电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
电子设计大赛四旋翼飞行器报告
选题编号：C题全国大学生电子设计竞赛设计报告选题名称：多旋翼自主飞行器主办单位：辽宁省教育厅比赛时间：2015年08月12日08时起2015年08月15日20时止摘要多旋翼飞行器也称为多旋翼直升机，是一种有多个螺旋桨的飞行器。
本设计实现基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飞行器。
本飞行器由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成。
主控模块采用ATMEGA328P芯片，负责飞行姿态控制；导航模块以G13MCU为核心，由陀螺仪、声波测距等几部分构成，该模块经过瑞萨芯片处理采集的数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时解算出相应电机需要的PWM增减量，及时调整电机，调整飞行姿态，使飞行器的飞行更加稳定；电源模块负责提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，负责完成比赛相应动作。
飞行器测试稳定，实现了飞行器运动速度和转向的精准控制，能够完成航拍，触高报警，携物飞行，空中投递等动作要求。
关键词：四旋翼，PID控制，瑞萨目录摘要................................................................................................................................ i i1.题意分析 (1)2.系统方案 (1)2.1 飞行控制模块方案选择 (1)2.2 飞行数据处理方案选择 (1)2.3 电源模块方案选择 (2)2.4 总体方案描述 (2)3.设计与论证 (2)3.1 飞行控制方法 (2)3.2 PID控制算法 (3)3.3 建模参数计算 (3)3.4 建立坐标轴计算 (4)4.电路设计 (5)4.1 系统组成及原理框图 (5)4.2 系统电路图 (5)5.程序设计 (6)5.1 主程序思路图 (6)5.2 PID算法流程图 (7)5.3 系统软件 (7)6. 测试方案 (7)6.1 硬件测试 (7)6.2 软件仿真测试 (7)6.3 测试条件 (8)6.4 软硬件联调 (8)7.测试结果及分析 (8)7.1 测试结果 (8)7.2 结果分析 (9)8.参考文献 (9)1.题意分析设计并制作一架带航拍功能的多旋翼自主飞行器。
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
四旋翼飞行器〔A 题〕参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有构造特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进展机动，构造简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比拟简单，但涉及的科技领域比拟广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度〔位置与姿态〕控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能准确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言：1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。
四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。
在本次大赛中，需要利用四旋翼飞行器平台，实现四旋翼的起飞，悬停，姿态控制，以及四旋翼和地面之间的测距等功能。
以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：方案一：十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，*轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
TI杯四旋翼飞行器要点
2014年TI杯大学生电子设计竞赛报告A题：四旋翼飞行器摘要:小型四旋翼飞行器是一种通过对四个旋翼联合驱动而实现垂直起降的无人飞行器，是一个模块化、具有较高硬件灵活性和较好操控性的平台装置，这个平台装置能够为科学实验、工程监控、气象监测、灾害预警等提供很好的应用平台。
本文以自制小型电动四旋翼飞行器作为研究平台，通过对MPU6050传感器测得运动数据研究，实现对其空中运动姿态的数学描述，建立完整的动力学模型，并针对姿态解算方法和飞行控制算法展开研究，最终完成飞行器的稳定悬停等研究目标。
关键词：四旋翼飞行器；MPU6050传感器；运动姿态；动力学模型；稳定悬停。
目录一、系统设计要求................................................ - 1 -1. 1、任务.................................................. - 1 -1. 2、设计相关要求.......................................... - 1 -1.2.1 、基本要求............................ 错误！未定义书签。
