电赛四旋翼飞行器.doc

第 页 共22页 2014年电子设计竞赛 四旋翼自主飞行器（G题） 2013年9月11日 目录 摘要 关键词……………………………………………………………1 一系统方案………………………………………………………………2 控制系统的选择……………………………………………………………………… 2 飞行姿态控制的论证与选择.………………………………………………………2 电机的选择……………………………………………………………………………… 2 高度测量模块的论证与选择….……………………………………………………2 电机调速模块的选择…………………………………………………………………2 循迹模块的方案选择…………………………………………………………………2 薄铁片拾取的方案的论证与选择………………………………………………… 2 角速度与角加速度测量模块选择………………………………………………… 3 二设计与论证……………………………………………………………3 2.1控制方法设计…………………………………………………………………3 2.1.1降落及飞行轨迹控制设计…………………………………………………3 2.1.2飞行高度控制设计…………………………………………………………4 2.1.3飞行姿态控制设计…………………………………………………………4 2.1.4铁片拾取与投放控制设计…………………………………………………4 2.2参数计算………………………………………………………………………5 三理论分析与计算 5 3.1Pid控制算法分析5. 3.2飞行姿态控制单元……………………………………………………………6 四电路与程序设计………………………………………………………7 4.1系统组成…………………………………………………………………… 7 4.2 原理框图…………………………………………………………………… 7 4.3电路图……………………………………………………………………… 8 4.4系统软件与流程图……………………………………………………………………9 五测试方案与测试条件……………………………………………… 11 5.1测试方案……………………………………………………………………11 5.2测试条件……………………………………………………………………11 六结论………………………………………………………………… 11 附录……………………………………………………………………12 附一：元器件明细表………………………………………………………………………12 附二：仪器设备清单………………………………………………………………………12 附三：源程序………………………………………………………………………………12 摘要：本系统由数据采集、数据信号处理和飞行姿态和航向控制部分组成。系统选用STC89C52单片机作为主控芯片，对从MPU-6050芯片读取到的一系列数据进行PID算法处理并给飞行器的电调给出相应指令从而达到对飞行器的飞行姿态的控制。采用MPU-6050芯片采集四旋翼飞行器的三轴角速度和三轴角加速度数据。用红外传感器来检测出黑色指示线，以保证飞行器不脱离指定飞行区域及达到指定圆形区域。利用超声波传感器来检测飞行器与地面的距离，以保证飞行器能越过一米示高线。利用电磁铁来吸取和投放铁片。 关键词：STC89C52单片机 MPU-6050模块 激光传感器循迹 电磁铁拾取铁片 超声波测距定高 PID算法 一 系统方案 本系统主要由控制模块、薄铁片拾取、高度测量模块、电机调速模块、循迹模块、角速度和角加速度模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1控制系统的选择 STC89C52RC单片机作为主控芯片来控制飞行器的飞行姿态与方向。 1.2 飞行姿态控制的论证与选择 方案一：单片机将从MPU-6050中读取出来的飞行原始数据进行PID算法运算，得到当前的飞行器欧拉角，单片机得到这个欧拉角后根据欧拉角的角度及方向输出相应的指令给电调，从而达到控制飞行器平稳飞行的目的 方案二：单片机将从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。 从算法的复杂程度及我们对算法的熟悉程度，我们选择方案一。 1.3电机的选择 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