四旋翼自主飞行器设计报告(C题)(方勇刚、张俊、曹章).docx

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1、多旋翼自主飞行器（C题）摘要本设计是四旋翼自主飞行器，采用了R5F1001EA为导航、图像识别及其数据处理的主控芯片，另选用STM32F407VGT6作为陀螺仪、加速度计和超声波的数据采集及其数据处理的辅助控制芯片。系统包括姿态检测模块、图像识别模块、超声波测距模块以及其它基本电路结构和机械结构，其中姿态检测模块采用MPU6050三轴陀螺仪加速度传感器和HMC58831三轴磁力传感器来实现，图像识别模块利用CCD摄像头检测启停标志、飞行引导线标志和路线标志。系统主要算法有HR滤波算法、姿态融合算法，核心控制算法是P1D算法。基于以上各功能模快，飞行器能够实现课题要求。关键词：R5F1001EA

2、；STM32F407VGT6；陀螺仪；CCD；PID一、系统方案课题要求在限定时间和限定高度内定点起降、寻线飞行、航拍，以及来回搬运铁板的任务，所以本系统使用双MCU来提高性能，为了使飞行器能够精确到达目的地以及其它任务，所以对系统各功能模块进行了如下的方案选择与论证。1主驱动器的论证与选择方案一：选用单个R5F1001EA作为控制核心，节约成本，但要实现所要求功能，会耗尽MCU的资源，使系统不稳定。方案二：选用一主控芯片R5F1001EA用作航拍、及其数据处理，另选用一辅助控制芯片STM32F403VGT6进行相应传感器数据采集、及其数据处理。综合上述两种方案，选择方案二，使系统更加稳定2

3、.姿态检测模块的论证与选择方案一：用单轴陀螺仪BJXM-PAS,这款传感器为低功耗、低成本模块，只能测量一个方向的角速度，要想实现所有飞行功能至少三个模块，那样会增加飞行器的载重量给,给飞行器增加负担。方案二：3轴陀螺仪+三轴加速度传感器模块MPU6050和三轴磁力计模块HMC58831,这两个传感器能测量三轴的角度，进而得到欧拉角，三维立体空间中很好的定位飞行器的位置与和姿态飞行。综合以上两种方案，选择方案二。3 .高度检测模块的论证与选择方案一：气压计模块BMPI80,是根据大气压与高度的关系来计算出高度，但是鉴于飞器是在2m以内飞行，而气压计在这么短的高度内误差会非常大，因为气压变化太小

4、。方案二：超声波测距模块，其作用是发射超声波，接收反射回来的超声波，它能在这一过程输出相应时间的高电平，比较稳定，误差很小。综合以上两种方案，选择方案二。4 .导航模块的论证与选择方案一：安装0V7725模块，该模块自带24M有源晶振，方便实用，分辨率120fps高帧速度输出，需要高速度处理器进行处理。方案二：安装CCD模块，用该模块来识别各个标志并沿着沿线飞行可行，处理起来也简单易行。鉴于MCiJ性能，选择方案二。二、系统理论分析与设计1 .姿态解算刚体运动时用欧拉角变换测得飞行姿态，按图所示有两个坐标系，一个是地面参考系，一个是机体坐标系。对于任意Q向量，相对于机体坐标系得到向量QP和对于

5、地面参1Ty考系的向量Qg，由旋转矩阵R得到QG=RQP，其中旋转矩阵R=F。1）机体绕ZZ,轴旋转得到偏航角;2）机体绕yt,轴旋转得到俯仰角；3）机体绕外轴旋转得到俯仰角:因此欧拉角与方向余弦的关系如下:tan2(.1arcsin(rzx)2 .高度计算实时读取超声波模块发射到接收的时间T,测距的公式为：H=CT,C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半），再经过滤波算法就可以用于飞行器定高。三、电路与程序设计（一）电路的设计1 .系统组成本系统由单片机主控模块、姿态检测模块、图像识别模块、超声波模块、电机模块组成。2 .系统整体框图系统原理框图

6、如图所示:（二）程序的设计程序流程图如下四、测试方案与测试结果1 .测试条件CCD图像采集模块,R5F1001EA,STM32F407VGT6,上位机，示波器，米尺,秒表。2 .测试结果（1）基本功能按照题目基础部分要求，做了相应测试，结果记录在下表表1A区飞到B区飞行的时间N/次123456平均t/秒15141316171515表2.A区沿CDEF回到A区的时间N/次123456平均t/秒28272526242926.5对于基本要求（3）,自制的电子示高装置能够实现功能。（2）发挥功能表3.A区飞到B区飞，B区飞回A区的时间N/次123456平均t/秒3130.829.528282729.1表4.A区飞到B区飞，B区飞回A区的时间N/次123456平均t/秒32333129302830.53 .测试结果分析本设计拥有双MCU单片机模块以及其它功能模块，再加上PID核心算法，能够实现定点起降、寻线飞行，实现指定任务。根据测试结果分析，飞行器比较稳定。