2017电赛设计报告(更改).docVIP

PAGE 第一页是空白页 2017年全国大学生电子设计竞赛 四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题） 【本科组】 2017年8月12日 摘 要 本系统由数据信息采集、数据信号处理、飞行姿态稳定和航向控制部分组成。系统选用瑞萨RX23T MCU单片机作为主控芯片，以STM32F103VET6为核心的飞控完成飞机自稳，通过超声波传感器来检测飞行高度，再通过瑞萨芯片分析并向飞控传递信号来保持或改变飞行状态。利用无线信号发射接收装置来建立小车与飞行器之间的联系，完成配对后会有二极管和扬声器发出配对成功信号，再通过接收方位信号的改变来调整飞行姿态以完成跟随小车的目标。 关键词：瑞萨R5F523T5ADFM单片机 STM32F103VET6最小系统板 超声波测距 PID算法 无线收发模块 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 22931 1系统方案 1 888 1.1 控制系统的选择 1 6476 1.2 飞行姿态控制的论证与选择 1 12917 1.3 高度测量模块的论证与选择 1 22395 1.4 电机及调速方案的论证与选择 1 21912 1.5 无线信号发射与接收模块的论证与选择 2 6051 2系统理论分析与计算 2 20628 2.1控制方案的设计与分析 2 19450 2.1.1 飞行器起飞及悬停方案设计 2 15562 2.1.2 飞行姿态控制设计 2 67 2.1.3 飞行高度控制 2 30546 2.1.4 小车与飞行器联动设计 3 1058 2.2 参数的计算 3 9316 2.2.1 飞行稳定的PID计算 3 22907 2.2.2 高度控制的PID计算 3 31445 2.2.3 声光联动的参数设定 3 3671 3电路与程序设计 3 206 3.1电路的设计 3 10083 3.1.1系统总体框图设计 3 27365 3.1.2 控制系统框图 4 9998 3.1.3 飞控系统框图 4 6455 3.1.4电源的选用 5 24256 3.2程序的设计 5 19011 3.2.1程序功能描述与设计思路 5 25299 3.2.2程序流程图 5 6536 4测试方案与测试结果 6 32553 4.1测试方案 6 20540 4.2 测试结果及改进 6 14737 附录1：电路原理图 7 150 附录2：源程序 9 PAGE PAGE 6 四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题） 【本科组】 1系统方案 本系统主要由总控制模块、飞行控制模块、超声波测距模块、无线信号发射接收模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 控制系统的选择 按照本次赛题要求，控制系统芯片选用瑞萨RX23T MCU板（芯片型号为R5F523T5ADFM)作为主控芯片来采集信号以及控制飞行器飞行姿态与方向。 1.2 飞行姿态控制的论证与选择 方案一： 瑞萨芯片将从MPU-6050中读取出来的飞行原始数据进行PID算法运算，得到当前飞行器的四元数，单片机再将数据融合，并对电调发出相应指令，从而达到控制飞行器的飞行姿态的目的。但四元数法需要进行大量的运算，且运算复杂。而且比赛时间紧迫，调试程序复杂且困难。 方案二： 采用市面上现有的QQ、KK等商用飞控板进行飞行姿态稳定的控制，再由瑞萨芯片给与干预来达到想要的飞行方案。但由于这些飞控不开源且干预所需要的波形复杂不可模仿，对设计和调试都是巨大的挑战，且稳定性较差。 方案三： 采用市面上现有的飞控中的传感器集成部分与比较熟悉的STM32单片机最小系统相结合，利用飞控传感器模块的多面性和STM32强大的抗干扰性与兼容性自制飞控模块，再利用瑞萨芯片对STM32进行干预来实现比较稳定简便的飞行控制。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.3 高度测量模块的论证与选择 方案一： 采用bmp085气压传感器测量大气压并转换为海拔高度，把当前的海拔测量值减去起飞时的海拔值即得飞机的离地高度。但此次竞赛飞行高度相对比较低，芯片价格较贵，误差较大，调试较为困难。 方案二： 采用HC-SR04超声波传感器测量飞行器当前的飞行高度。这种传感器在较近距离测距误差较小，算法较易且价格便宜。 综合以上两种方案，选择方案二。 1.4 电机及调速方案的论证与选择 要确定调速方案首先要确定电机型号的选择。 方案一： 采用有刷电机。有刷电机采用机械转向，寿命短，噪声大，产生电火花，效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏，同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落轴承中，使轴承油加速干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机连续使用一定时间就需更换电机内碳刷。 方案二： 采