1.2.2、发挥部分......................................... - 1 -二、系统方案论证与选择.......................................... - 1 -2.1 、系统基本方案.......................................... - 2 -2.1.1、处理器选取方案.................................... - 2 -2.1.2、轨迹探测模块选取方案................. 错误！未定义书签。
2.1.3、高度传感器选取方案................................ - 3 -2.1.4、平衡传感器选取方案................... 错误！未定义书签。
瑞萨R5F100LEA单片机主控的四旋翼无人自主飞行器设计报告
其中ψ、θ、φ分别为四旋翼的偏航角、俯仰角、翻滚角；U1、 U2、U3、U4 为四控制输入量；l 为旋翼中心到四旋翼质心的距离。 四旋翼微型飞行平台呈十字形交叉，由4个独立电机驱动螺旋桨 组成，如图所示。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨转向 相同，相邻的螺旋桨转向相反。同时增加减小4个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改 变中心对角的螺旋桨的速度，可以产生滚动、俯仰等运动。
二、设计与论证……………………………………………………………………4
2.1 四旋翼建模………………………………………………………………………………4 2.2 角度、高度 PID 算法……………………………………………………………………5 2.3 PID 算法参数整定……………………………………………………………………… 5
2.2 角度、高度 PID 算法
角度 PID 算法很大程度上参考了 APM（国外成熟开源飞控项目）的控制算法。它是采用的角度 P 和 角速度 PID 的双闭环 PID 算法。角度的误差被作为期望输入到角速度控制器中。双闭环 PID 相比传 统的单环 PID 来说性能有了极大的提升，笔者也曾经调试过传统的 PID 控制算法，即便参数经过了 精心调整和双环控制算法相比在控制效果上的差距依旧很大。无论是悬停的稳定性，打舵时的快速 跟随性和回正时的快速性上都是后者的效果明显优于前者。算法原理图详见附录。 高度开始采用了和角度一样的双环 PID， 但是调参过程中发现参数整定比较艰难， 所以更改为参数较 少的单环 PID，也可以达到较好的效果。
3
一、系统方案介绍
1.1 系统总体框架设计
本飞行器共分为八个模块：主控模 块、姿态模块、高度模块、循迹模块、 电机调速模块、铁片追踪、铁片运输模 块、摄像机模块。系统框图如图所示：
毕业设计四旋翼飞行器
毕业设计四旋翼飞行器毕业设计四旋翼飞行器近年来，随着科技的不断发展，四旋翼飞行器成为了一个备受关注的话题。
无论是在军事领域还是民用领域，四旋翼飞行器都展现出了巨大的潜力和广阔的应用前景。
作为毕业设计的选题，四旋翼飞行器无疑是一个令人兴奋的选择。
首先，让我们来了解一下四旋翼飞行器的基本原理。
四旋翼飞行器是一种通过四个对称排列的螺旋桨产生升力，从而实现飞行的无人机。
它的优点在于灵活性高、悬停能力强、机动性好等。
这些特点使得四旋翼飞行器在航拍、勘测、救援等领域有着广泛的应用。
在设计四旋翼飞行器时，我们需要考虑多个方面。
首先是结构设计。
四旋翼飞行器的结构设计涉及到机身、螺旋桨、电机等多个部分。
合理的结构设计能够提高飞行器的稳定性和操控性。
其次是控制系统设计。
四旋翼飞行器的控制系统包括飞行控制器、遥控器等。
优秀的控制系统设计能够提高飞行器的飞行性能和安全性。
最后是能源供应设计。
四旋翼飞行器通常使用电池作为能源供应，因此需要考虑电池容量、充电时间等因素，以确保飞行器的续航能力。
在毕业设计中，我们可以选择不同的方向来进行研究。
一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的稳定性和控制性能。
通过对控制算法的优化和飞行器结构的改进，提高飞行器的稳定性和操控性，使其能够在不同环境下完成各种任务。
另一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的应用领域。
通过对不同应用领域的需求和特点的分析，设计出适应性强、功能多样的四旋翼飞行器，开拓新的应用市场。
当然，在进行毕业设计的过程中，我们也会面临一些挑战。
首先是技术挑战。
四旋翼飞行器涉及到多个学科的知识，如机械设计、电子技术、控制理论等。
我们需要充分利用所学知识，结合实践经验，解决技术上的问题。
其次是资源挑战。
进行四旋翼飞行器的设计和制作需要一定的资金和设备支持。
我们需要合理安排资源，确保毕业设计的顺利进行。
然而，面对挑战，我们更应该看到四旋翼飞行器的巨大潜力。
四旋翼飞行器不仅可以应用于军事、航拍等领域，还可以用于环境监测、物流配送等领域。
电子设计大赛四旋翼设计报告
电子设计大赛四旋翼设计报告一、设计背景和目的四旋翼是一种无人机的形式，它由四个旋转桨叶提供升力和稳定性。
四旋翼的设计和制造对于提高飞行品质和有效性非常重要。
因此，我们参加了电子设计大赛，目的是设计一种高性能、高稳定性的四旋翼。
二、设计要求和功能1. 提高飞行品质：设计一个稳定的四旋翼，可以在各种气候和环境条件下飞行，并保持平稳。
2. 提高控制性：设计一个精确的控制系统，可以实现精确的飞行操作和操纵。
