电赛四轴论文

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

四旋翼飞行器结构较简单，且能够控制其稳定飞行。通过对MPU6050陀螺仪姿态索取，并以R5F100LEA单片机作为主控芯片，利用其内部资源，进行运算完成四元数矩阵转换及姿态解算、融和、矫正。针对四旋翼飞行器的动力来源为直流电机，通过采用PWM控制方式对电机进行调速，通过调节电机转速，实现升力变化，控制飞行器的姿态及位置变化。采用ov7620摄像头循迹使飞行器从A区到B区。通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究，采用PID算法，编程实现，模拟相应的飞行姿态，使四旋翼飞行器能够实现自主飞行、自主悬停控制，并且能够完成题目要求内容。

关键词：四旋翼飞行器；PWM；PID

Abstract

Four rotating propeller-driven aircraft structure is relatively simple. Through to the MPU6050 gyroscope to read gestures. And R5F100LEA single-chip microcomputer as main control chip, Operations with its internal resources, complete the quaternion matrix transformation and attitude algorithm, harmony, and correct. In view of the four rotor aircraft power source for dc motor, through the adoption of PWM control method for motor speed adjustment, for adjusting the motor speed, implement changes to lift, and control aircraft attitude and position changes.We use ov7620 camera tracking make aircraft from area A to area B. Through the study of four rotor working mode and the control parameters of the PID algorithm, and programming implementation, simulation of the corresponding flight attitude, make four rotor aircraft can realize autonomous flight, hovering control independently and complete the subject requirements. key words：Four rotating propeller-driven aircraft; PWM ; PID

目录

1. 系统方案论证与选择 (1)

1.1 姿态检测模块 (1)

1.2 电源模块 (2)

1.3 光电传感器模块 (2)

2．系统理论分析与计算 (3)

2.1 姿态控制方法 (3)

2.2 电机驱动模块 (5)

3．系统硬件电路设计与分析 (5)

3.1电机驱动 (6)

3.2姿态检测模块 (6)

3.3 MCU主控电路 (6)

4．系统软件设计 (7)

4.1 中值窗口滤波算法 (8)

4.2 PID算法 (8)

5.仿真测试与实飞 (9)

5.1仿真测试 (9)

5.2作品实物图 (10)

5.3实飞测试 (11)

6．结论 (12)

参考文献............................................................................................................................................ I

多旋翼自主飞行器（C题）

1. 系统方案论证与选择

随着传感器技术和控制理论的不断发展,尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟使四轴飞行器的自主飞行控制变得易实现并成为国际上的热点研究对象。以此为背景，2015年第十二届全国大学生电子设计竞赛本科组C题要求设计一个四旋翼自主飞行器，可以自动识别指示线、降落区，实现自主循线飞行、起降吸合贴片等动作。本论文针对该问题，采用新型磷酸铁锂电池组为动力，MPU6050整合性6轴运动处理组件作为飞行器姿态检测传感器，通过卡尔曼、窗口滤波对MPU6050测量数据进行整定，并以R5F100LEA单片机作为主控芯片，利用其内部资源，进行运算完成四元数矩阵转换及姿态解算、融和、矫正，飞行导航用摄像头作为检测模块，设计实现了四旋翼自主飞行器工作系统。下面对各个关键模块进行说明。

1.1 姿态检测模块

方案一：利用串口读取模式MPU6050（JY-61），模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01度，稳定性极高。采用高精度的陀螺加速度计MPU6050，通过处理器读取MPU6050的测量数据然后通过串口输出，免去了用户自己去开发MPU6050复杂的I2C协议。模块内部自带电压稳定电路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系统，连接方便。采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。

方案二：利用I2C读取模式6轴飞控传感器模块GY-521（MPC6050），以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。具有131LSBs/°c敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°c的3轴角速度感测器(陀螺仪)。可程式控制，且程式控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速器。数字运动处理（DMP）引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。高达400kHz快速模式的I2C。

方案三：利用I2C读取模式10轴飞控传感器模块GY-86，模块I2C总线上挂载

MPU6050+HMC5883L+MS5611，可以测量出三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场和气压。

综合比较，方案三包含方案二的所有优点，且采样周期较方案一短，方案三中数据采样更多，在运动过程中，GY-86更适合于四旋翼飞行器的姿态控制，故选择方案三。