1系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由總控制模塊、飛行控制模塊、超聲波測(cè)距模塊、無(wú)線信號(hào)發(fā)射接收模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1.1 控制系統(tǒng)的選擇

按照本次賽題要求，控制系統(tǒng)芯片選用瑞薩RX23T MCU作為主控芯片來(lái)采集信號(hào)以及控制飛行器飛行姿態(tài)與方向。

1.2 飛行姿態(tài)控制的論證與選擇

方案一：

瑞薩芯片將從MPU-6050中讀取出來(lái)的飛行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法運(yùn)算，得到當(dāng)前飛行器的四元數(shù)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)融合，并對(duì)電調(diào)發(fā)出相應(yīng)指令，從而達(dá)到控制飛行器的飛行姿態(tài)的目的。但四元數(shù)法需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，且運(yùn)算復(fù)雜。而且比賽時(shí)間緊迫，調(diào)試程序復(fù)雜且困難。

方案二：

采用市面上現(xiàn)有的QQ、KK等商用飛控板進(jìn)行飛行姿態(tài)穩(wěn)定的控制，再由瑞薩芯片給與干預(yù)來(lái)達(dá)到想要的飛行方案。但由于這些飛控不開(kāi)源且干預(yù)所需要的波形復(fù)雜不可模仿，對(duì)設(shè)計(jì)和調(diào)試都是巨大的挑戰(zhàn)，且穩(wěn)定性較差。

方案三：

采用市面上現(xiàn)有的飛控中的傳感器集成部分與比較熟悉的STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)相結(jié)合，利用飛控傳感器模塊的多面性和STM32強(qiáng)大的抗干擾性與兼容性自制飛控模塊，再利用瑞薩芯片對(duì)STM32進(jìn)行干預(yù)來(lái)實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定簡(jiǎn)便的飛行控制。

綜合以上三種方案，選擇方案三。

1.3 高度測(cè)量模塊的論證與選擇

方案一：

采用bmp085氣壓傳感器測(cè)量大氣壓并轉(zhuǎn)換為海拔高度，把當(dāng)前的海拔測(cè)量值減去起飛時(shí)的海拔值即得飛機(jī)的離地高度。但此次競(jìng)賽飛行高度相對(duì)比較低，芯片價(jià)格較貴，誤差較大，調(diào)試較為困難。

方案二：

采用HC-SR04超聲波傳感器測(cè)量飛行器當(dāng)前的飛行高度。這種傳感器在較近距離測(cè)距誤差較小，算法較易且價(jià)格便宜。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

1.4 電機(jī)及調(diào)速方案的論證與選擇

要確定調(diào)速方案首先要確定電機(jī)型號(hào)的選擇。

方案一：

采用有刷電機(jī)。有刷電機(jī)采用機(jī)械轉(zhuǎn)向，壽命短，噪聲大，產(chǎn)生電火花，效率低。它長(zhǎng)期使用碳刷磨損嚴(yán)重，較易損壞，同時(shí)磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機(jī)噪聲進(jìn)一步增大。有刷電機(jī)連續(xù)使用一定時(shí)間就需更換電機(jī)內(nèi)碳刷。

方案二：

采用無(wú)刷電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)以電子轉(zhuǎn)向取代機(jī)械轉(zhuǎn)向。無(wú)機(jī)械摩擦，無(wú)摩擦，無(wú)電火花，免維護(hù)且能做到更加密封等特點(diǎn)所以技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機(jī)。

綜合以上兩種方案，選擇使用方案二無(wú)刷電機(jī)。

考慮到經(jīng)濟(jì)型實(shí)用性等方面，我們選用新西達(dá)A2212無(wú)刷電機(jī)。而且由于本四旋翼飛行器選用的是無(wú)刷電機(jī)，所以電調(diào)只能選用無(wú)刷電機(jī)的電調(diào)，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)自己做電調(diào)需要的時(shí)間長(zhǎng)，而且可能不穩(wěn)定，危險(xiǎn)性較大，所以直接用的是成品電調(diào)，我們選用電機(jī)配套的新西達(dá)A2212電調(diào)。由此確定調(diào)速方案。