3. 增强可靠性：设计一个可靠的四旋翼，能够有效地预防故障并提供必要的安全性能。
4. 提高机动性：设计一个具有高机动性的四旋翼，能够实现各种飞行动作和任务，如起飞、降落、转弯等。
三、设计方案1. 结构设计：- 使用轻质材料制造机身和旋转桨叶，以减少整体重量并提高机动性。
- 采用可折叠设计，便于携带和储存。
2. 电力系统：- 配备高性能的电机和螺旋桨，以提供足够的升力和稳定性。
- 安装高容量的电池，以延长飞行时间。
3. 控制系统：- 使用高精度的陀螺仪和加速度计，以提供准确的飞行数据。
- 配备先进的飞行控制系统，实现精确的操纵和飞行操作。
4. 通信系统：- 配备可靠的遥控器，实现远程控制操作。
- 安装高清晰度的摄像头，传输实时视频和图像。
5. 安全系统：- 配备传感器和防撞装置，以避免与障碍物碰撞。
- 设置飞行限制区域和高度限制，确保飞行的安全性。
6. 程序设计：- 开发合适的飞行控制软件，实现四旋翼的智能化飞行和任务执行。
四、预期成果和可行性分析我们预期通过设计和制造一个高性能、高稳定性的四旋翼，能够在电子设计大赛中取得好成绩。
我们的设计方案经过多次验证和测试，证明具有良好的可行性和实用性。
在实际操作中，我们可以利用这个四旋翼进行各种任务和应用，如航拍、物流输送、环境监测等。
这个四旋翼除了参加电子设计大赛，还可以在其他领域得到广泛应用，具有很高的市场潜力。
我们相信我们的四旋翼设计能够达到预期的目标，并取得好成绩。
电子设计竞赛项目
负 责 人 ： 学 专 院、系： 业：
学 号：
联 系 电 话 ： E ＿ m a i l : 项 目 名 称 ：
通用四旋翼飞行器
指 导 教 师 :
2017 年
4月
1 日
一、项目参加人员、负责内容以及技术特长：
主要人员 负责内容 飞行控制程序编写、飞行器硬 编程技术 件制作 技术特长
2. 实施方案 示例飞行器制作及参数收 集
系统建模
姿态检测算法选择
地面站建立
PID 算法参数计算
飞控程序编写
完成制作
4
五、主要研究结果
六、存在的问题及今后努力方向、主要研究内容
51 单片机应用 Stm32 单片机应用 电子调速器应用 2.4G 无线通讯模块 飞行控制程序设计（包括惯性导航理论、姿态检测与信息处理、pid 控制理 论） ，
四、总体思路与研究方案
3
1. 总体思路 优先完成四旋翼飞行器的制作，可以先使用现有飞行控制程序完成启动油 门参数的收集；其次进行飞行控制系统的制作（硬件选用以及软件编程） ； 最后完成地面站程序的编写以及无线信号模块的制作。
四轴飞行器终极版
目录第二章总体方案设计 (1)2.1 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 (1)2.2 四轴飞行器控制系统结构 (2)2.3 本章小结 (4)第三章硬件设计 (5)3.1 概述 (5)3.2 主控制器的选择 (5)3.3 信息采集 (11)3.3.1 加速度传感器与陀螺仪 (11)3.3.2 数字罗盘 (14)3.4 无线通讯 (17)3.5 电机驱动 (22)3.5.1 无刷电机 (22)3.5.2 PWM调速 (23)3.5.3 可控开关的选择 (23)3.6 供电电路 (26)3.6.1 电池选择 (26)3.6.2 电压变换器的选择 (26)3.7 本章小结 (28)第四章控制算法 (29)4.1 标定加速度 (29)4.2 姿态结算 (31)4.3 融合算法 (32)4.4 控制算法 (35)4.5 本章小结 (37)5.1 STM32F103T8U6的端口分配 (38)5.2 流程设计 (40)5.3 无线通讯 (42)5.4 控制计算 (45)5.5 本章小结 (47)第六章设计总结 (48)第二章总体方案设计四旋翼飞行器是一种布局形式比较新颖的飞行器，其结构较为紧凑。
四旋翼飞行器主要是通过改变4个电机的转速来调节螺旋桨转速，由旋翼升力的变化实现对飞行器的控制。
四旋翼飞行器由于能够垂直起降，自由悬停，可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。
2.1 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。
图2-1 运动控制原理图飞行器在三维空间中具有6个运动自由度．包括3个坐标轴方向的线运动和3个坐标轴方向的角运动。
全国大学生电子设计竞赛试题设计报告
2017年全国大学生电子设计竞赛试题设计报告四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题）【本科组】廖聪，吴雨航，张锦华摘要：根据四旋翼飞行器飞行原理，首先根据设计方案采购了飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。
根据系统动力学模型设计控制算法，设计控制系统控制规律，主要包括两个控制回路姿态控制回路、位置控制回路。
在仿真软件平台上，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。
最后，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作，最终设计出能够实现一键飞行探测跟踪的四旋翼自主飞行器。
关键词：ATMEGA2560 瑞萨R5F523T5ADFM MPU6000陀螺仪超声传感器一、系统方案根据设计任务的要求，本系统包括飞行控制模块、驱动模块、飞行导航模块、测距模块等。
1、飞行控制模块的选择飞行控制模块是四旋翼自主飞行器的核心。
按照题目要求，飞行控制模块由ATMEGA2560处理器的开发板专门实现飞行控制算法。
