2013电子设计大赛四旋翼自主飞行器比赛报告

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摘要：
四旋翼飞行器由主控制器、姿态采集器、电机驱动、执行机构、电源、防撞圈等六部分
组成。其中，控制核心采用瑞萨单片机（ R5F100LEA ）负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态
控制；采用AHRS 模块（ 9 轴姿态仪）的姿态采集器做飞行姿态反馈机构；用四块MOS 管
  U! \+ L- q2 f. N6 t搭建大功率驱动器来驱动电机；执行机构采用四路空心杯电机实现。该飞行器还采用了模糊
控制算法对当前姿态数据进行处理，同时，解算出相应电机的PWM 增减量，及时调整飞行
, j# a) Q% `* C& ~姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电源采用集成开关稳压块给单片机供电，使得单片机电
源稳定高效。
关键词：四旋翼飞行器；模糊控制算法；陀螺仪
3 y0 B9 i2 X5 o' s- {! m2 CAbstract ：
The four rotor aircraft by the power supply, main controller , attitude collector , motor
" `5 r( ?, }7 J3 O8 Y3 qdriver, actuators, anticollision ring and so on six parts. Integrated a switching power supply
adopts LM2596S on to the system power supply; Main controller for renesas mcu
4 b( x* r0 o) y/ D- ?, d! b(R5F100LEA), is mainly responsible for to calculating the spacecraft attitude and offer four
road PWM motor respectively; Gestures collector the AHRS - DEMO six axis gyroscope as the
  ?# y. A" D9 W5 r; ispacecraft attitude feedback mechanism; With four pieces of MOS tube structures,
high-power power drive to drive motor; The hollow cup motor actuators for four road. This
aircraft USES the fuzzy control algorithm to deal with the attitude data transformation, makes
the aircraft flight attitude more stable. The aircraft has completed the basic requirement of
: D; [( l) a& g  j  @' _" Cthe topic.
Keywords: four rotor aircraft ；gyroscope fuzzy control ；algorithm
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一、系统方案论证
  A3 ~3 g; [5 t4 B. E系统主要由单片机控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、空心杯电机和
防撞圈等六部分组成，采用X 型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 姿态模块的论证与选择
方案一：
MPU6050 三轴陀螺仪。MPU6050 三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量六个不同方向的
5 u% T/ I( e( z( m9 R加速、移动轨迹以及位置的测量装置。单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三
0 l* D  k6 a# q* s( l6 k2 H2 e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、
! C" ~4 g1 R. P  Y6 T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
; u; n/ i7 ~3 O3 Q1 F保证较高的精度，这样会影响单片机对最终的姿态控制的响应速率。
方案二：
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
! Y4 V9 Q1 T1 D" N7 G4 R4 M; L+ z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
1 j9 @6 k3 D. D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。
方案三：
. Y  L6 b4 O+ b1 ]/ }AHRS 模块。AHRS 模块包含了MPU6050(集成3 轴陀螺仪和3 轴加速度计)、HMC5883L
（3 轴地磁传感器），BPM180 气压高度计等模块。且AHRS 模块内部已经进行一些数据处理，
通过串口直接输出飞行器的当前姿态状态，减少了单片机进行姿态解算的运行时间消耗，进
$ U9 d; [8 s! }% P1 `* I2 ~一步提高了单片机对飞行器的姿态控制。
1 X: Z, |" f! Y3 }0 `' V+ T综合以上三种方案，我们选择了方案三。
$ w2 E: D* S$ W% ~1.2 电源模块的论证与选择
5 W4 R1 l; c2 f0 q. t飞行器的电机电源由7.4 伏的航模专用锂电池直接提供，而瑞萨单片机的工作电压在
+ [* R+ n' L5 ]6 O  R4 n3.3~5.5 伏之间，所以系统需要进行一次电压转换，为控制核心供电，其质量直接决定了系统
' l7 s' u5 ?+ e) x3 V' z! g% W的稳定性。