1.5 無(wú)線信號(hào)發(fā)射與接收模塊的論證與選擇

方案一：

采用藍(lán)牙模塊來(lái)進(jìn)行無(wú)線配對(duì)通信，將兩個(gè)配對(duì)完成的藍(lán)牙模塊分別接在小車與飛行器的單片機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)配對(duì)傳輸，但是藍(lán)牙模塊抗干擾性較差，傳輸速度略慢，傳輸信息量大，編輯代碼較為復(fù)雜，調(diào)試麻煩。

方案二：

采用超外差RF無(wú)線編碼模塊TX118SA來(lái)進(jìn)行無(wú)線信號(hào)發(fā)射，利用RX480E通用解碼芯片進(jìn)行信號(hào)接收，這兩個(gè)傳感器不僅價(jià)格低廉，且在近距離信號(hào)傳輸時(shí)抗干擾性較強(qiáng)，對(duì)碼等調(diào)試較為簡(jiǎn)易。

綜合兩種方案我們選用第二種進(jìn)行小車與飛行器之間的配對(duì)與信號(hào)傳輸。

2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1控制方案的設(shè)計(jì)與分析

2.1.1 飛行器起飛及懸停方案設(shè)計(jì)

由于題目中要求起飛懸停降落都要控制在一個(gè)直徑為75CM的圓圈內(nèi)，且本次材料清單中沒(méi)有關(guān)于紅外避障或?qū)ほE傳感器的選用，因此只能在客觀條件允許的條件下盡量保證飛機(jī)能穩(wěn)定起飛穩(wěn)定降落，因而我們決定在超聲波傳感器測(cè)定與地面距離小于1.2m時(shí)瑞薩芯片會(huì)將信號(hào)傳遞給STM32飛控來(lái)使得調(diào)速四個(gè)電機(jī)加速啟動(dòng)讓飛機(jī)得以起飛，且起飛過(guò)程中截取飛控傳感器模塊中的MPU6050會(huì)將姿態(tài)角傳給STM32飛控中，飛控會(huì)自動(dòng)調(diào)整PWM輸出的占空比達(dá)到調(diào)速使得起飛過(guò)程盡可能平穩(wěn)，在超聲波傳感器測(cè)得飛行高度達(dá)到1.2m至1.6m之間時(shí)瑞薩發(fā)出PWM波使得飛控開(kāi)始讓電機(jī)減速，在加速度傳感器輸出趨近于0時(shí)飛機(jī)基本實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)懸停。

2.1.2 飛行姿態(tài)控制設(shè)計(jì)

飛行器在懸停的時(shí)，MPU6050會(huì)不斷將現(xiàn)有姿態(tài)角數(shù)據(jù)傳輸給STM32飛控中，飛控會(huì)自動(dòng)代入PID調(diào)試公式來(lái)確定現(xiàn)有的飛行姿態(tài)并給予調(diào)整來(lái)盡量保證飛機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定。

2.1.3 飛行高度控制

飛行高度的采集采用超聲波模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)超聲波發(fā)出時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，收到返回信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，瑞薩單片機(jī)利用聲音在空氣中的傳播速度（粗記為340m/s）與時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)計(jì)算出飛行器距地面的時(shí)間，從而控制飛行器的飛行高度達(dá)到我們所需的高度。

2.1.4 小車與飛行器聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

小車與飛行器之間采用TX118SA無(wú)線信號(hào)發(fā)射接收傳感器來(lái)進(jìn)行通訊連接，位于飛行器上的接收端可以接收到來(lái)自小車上發(fā)射端的信號(hào)來(lái)進(jìn)行平面定位操作，再由瑞薩芯片發(fā)出指令來(lái)控制飛行器和小車控制在一定距離從而達(dá)到跟隨。