为了实现自主飞行探测跟踪，必须要形成控制的闭环回路，必须要有检测和反馈系统状态的传感器，包括四旋翼的姿态、经纬度、航向、高度、空速、角速率等信号。
目前看来，国内外普遍应用MEMS器件来获取姿态、高度、空速、经纬度等信息。
此外这中间还需要有A/D采样电路、信号调理电路对采集的电信号进行必要的转换和简单的滤波。
针对四旋翼飞行器，控制方法有PID控制、反步法、滑模控制等飞行控制算法，我们采用经典的PID控制算法。
2、驱动模块的选择方案一：采用普通直流电机。
普通直流电机有价格低廉、使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高、速度快、且质量要小，所以直流电机一般不能满足要求。
方案二：采用无刷直流电机，其具有响应速度快、较大的启动转矩，从零转速至额定转速具备可提供定转矩的性能。
四旋翼MATLAB报告
课题：四旋翼跟拍无人机一、需求分析1.背景介绍无人飞行机器人，是无人驾驶且具有一定智能的空中飞行器。
这是一种融合了计算机技术、人工智能技术、传感器技术、自动控制技术、新型材料技术、导航技术、通信技术、空气动力学与新能源技术等的综合机器人系统。
无人飞行机器人在专业术语上可咀被称作无人空中载具(Unmanned Aerial Vehicle，UA V)，广义上也可以被简称为无人机，区别于普通的无人飞机，无人飞行机器人技术目前向着高度集成化，高度自主智能化的方向发展。
无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。
而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。
近年来，一种具有四个旋Figure 1四旋翼翼的无人飞行机器人得到了极大的关注。
四旋翼飞行机器人是一种特殊的旋翼型飞行器，其四个旋翼和电机以十字形分布于机体的四个方向。
其中的微小型四旋翼无人飞行机器人更是热点中的热点，成为目前四旋翼飞行机器人研究的主要方面。
微小型四旋翼无人飞行器可以广泛应用于航空拍摄、特殊环境下的巡视侦察灾害搜救、游戏娱乐等方方面面。
将小型四旋翼应用于航拍领域正变得越来越引人关注。
在民用领域，无人机航拍正在形成一股风潮。
利用小型四旋翼搭载摄像头，对在移动（行走或骑行）中的目标人员进行自动跟拍，捕获目标人员的表情的无人机跟拍方案无疑有很大的市场。
2.需求分析为达到跟拍目的，无人机需要能够有良好的飞行能力，能够稳定的控制自身的姿态。
同时，无人机需要能够在此过程中自动的躲避一些如树枝、电线杆等障碍物。
也就是说，无人机要能够控制自己实现前后、左右、上下以及俯仰、滚转、偏航共6个基本运动。
同时在此基础上实现悬停、避障等功能。
二、系统原理1.技术方案四旋翼的结构简图如图2所示。
四个旋翼分布在十字形支架的四个顶点，依次编号为1、2、3、4。
四旋翼设计报告综述
四旋翼自主飞行器(A题)摘要四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。
为了满足四旋翼飞行的设计要求，系统以STM32F103VET6作为四旋翼自主飞行器控制的核心，处理器内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作频率，工作电压3.3V-5.5V。
该四旋翼由电源模块、电机电调调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。
飞行姿态检测模块是通过采用MPU-6050模块，整合3轴陀螺仪、3轴加速度计，检测飞行器实时飞行姿态，实现飞行器运动速度和转向的精准控制。
传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块，在动力学模型的基础上，将四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID 控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。
测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。
关键词：四旋翼飞行器；STM32；飞行姿态控制；串口PID目录1 系统方案论证与控制方案的选择...................................................................-2 - 1.1 地面黑线检测传感器...................................................................................- 2 - 1.2 电机的选择与论证.......................................................................................- 2 -1.3 电机驱动方案的选择与论证.......................................................................- 2 -2 四旋翼自主飞行器控制算法设计...................................................................-3 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型...........................................................................