方案一：
LM7805 模拟电源模块。用LM78/LM79 系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元
4 x; M& o% g$ e5 x件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便
) X- Z! F! q7 ]2 g& ^' B8 s宜。然而在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件
! ^& z! I8 {) d# Y% m下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
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方案二：
LM2596 开关电源模块。LM2596 系列是美国国家半导体公司生产的3A 电流输出降压开
, v7 w: ?# j5 D) F: |: h& q  b关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（ 150KHZ ）和基准稳压器（ 1.23v ），并具有完善
: d# `7 t5 b& q$ l  \" ^/ ~的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压
电路。提供有： 3.3V、5V、12V 及可调（ -ADJ）等多个电压档次产品。而且2596 的功耗较
1 L  N9 h3 ?, V% N小，效率较高，适合在航模中使用以提高续航时间，能满足该系统中电路要求。
. r) ?$ K- E( X, Y( h7 Y方案三：
/ W( n! k1 B7 k5 n/ \2 o0 PAMS1117。AMS1117 系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A 输出电
流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时， AMS1117 器件的压差保证最大不超过1.3V，
5 u; B& A* ]# c* L9 C+ \& s' s) d并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117 的片上微调把基准电压调整到1.5% 的误差以内，
) Z5 A3 P# m9 P1 B% d- _8 d而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。但是能提
供的电流较小，且在大电流工作状态下易发热。而
综合以上三种方案，选择方案二。
1.3 飞行方式的论证与选择
2 R% ~4 o; \8 a) F% s2 _9 P  y" k方案一：
- R) n. f' t, Y; J. ^1 e# W十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列，调整的时候应该对角调整，但是它
* I! M/ L8 T! |9 Q. y1 w9 V灵活性和可调性有限。
方案二：
$ Q+ g( t' u7 F( d: q& _7 b2 n/ aX 行飞行方式。四轴的四个电机以X 字的方式排列，调整的时候应该相邻两个调节，灵
活性和可调性较高。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
$ F0 G! y; K  Q+ [( y以做出很多高难度动作。
& R& r* H9 a7 p4 d3 a综合以上两种方案，选择了方案二。
1.4 电机驱动模块的论证与选择
方案一：
L298N 驱动模块。采用L298N 控制芯片，通过单片机I/O 口输入改变控制端的电平，
即可实现5V 直流电机正反转、停止的操作。运用此方案可以很好的利用单片机程序控制达
% t3 H& a% b/ D$ _+ g7 [到控制电机的目的。但是经过测试发现飞行器的四路空心杯电机同时运作时电流达到5~6 安
培，然而L298N 承受不了如此大的电流。
* }: }/ M1 _  w' `) ~! \8 |方案二：
+ Z5 n- e5 Y# x/ s# D& l/ Y4 路MOS 电流放大电路。通过MCU 输出的信号控制MOS 管的通断，达到放大驱动电流
1 n! O$ C, {& e5 d控制电机正转和反转。该电路简单，驱动能力强，体积小，非常适合作为小型空心杯电机的
( t, \1 P7 x) x: I# j0 l7 W驱动。与L298N 驱动相比较，具有驱动简单，控制方便，而且面积小，质量轻等优点。
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综合以上两种方案，选择了方案二。
9 ?# [4 V' r, I5 b二、系统理论分析与计算
* W( R: K1 j: I' H+ \! ~3 l1 E2.1 模糊控制算法的分析
2 ]5 A$ q1 ]6 W; _9 W# W由于四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推理，所以如何保证电机在平
5 Q. ]3 F7 {6 n  T" g. ^稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比例关系是飞行器按照期望
姿态飞行的关键。经过反复测试发现用模糊控制算法处理姿态数据的效果比采用单纯的PID
算法实现更加稳定可靠，但是需要处理的运算增多，使得单片机单位时间内进行姿态矫正的
次数减少，从而一定程度上影响了系统的响应速度。
模糊控制算法是对手动操作者的手动控制策略、经验的总结。模糊控制算法有多种实现
- P7 R% R: @9 ^# \5 R形式。采用应用最早、最广泛的查表法可大大提高模糊控制的时效性，节省内存空间，本自
' T+ U) D2 T3 _: q: e: x$ [主飞行器的设计就采用了查表法。控制时针对于不同的飞行姿态将每个电机对应的运行状态
( c( {+ N) L0 z9 ^# f+ o; a分别存放在四个五行五列的数组中，系统运行时将从陀螺仪处解算出的姿态数据与数组中的
数据对比，查找并映射到相应的隶属区间，然后在隶属的区间处取得最优解进行姿态矫正。

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