2.2 參數(shù)的計(jì)算

2.2.1 飛行穩(wěn)定的PID計(jì)算

STM32最小系統(tǒng)板從飛控傳感器模塊中的MPU-6050芯片獲取的數(shù)據(jù)是飛行器的三軸角速度和三軸角加速度，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法處理可以得到飛行器當(dāng)前的飛行姿態(tài)。PID是比例、積分、微分的縮寫。比例調(diào)節(jié)是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過(guò)大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無(wú)差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。幾者結(jié)合從而保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定。

2.2.2 高度控制的PID計(jì)算

超聲波測(cè)距傳感器能測(cè)量出發(fā)出聲波到接收到聲波之間的時(shí)間長(zhǎng)度，設(shè)這個(gè)值為X，則X/340/2即為所測(cè)量距離的長(zhǎng)度，將這個(gè)經(jīng)計(jì)算所得的值與所需要的高度進(jìn)行對(duì)比，在對(duì)STM32進(jìn)行反饋從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速定高，來(lái)達(dá)到控制飛行高度的目的。

2.2.3 聲光聯(lián)動(dòng)的參數(shù)設(shè)定

TX118SA發(fā)射器和接收器之間信號(hào)傳輸時(shí)間為聲波在兩者之間傳遞時(shí)間，與聲速相除可測(cè)出之間距離，在距離到達(dá)所要求0.5m~1.5m之間時(shí)，二極管所在端口輸出高電平達(dá)到讓二極管發(fā)光，同時(shí)揚(yáng)聲器所在端口輸出高頻PWM波以達(dá)到讓揚(yáng)聲器發(fā)出尖銳聲音的效果從而達(dá)到聲光聯(lián)動(dòng)。

3電路與程序設(shè)計(jì)

3.1電路的設(shè)計(jì)

3.1.1系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)

總體框圖

3.1.2 控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)框圖

3.1.3 飛控系統(tǒng)框圖

飛控系統(tǒng)框圖

3.1.4 電源的選用

電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供±5V或±12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。

3.2 程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

1、程序功能描述

首先一鍵啟動(dòng)飛行器，起飛后懸停，5S后降落；其次手持飛機(jī)靠近小車飛機(jī)和小車發(fā)出聲光互響；再次一鍵啟動(dòng)飛機(jī)向前尋找小車，尋到后降落；然后啟動(dòng)飛機(jī)沿直線追尋小車；最后飛機(jī)沿不同方向追尋小車。

2、程序設(shè)計(jì)思路

先設(shè)計(jì)出每種功能中相同的程序部分方便在各個(gè)步驟中調(diào)用，再設(shè)計(jì)出各個(gè)步驟中特有的部分加上之前的公共部分進(jìn)而完成整個(gè)步驟。

3.2.2 程序流程圖

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試方案

對(duì)程序進(jìn)行分塊測(cè)試，先公共部分后獨(dú)立部分，測(cè)試均無(wú)誤后針對(duì)要求的需要進(jìn)行測(cè)試。分模塊測(cè)試完畢后，在實(shí)驗(yàn)室自主搭建安全網(wǎng)空間進(jìn)行整體測(cè)試，包括一鍵起飛、懸停定高、聲光指示、定向飛行、追蹤等，在隊(duì)員安全與符合國(guó)家相關(guān)飛行器政策要求前提下完成所有測(cè)試。

4.2 測(cè)試結(jié)果及改進(jìn)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，將不穩(wěn)定區(qū)間過(guò)大的部分進(jìn)行了多次優(yōu)化，使其能高效穩(wěn)定地完成每步的運(yùn)作。尤其對(duì)PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速這一方面做了較大改進(jìn)，在不斷的調(diào)試中，使飛行器飛行更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確，減小了許多外界因素造成的干擾。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到要求。

5. 電路原理圖