- 3 -2.2 PID 控制算法结构分析...............................................................................- 3 -3 硬件电路设计与实现.....................................................................................-4 -3.1 飞行控制电路设计................................. .....................................................- 5-3.2 电源模块........................................................................................ ..............- 5 -3.3 电机驱动模块...............................................................................................- 5-3.4 传感器检测模块...........................................................................................- 5-4 系统的程序设计...............................................................................................-5 -5 测试与结果分析...............................................................................................-6 -5.1 测试设计.......................................................................................................- 6 -5.2 测试结果.......................................................................................................- 6 -6 总结 (6)1 系统方案论证与控制方案的选择根据题目要求，对该系统的特点及其控制特性进行了分析，进行了几种不同设计方案的比较。
201X电子设计大赛四旋翼自主飞行器_(B_题)
2013年全国大学生电子设计竞赛论文【本科组】课题:四旋翼自主飞行器（B 题）摘要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9926B MOS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: Digital Motion 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，红外，寻线，超车，单片机1、系统方案的设计与论证1.1 系统总体框架整个系统分为系统模块、角度检测模块、电机驱动模块、电源模块、显示模块。
各模块的系统框图如图1所示。
图1 系统模块框图1.2 方案论证与比较(1)控制模块传统的51单片机广为应用，具有使用简便、便宜价格等优点，但是其运算能力较低，速度较慢，功能相对单一，难以实现较复杂的任务要求。
电赛四旋翼飞行器
2014年电子设计竞赛四旋翼自主飞行器（G题）2013年9月11日目录摘要关键词 (1)一系统方案 (2)1.1控制系统的选择 (2)1.2飞行姿态控制的论证与选择 (2)1.3电机的选择 (2)1.4高度测量模块的论证与选择 (2)1.5电机调速模块的选择 (2)1.6循迹模块的方案选择 (2)1.7薄铁片拾取的方案的论证与选择 (2)1.8角速度与角加速度测量模块选择 (3)二设计与论证 (3)2.1控制方法设计 (3)2.1.1降落及飞行轨迹控制设计 (3)2.1.2飞行高度控制设计 (4)2.1.3飞行姿态控制设计 (4)2.1.4铁片拾取与投放控制设计 (4)2.2参数计算 (5)三理论分析与计算 (5)3.1Pid控制算法分析..............................................................................................5.3.2飞行姿态控制单元 (6)四电路与程序设计 (7)4.1系统组成 (7)4.2 原理框图 (7)4.3电路图 (8)4.4系统软件与流程图 (9)五测试方案与测试条件 (11)5.1测试方案 (11)5.2测试条件 (11)六结论 (11)附录 (12)附一：元器件明细表 (12)附二：仪器设备清单 (12)附三：源程序 (12)摘要：本系统由数据采集、数据信号处理和飞行姿态和航向控制部分组成。
系统选用STC89C52单片机作为主控芯片，对从MPU-6050芯片读取到的一系列数据进行PID算法处理并给飞行器的电调给出相应指令从而达到对飞行器的飞行姿态的控制。
采用MPU-6050芯片采集四旋翼飞行器的三轴角速度和三轴角加速度数据。
用红外传感器来检测出黑色指示线，以保证飞行器不脱离指定飞行区域及达到指定圆形区域。
利用超声波传感器来检测飞行器与地面的距离，以保证飞行器能越过一米示高线。
报告
