2013电子设计大赛4旋翼自主飞行器(B1题).doc

2013年全国大学生电子设计竞赛 课题: 【组】 20年9月日 摘 要 为了满足的设计要求，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。，作为控制核心。采用驱动直流电机，该驱动芯片具有内阻小、电流大、且控制简单的特性。通过MPU-6050整合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运动速度和转向的精准控制。通过，实现了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：，，寻线，，单片机 四旋翼自主飞行器 （B 题） 【组】 1系统方案 本系统主要由电源模块、、模块、模块、下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 的论证与选择 方案一：方案二：方案： 综合以上三种方案，选择方案三。 1.2 的论证与选择 方案一： 方案二： 方案：综合以上三种方案，选择方案三。 1.3 方案一：、、 方案二： 方案：、、综合以上三种方案，选择方案三。 1.1.5 姿态传感器模块的论证 (1) 概述 四轴飞行器属于多旋翼飞行器，各个桨翼之间的旋转过程中总存在着相互干扰，这 就导致在飞行过程中，飞行的稳定性较差；另外在飞行器的电机、桨叶及机身等方面要 求也较高，它要求各个旋翼的电机特性一致、各个桨叶的桨距及安装角度相同、机身对 称等等。然而实际中这些条件很难满足，而且往往相差较大；因此飞行器稳定性差，且 难以控制，在设计控制系统时着重需要考虑飞行器的稳定性设计。 这样姿态测量在飞行器系统中就显得尤为必要，设计相应的传感器对飞行器的运动 姿态进行测量，有助于反馈当前姿态，确保飞行稳定。 (2) 传感器使用 设计中选用加速度和角速度两种传感器来进行姿态测量，用加速度的测量数据来互 补角速度传感器测量的不足；设计中采用 InvenSense 公司生产的整合性 6 轴运动处理组件 MPU-6050；MPU-6050 为全球首例整合性组件，相比较多组件方案，有如下特点： (a) 免除了组合陀螺仪与加速计时存在的轴差问题，减少了大量的包装空间。 (b) MPU-6050 整合了 3 轴角速度和 2 轴加速度传感器，并含可用第二个 IIC 端口连接其他厂牌的磁力传感器或其他传感器的数位运动处理(DMP)硬件加速引擎，由 主 IIC 接口以单一数据流的形式向应用提供输出完整的 9 轴融合演算技术。 MPU-6050 被广泛应用于运动感测游戏、光学稳像、行人导航器等设计研究中，且 具备可观的市场前景，其器件特征如下： (a) 内部 3 轴角速度传感器具有±250、±500、±1000 与±2000(°/s)全格测量范围；3 轴加速度量程可程序控制，控制范围为±2g、±4g、±8g 和±16g。 (b) 具备较低功耗：芯片供电电压 VDD 为 2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；陀螺仪工作电流 5mA，待机电流仅 5uA；加速计工作电流 500uA，在 10Hz 低功耗模 式下仅 40uA。 (c) 陀螺仪和加速计都具备 16 位 ADC 同步采样；另外陀螺仪具备增强偏置和温度稳定的功能，减少了用户校正操作，且具备改进的低频噪声性能；加速计则具备 可编程中断和自由降落中断的功能。 (d) 接口采用可高达 400kHz 的快速模式 IIC，内建频率发生器在所有温度范围仅有1%频率变化。 (e) 具备较小的 4mm*4mm 的 QFN 封装，减少占据面积；其 QFN 封装如图 3.4-A 所示，图 3.4-B 为其 3 个轴的极性及旋转图。 (3). 传感器电路 在实际设计中，微处理器通过 IIC 接口读取传感器模块的数据，MPU-6050 模块电路设计如图 3.5 所示： 图 3.5 MPU-6050 电路 图 3.5 中，IIC 总线 SDA、SCL 连接微处理器的 I/O，相应的电源与地之间需要设计 去耦电容以确保芯片供电稳定；设计中只使用主 IIC 接口，其他的功能引脚设置悬空。 2系统理论分析与计算 2.1分析 2.1.1 图2.1.2 3电路与程序设计 3.1电路的设计 3.1.1系统总体框图 系统总体框图如图所示 图 系统总体框图 3.1.2 电路原理图 图3.1.2 3.1.3 电机驱动电路原理图 图3.1.3 3.2程序的设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 程序流程如图所示