TI杯四旋翼飞行器讲解.doc

2014年大学 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测得运动数据，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。四旋翼飞行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 - 1 - 1.2.2、 发挥部分 - 1 - 二、系统方案论证与选择 - 2 - 2.1 、系统基本方案 - 2 - 2.1.1、处理器选取方案 - 3 - 2.1.2、轨迹探测模块选取方案 - 4 - 2.1.3、高度传感器选取方案 - 4 - 2.1.4、平衡传感器选取方案 - 5 - 2.1.5、电源模块选取方案 - 6 - 2.1.6、电机驱动模块选取方案 - 7 - 2.1.7、加速度模块选取方案 - 7 - 2.2、系统各模块的最终方案 - 8 - 2.2.1、方案描述 - 8 - 2.2.2、具体方案 - 8 - 三、系统的硬件设计与实现 - 10 - 3.1、系统硬件的基本组成部分 - 10 - 3. 2、主要单元电路的设计 - 11 - 3.2.1、控制电路 - 11 - 3.2.2、摄像头循迹电路 - 11 - 3.2.3、超声波测距电路 - 12 - 3.2.4、电机驱动电路 - 12 - 四、系统软件设计 - 13 - 4.1、基本要求流程图 - 13 - 4.2、超声波发送和接收模块流程图 - 13 - 4.3.软件流程图 - 14 - 4.4.主要算法程序代码 - 15 - 五、系统测试 - 18 - 5.1、测试仪器 - 18 - 5.2、指标测试 - 18 - 5.2.1、测试方法和条件 - 18 - 5.2.2、测试数据及测试结果分析 - 18 - 六、总结 - 19 - 参考文献 - 20 - 一、系统设计要求 1. 1、任务 （1）设计制作一架能够自主飞行的四旋翼飞行器。 1. 2、设计相关要求 四旋翼飞行器能够完成以下飞行动作： 飞行器能够根据起飞前预置的指令起飞，飞离地面高度应超过30cm，飞行距离（水平）应超过60cm，然后飞行器应能平稳降落。 飞行器能够根据指定（键盘设定）的飞行高度及降落地点（方向及距离）连续稳定地完成起飞、指定高度水平飞行、平稳降落等动作。 飞行器能够根据起飞前预置的指令垂直起飞，起飞后能够在50cm以上高度平稳悬停5s以上，然后再平稳缓慢降落到起飞地点；起飞与降落地点水平距离不超过30cm。 其他自主发挥设计的飞行动作。 二、系统方案论证与选择 根据题目要求，系统可以划分为电源部分、传感器部分、控制部分、电机驱动 图2 系统模块框图 2.1 、系统基本方案 为比较方便和经济实惠和可行的实现各模块的功能，分别作以下几种不同的设计方案并进行论证。 2.1.1、处理器选取方案 方案一、 采用比较普及的ｃ５１处理器，51 单片机比较普及，价格低廉，学习资料比较多，易于自主的学习与掌握，而且这方面的图书和教材比较多，学习资料易于获取。但是由于飞行器飞行时MCU需要高速的处理各个传感器发送来的数据并及时的发出控制信号调节控制试飞行器能够平稳飞行，而C51在处理速度和运算能力上远远满足不了飞行器飞行时岁数据的处理需求。故舍去该方案。 方案二、 采用FPGA，FPGA是操控层次更低,所以自由度更大的芯片，对FPGA的编程在编译后是转化为FPGA内的连线表，相当于FPGA内提供了大量的与非门、或非门、触发器（可以用与非门形成）等基本数字器件，编程决定了有多少器件被使用以及它们之间的连接。只要FPGA规模够大，这些数字器件理论上能形成一切数字系统，包括单片机甚至CPU。FPGA在抗干扰，速度上有很大优势。但是FPGA的价格较贵，电路设计比较难且其引脚密集，不利于焊接。故舍弃去该方案。 方案三、 采用ARM公司的STM32F103C8T6TM32F103处理器系列STM32F103C8T6，核心处理器：ARM32位Cortex-M3 CPU32-位 速度：72MHz；连通性：2个IIC接口5个USART接口（3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用CAN接口USB 2.0全速接口SDIO接口定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART64KB；程序存储器类型：32-512KB的Flash存储器6-64KB的SRAM存储器 - 电源 (Vcc/Vdd) ：2.