摘要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。
首先我们进行了各个单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。
飞行器以16位微控制器R5F100LEA作为控制核心。
采用电调将直流转化为交流，驱动无刷直流电机，该电调具有控制简单的特性。
通过超声波测量高度反馈到MCU，控制四旋翼的高度；通过陀螺仪采集飞行器的角度，然后反馈到主控板，运用PID控制算法调整飞行器的姿态。
采用摄像头采集地面信息，实现了飞行器搜寻内沿黑线及指示线等功能；运用互补滤波算法将陀螺仪和加速度计融合起来，更好的控制姿态；实际测试表明，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；PID；循迹；超声波；R5F100LEA单片机目录1系统方案的设计与论证 (3)1.1系统总体框架 (3)1.2方案论证与比较 (3)2 理论分析与计算 (5)2.1 四旋翼飞行器动力学原理 (5)2.2 四旋翼飞行器的数学模型 (5)2.3四元数控制算法 (7)2.4姿态控制算法 (7)3系统的硬件电路设计 (9)3.1 系统硬件框图 (9)3.2模块的硬件设计原理图 (9)4飞行器的软件设计 (12)4.1系统程序流程图 (13)4.2互补滤波算法 (14)5测试方法和结论 (15)5.1 测试方案及测试仪器 (16)5.2 测试数据 (16)5.2.1基础部分A到B (16)5.2.2 基础部分B到A (16)5.1.3 发挥部分 (16)5.3 测试结果分析 (17)6小结 (17)参考文献 (17)附录1：电路原理图 (18)附录2：部分源程序清单................................... 错误！未定义书签。
1系统方案的设计与论证1.1系统总体框架根据题目分析，四旋翼飞行器需要在指定的地点飞行和指定的地点停止，由于飞行区域有指示线来为四旋翼飞行器导航，故本设计采用相应循迹模块为飞行器导航，同时采用测距模块测量实时的检测飞行器的高度，以使飞行器通过示高线，同时设计采用常见的姿态调整传感器——陀螺仪和加速度传感器来调整飞行器的飞行姿态，并且使用搬运模块实现飞行器的携带功能，系统框图如图1.1所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版四旋翼飞行器（A 题）参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度（位置与姿态）控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能精确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
2.1.1 方案一：选择Coldfire系列芯片作为系统控制的主控板，因为在以往队员们做过飞思卡尔智能车竞赛，对此系列的芯片做的比较熟悉，芯片功能强大，但以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
2.1.2 方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：2.2.1 方案一：十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
2.2.2 方案二：X行飞行方式。
四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。
X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。
综合以上两种方案鉴于我们是初次尝试，所以选择了方案一。
2.3 角度测量模块方案论证2.3.1 方案一：光纤陀螺仪。
光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。
光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。
光纤陀螺仪寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，但是成本较高，鉴于我们这是初次尝试，需要多次实验，破坏较大。
2.3.2 方案二：MPU6050三轴陀螺仪。
MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度、角度。
单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。
它现在已经成为激光陀螺的发展趋向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，这样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率。
综合以上两种方案，我们选择了方案二2.4 飞行器距地距离显示的方案论证：2.4.1 方案一：选用LCD液晶显示：LCD液晶显示在显示效果上较丰富，可以显示字母，数字等等需求，但在我们实际编写的时候发现驱动代码稍显复杂，显示效果在实际光线较亮的时候外界不容易清晰的看到LCD显示的内容，尤其是当四轴飞行器在实际飞行的过程中，显示效果并不理想。
2.4.2 方案二：选用LED数码管显示：实际的观察中，发现数码管的显示比较单一，但显示内容清晰可辨认，实际使用中对系统的占用资源也比较少。
考虑比赛要求只要求看到实际的显示效果，因而我们决定使用数码管来显示四轴飞行器距离地面的距离。
