陣相

3、乘得到的，因?yàn)榫仃嚨某朔梢员硎拘D(zhuǎn)。 (1)飛行器處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時參考系下的加速度等于重力加速度，即 （2）把（2）代入（1）可以解: （3） （4）即為初始俯仰角和橫滾角，通過加速度計得到載體坐標(biāo)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(shù)法（通過處理單位采樣時間內(nèi)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(yīng)該直接用角增量-抄的書）本項(xiàng)目采用的是方案一。 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(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)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

4、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(fù)雜。 本項(xiàng)目組結(jié)合本題相關(guān)要求。對模塊之間的協(xié)調(diào)和信號的傳輸進(jìn)行處理，決定采用項(xiàng)目一。1.3 CMOS視頻模塊方案通過圖像傳感器對實(shí)時圖像的采集，得到道路的信息，對當(dāng)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(jìn)一步控制實(shí)現(xiàn)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（白底一條黑線），將一幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與原理理論1.4

5、.1 飛行器結(jié)構(gòu)旋翼對稱分布在機(jī)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(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機(jī)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(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖 1.1所示。1.4.2. 工作原理四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。圖1.4 飛行器的結(jié)構(gòu)形式2理論分析與計算 2.1四旋翼飛控算法誤析vx = 2*(q1q3 - q0q2); /四元素中xyz的 vy = 2*(q0q1 + q

6、2q3);vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3 ;/ error is sum of cross product between reference direction of fields and direction measured by sensorsex = (ay*vz - az*vy) ; /向量外積在相減得到差分就是誤差ey = (az*vx - ax*vz) ;ez = (ax*vy - ay*vx) ;exInt = exInt + ex * Ki;/對誤差進(jìn)行積分eyInt = eyInt + ey * Ki;ezInt = ezInt + ez *

7、Ki;/ adjusted gyroscope measurementsgx = gx + Kp*ex + exInt;/將誤差PI后補(bǔ)償?shù)酵勇輧x，即補(bǔ)償零點(diǎn)漂移gy = gy + Kp*ey + eyInt;gz = gz + Kp*ez + ezInt;/這里的gz由于沒有觀測者進(jìn)行矯正會產(chǎn)生漂移，表現(xiàn)出來的就是積分自增或自減2.2 PID算法誤差分析直接使用陀螺儀測量得到的角速度作為微分項(xiàng)。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(jìn)行微分，因此，在期望值進(jìn)行切換時不會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的干擾。然而，陀螺儀的零點(diǎn)飄移卻是一個不可忽視的問題。隨著

8、時間，系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)的改變，陀螺儀的零點(diǎn)可能隨之改變，因而從理論上講，應(yīng)當(dāng)對陀螺儀的零點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)修正，以保證微分項(xiàng)的準(zhǔn)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(xiàng)。由于對期望值進(jìn)行了微分，因此在期望值進(jìn)行切換時，存在較大擾動，若使用該方法，可對微分項(xiàng)進(jìn)行一階慣性濾波，使微分項(xiàng)較為平滑。 (2) 使用微分先行 PID 算法，將角度期望進(jìn)行分離，直接針對當(dāng)前時刻姿態(tài)解算得到的姿態(tài)角進(jìn)行微分，與上一種方法相比，在期望值進(jìn)行切換時，不會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動。與第一種方法相比，由于在姿態(tài)解算時，通過加速度計與陀螺儀進(jìn)行融合得到較為準(zhǔn)確的姿態(tài)角，因此，將其用于微分項(xiàng)在理論上較為合理。

9、 然而，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第一種方法的控制效果最好。仔細(xì)推敲之后不難發(fā)現(xiàn)，由于第三種方法所使用的姿態(tài)解算得到的姿態(tài)角并非時刻接近真實(shí)值，在動態(tài)過程中，該現(xiàn)象尤為明顯。當(dāng)真實(shí)值進(jìn)行切換時，估計值從上一時刻逼近這一時刻的真實(shí)值需要一定的過渡時間，因此，可以認(rèn)為第三種方法得到的微分項(xiàng)是滯后的，微分項(xiàng)的作用體現(xiàn)在對未來的預(yù)測，而使用一個“過去”的控制量對“未來”進(jìn)行預(yù)測控制，這顯然是不合理的。在實(shí)驗(yàn)中則體現(xiàn)為系統(tǒng)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(yīng)極快的姿態(tài)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(chǎn)生示高線h1,h2，位于同一垂直水平線，飛行器