2.5 确定方案之后，针对题目要求，最终编写出合适算法，进行控制。
程序流程图如下（图2.1）：图2.12.6 程序部分核心代码见附录二三、设计实现：3.1 超声波测距模块:由于竞赛要求需要四轴飞行器悬停在一个距离，因而在我们做的过程中，选用超声波传感器用于测量四轴飞行器距离地面的距离，测量误差实际保证在1cm一下，基本做到精确测量，在写超声波模块的驱动时，开始我们只想通过在程序中写一个无限循环的延时程序来测量超声波往返的时间，这种方法在开始单步调试测距的时候表现正常，可以读到正确数据，但在单片机中加入中断优先级的程序时这种方法就不能胜任了。
最后经我们小组讨论决定利用单片机的pit中断实现超声波模块的测量往返时延，测量精确。
实验效果较好。
3.2 显示报告飞行高度:在我们的方案设计中小队决定使用数码管来显示四轴飞行器距离地面的高度，在我们做的过程中首先要解决的问题就是选用静态显示还是动态显示的问题，开始因为想的比较简单就想单纯的用I/O口置高与置低电平来控制LED数码管的亮暗，发现如果4位数码管显示的话所用到的I/O口就需要4*8=32个IO口，这对单片机有限的引脚来说是一个巨大的负担，在查找资料与请教老师后我们找到一种动态显示数码管的方法很好的解决了这个问题，所需引脚仅仅用11个，实际测试中，显示效果很好。
四、测试：4.1 硬件测试：将四旋翼模型拆解，然后用物理法测量中心，使其重心维持在四轴飞行器的中心。
然后按顺序将电池，主控板，陀螺仪等机械硬件使其牢固的装在模型飞机上。
硬件测试使用了万能角度尺、示波器、万用表、压线钳、电量测量仪等。
4.2 软件测试：为了保证PWM波输出的正确性，每次改动程序初始化之后用示波器测试波形的输出，保证其占空比和周期的正确性。
在正式算法程序之前，又用串口显示每个电机PWM输入，观察电机在各个PWM占空比的电机转速。
确保软件反应硬件是规律一致的。
软件测试最关键的是PID的参数调试，其中，p参数是调整整个四旋翼飞行器的反应速度和力度的，调节p参数以当整个模块反应迅速并且四旋翼振动频率四边偏差不大的时候即可完成，d参数在这之中的目的是一个抑制作用，当振荡幅度过大的时候能从任意角度一次直接返回平衡位置。
I参数是一个积分项，当哪一边反应过小时可以加一个i参数，这样就成了一个完整的PID参数调试了。
4.3 硬件软件联合测试：此步主要通过在STM32平台下进行编程，进行一系列的算法设计与调校，确认四旋翼飞行器是否能够飞行，通过大量的测试与实践，找出能刚刚使飞行器的电机占空比（PWM）值，当然，这一步可以通过联合超声波距离传感器设计一个动态PID调节，具体的调节方法依据能反应姿态的传感器联合作用。
五、完成情况：在本小组所有队员这几天的努力调试下，本次完成情况如下，飞行器能够垂直起飞，起飞后能在50cm出悬停5s以上，然后飞行器可以继续垂直上升至100cm 出，能悬停5s以上，在平稳回到原地的过程中，因为没有其他的传感器给飞行器提供路径的识别，所以回到原地的过程中，一切只能依靠软件与经验来模拟，故实际使用中发现做到这一步误差存在，在飞行器起飞至50~100cm的高度上，悬停5s以后，然后水平飞行200cm，这一步也是由于没有具体的识别方法，依靠软件实际测试得出的规律来确定200cm的大致飞行时间与速度，因而依然存在误差。
由于我们把数码管和超声波做好，因而显示飞行器距地距离很顺利。
总体比赛内容大致完成。
六、总结：本次参加电子设计大赛，我们将以往的一些经验杂糅成新，深刻认识到软硬件结合的重要性。
四旋翼的完成，硬件是基础，只有在能灵活熟练地使用硬件，才能更加方便的编写质量好的软件。
另外一个不可忽视的问题便是方案的选取。
一个项目的完成可能会有很多种方案，而且不同方案在实现之前不可预知其好坏以及是否适合本项目的完成，这就衍生出更多的实践测试，项目的完成不可一蹴而就，认真对待，在摸爬滚打中可积累更多的经验。
另外，基于软硬件的项目，其机械性能也会有不可小觑的影响。
起初我队在搭建机械的时候忽视了四旋翼的重心，认为机械重心的便宜可通过算法的自我调控来调节，事实证明，这种想法是错误的，好的机械性能更有利于算法的实现，机械搭建的好，便更容易调试软件。
在完成的过程中，我队深刻意识到在嵌入式的开发过程中，对软件质量的要求很高，所以在实际的编写过程中，优异的代码与思想或许尤为重要，而我们在这方面还多有不足，在此过程中，我们因为传感器的不足，有些想法不能做，但也正是缺少直接的东西，让我们可以很好的发现其他的解决方法，以后还需努力。
附录一：附录二：（部分核心代码）/******************超声波模块**************************************/ int csb(void){int d=0;PTT_PTT5 = 1;delayus(10);PTT_PTT5 = 0;while(PTIT_PTIT3!=1);count=0;while(PTIT_PTIT3==1);d=count*17/10;return d;}/******************数码管显示模块**************************************/void show123(x){if(x==0){PORTA_PA1 = up;PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = down; }else if(x==1){PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = down; }else if(x==2){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = down; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = up; }else if(x==3){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = up; }else if(x==4){PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==5){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==6){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==7){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = down; }else if(x==8){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==9){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up;} else if(x==10){PORTA_PA1 = down;PORTA_PA2 = down;PORTA_PA3 = down;PORTA_PA4 = down;PORTA_PA5 = down;PORTA_PA6 = down;PORTA_PA7 = down;} else{PORTA_PA1 = down;PORTA_PA2 = up;PORTA_PA3 = up;PORTA_PA4 = up;PORTA_PA5 = up;PORTA_PA6 = up;PORTA_PA7 = down;}}/******************起飞模块**************************************/ void startfly(void){PWMDTY2=25;show_xt=10;show_a=show_b=10;show_c=0;delayms(2000);PWMDTY0=1185>>8;PWMDTY1=1185;PWMDTY3=19;PWMDTY2=19;}void main(void){int i=0;int P=12,I=0,D=150;PLL_Init();PWM_Init();DDRT_DDRT3 = 0;DDRT_DDRT5 = 1;DDRA=0xFF;DDRT_DDRT2 = 1;DDRT_DDRT4 = 1;DDRT_DDRT6 = 1;PIT_Init();EnableInterrupts;delayms(4000);startfly();delayms(2000);/* GetDIPSwitch();if(DIPSwitch_DIPS8==0){bmkg =100;} */while(s<=14){if(s>=11)want=350;if(s>=12)want=350;if(s>=14)want=150;delayms(40);test=csb();now_high=want-test;PI+=I*now_high;PWM3_ls=P*now_high+PI+D*(now_high-last_high); PWM3=1160+PWM3_ls/100;llst_high=last_high;last_high=now_high;if(PWM3>1230)PWM3=1230;else if(PWM3<1100)PWM3=1100;PWMDTY4=PWM3>>8;PWMDTY5=PWM3;test=test/10;if(csb_count>3000) {csb_count=0;if(test<10){show_a=10;show_b=10;show_c=test;}else if(test<100){show_a=10;show_b=test/10;show_c=test%10;} else{show_a=test/100;show_b=test/10%10;show_c=test%10;}}}PWMDTY4=800>>8;PWMDTY5=800;for(;;){_FEED_COP();}}/******************中断服务函数**************************************/#pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NON_BANKEDvoid interrupt 66 PIT0_ISR(void){PITTF_PTF0=1;//清中断标志位if(count<10000)count++;us++;csb_count++;if(us>100) {us=0;ms++;if(ms>1000) {ms=0;s++;show_xt=s%10;}}if(s>15){PWMDTY4=800>>8;PWMDTY5=800;}if(us==0){if(xsq_count==1) {PORTA_PA0 = 0;show123(show_xt);PTT_PTT2 = 1;}else if(xsq_count==2){ PTT_PTT2 = 0;show123(show_a);PTT_PTT6 = 1;} else if(xsq_count==3){ PTT_PTT6 = 0;show123(show_b);PTT_PTT4 = 1;}else if(xsq_count==4){ PTT_PTT4 = 0;show123(show_c);PORTA_PA0 = 1;xsq_count=0;}xsq_count++;}}。