10、觸碰h1,h2線時該裝置可產(chǎn)生聲光報警。PC機(jī)一臺，將拍攝的視頻文件借助PC機(jī)播放，以驗(yàn)證視頻模塊能否正常工作。兩個直徑不同的同心圓，內(nèi)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(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的動作。3.2 測試環(huán)境 在空曠的實(shí)驗(yàn)室中，確保實(shí)驗(yàn)室的長度,高度,寬度均符合條件要求，并能保證實(shí)驗(yàn)人員的安全要求?；疽笠唬簻y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(diǎn)出發(fā)至B點(diǎn)結(jié)束，測試系統(tǒng)工作情況。 基本要求二:測試飛行器從A點(diǎn)出發(fā)以飛行高度不低于30CM的要求按逆時針做矩形運(yùn)動。 基本要求三：要求測試環(huán)境有電子示高裝

11、置， 并可在現(xiàn)場產(chǎn)生激光示高線，其高度可調(diào)，調(diào)整范圍為30CM120CM。發(fā)揮部分要求一：使用的小鐵板 M1的重量不得低于規(guī)定重量的95%，并為單獨(dú)實(shí)物。4.測試結(jié)果4.1.基本要求測試數(shù)據(jù)飛行器能一鍵式啟動，并開始航拍，從A點(diǎn)起飛，飛向B區(qū)，在B區(qū)降落，但不是中心，當(dāng)飛行結(jié)束后，拔掉SD卡，能順利的通過P0機(jī)回放，在飛行過程中，始終在電子示高線H1和H2的區(qū)間內(nèi)。4.2.綜合性能分析結(jié)論飛行器在A區(qū)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(qū)著陸并停機(jī)；飛行高度不低于30CM；飛行時間不大于45S.但是各個部件的協(xié)調(diào)做的不是太好，具體是:有的時候不能正常啟動，還有對CMO

12、S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(xù)改進(jìn)。4.3心得體會：通過單片機(jī)來控制飛控模塊的確是個難題，在代碼的設(shè)計上出現(xiàn)了很大難題，我和我的團(tuán)隊(duì)更是在單片機(jī)與飛控的通信問題上費(fèi)了好大功夫。飛控始終是一個大難題，我們團(tuán)隊(duì)采用的是歐拉角方法，我們的姿態(tài)扭正算法是在萬方數(shù)據(jù)庫里的論文找的，千辛萬苦始到金。另一個難題是攝像模塊的處理，攝像模塊如何與單片機(jī)的通信以及如何把所拍攝文件傳輸?shù)絊D卡里并能通過PC機(jī)回放，我們在單片機(jī)的代碼里也考慮到這個問題，最終還是得到好的結(jié)果。炎炎夏日，在如此緊張的時間內(nèi)完成如此大的工程，的確對我們的耐力和知識提出了挑戰(zhàn)，有團(tuán)隊(duì)的合作,有老師的支

13、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。參考文獻(xiàn) 1黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計（第二版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2011 年 2 月 3 程程， 洪龍. 一種實(shí)用的紅外通信裝置設(shè)計及實(shí)現(xiàn).電力自動化設(shè)備. 第 29 卷第 9 期 2009 年 9 月 P2629 4Paul scherz.發(fā)明者電子設(shè)計寶典.蔡聲鎮(zhèn)，林佑達(dá)，吳允平等譯.福建：福建科學(xué)出版社.2004 年 1 月 5陳永真，陳之勃.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽硬件電路設(shè)計精講.北京：電子工業(yè)出版社.2011 年 5 月 附錄一、總體電路原理圖 附錄二、主要軟件程序 #include"stc

14、12c5a60s2.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;/int init_kk=4000;/激活標(biāo)志 4000周期為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; /0.1msTL0=185%256;TR0=1;while(init_kk)if(flag=200)flag=0;if(20>flag)/方向2msp4=1;elsep4=0;if(10>flag)/油門1msp3=1 ;elsep3=0;delay();while(1)if(fla