多旋翼自主飛行器（C題）摘要本設(shè)計(jì)是四旋翼自主飛行器，采用了R5F100LEA為導(dǎo)航、圖像識別及其數(shù)據(jù)處理的主控芯片，另選用STM32F407VGT6作為陀螺儀、加速度計(jì)和超聲波的數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)處理的輔助控制芯片。系統(tǒng)包括姿態(tài)檢測模塊、圖像識別模塊、超聲波測距模塊以及其它基本電路結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中姿態(tài)檢測模塊采用MPU6050三軸陀螺儀加速度傳感器和HMC5883L三軸磁力傳感器來實(shí)現(xiàn)，圖像識別模塊利用CCD攝像頭檢測啟停標(biāo)志、飛行引導(dǎo)線標(biāo)志和路線標(biāo)志。系統(tǒng)主要算法有IIR濾波算法、姿態(tài)融合算法，核心控制算法是PID算法?；谝陨细鞴δ苣？欤w行器能夠?qū)崿F(xiàn)課題要求。關(guān)鍵詞:R5F100LEA；STM32F407VGT6；陀螺儀；CCD；PID系統(tǒng)方案課題要求在限定時間和限定高度內(nèi)定點(diǎn)起降、尋線飛行、航拍，以及來回搬運(yùn)鐵板的任務(wù)，所以本系統(tǒng)使用雙MCU來提高性能，為了使飛行器能夠精確到達(dá)目的地以及其它任務(wù)，所以對系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行了如下的方案選擇與論證。主驅(qū)動器的論證與選擇方案一：選用單個R5F100LEA作為控制核心，節(jié)約成本，但要實(shí)現(xiàn)所要求功能，會耗盡MCU的資源，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。方案二：選用一主控芯片R5F100LEA用作航拍、及其數(shù)據(jù)處理，另選用一輔助控制芯片STM32F403VGT6進(jìn)行相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)采集、及其數(shù)據(jù)處理。綜合上述兩種方案，選擇方案二，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定2.姿態(tài)檢測模塊的論證與選擇方案一：用單軸陀螺儀BJXM-PAS，這款傳感器為低功耗、低成本模塊，只能測量一個方向的角速度，要想實(shí)現(xiàn)所有飛行功能`至少三個模塊，那樣會增加飛行器的載重量給，給飛行器增加負(fù)擔(dān)。方案二：3軸陀螺儀+三軸加速度傳感器模塊MPU6050和三軸磁力計(jì)模塊HMC5883L，這兩個傳感器能測量三軸的角度，進(jìn)而得到歐拉角，三維立體空間中很好的定位飛行器的位置與和姿態(tài)飛行。綜合以上兩種方案，選擇方案二。3.高度檢測模塊的論證與選擇方案一：氣壓計(jì)模塊BMP180，是根據(jù)大氣壓與高度的關(guān)系來計(jì)算出高度，但是鑒于飛器是在2m以內(nèi)飛行，而氣壓計(jì)在這么短的高度內(nèi)誤差會非常大，因?yàn)闅鈮鹤兓?。方案二：超聲波測距模塊，其作用是發(fā)射超聲波，接收反射回來的超聲波，它能在這一過程輸出相應(yīng)時間的高電平，比較穩(wěn)定，誤差很小。綜合以上兩種方案，選擇方案二。4.導(dǎo)航模塊的論證與選擇方案一：安裝OV7725模塊，該模塊自帶24M有源晶振，方便實(shí)用，分辨率120fps高幀速度輸出，需要高速度處理器進(jìn)行處理。方案二：安裝CCD模塊，用該模塊來識別各個標(biāo)志并沿著沿線飛行可行，處理起來也簡單易行。鑒于MCU性能，選擇方案二。二、系統(tǒng)理論分析與設(shè)計(jì)1.姿態(tài)解算剛體運(yùn)動時用歐拉角變換測得飛行姿態(tài)，按圖所示有兩個坐標(biāo)系，一個是地面參考系，一個是機(jī)體坐標(biāo)系。對于任意Q向量，相對于機(jī)體坐標(biāo)系得到向量和對于地面參考系的向量，由旋轉(zhuǎn)矩陣R得到=R，其中旋轉(zhuǎn)矩陣R=。機(jī)體繞軸旋轉(zhuǎn)得到偏航角ψ；機(jī)體繞軸旋轉(zhuǎn)得到俯仰角θ;機(jī)體繞軸旋轉(zhuǎn)得到俯仰角φ；因此歐拉角與方向余弦的關(guān)系如下：2.高度計(jì)算實(shí)時讀取超聲波模塊發(fā)射到接收的時間T，測距的公式為：H=C×T，C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)，再經(jīng)過濾波算法就可以用于飛行器定高。電路與程序設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、姿態(tài)檢測模塊、圖像識別模塊、超聲波模塊、電機(jī)模塊組成。2.系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)原理框圖如圖所示：MCU模式選擇按鍵MCU模式選擇按鍵IIR濾波姿IIR濾波姿態(tài)融合PID控制MPU6050+HMC5883L姿態(tài)檢測線性CCD路徑識別MPU6050+HMC5883L姿態(tài)檢測線性CCD路徑識別超聲波傳感器超聲波傳感器PWM1PWM2PWM3PWM4電調(diào)4電調(diào)3電調(diào)2電調(diào)1電調(diào)4電調(diào)3電調(diào)2電調(diào)1電機(jī)4電機(jī)3電機(jī)2電機(jī)1電機(jī)4電機(jī)3電機(jī)2電機(jī)1程序的設(shè)計(jì)程序流程圖如下開始開始模式選擇模式選擇P=1P=2ABP=0ABAACDEFAABABAACDEFA初始化陀螺儀初始化陀螺儀起飛并定高起飛并定高循跡前進(jìn)循跡前進(jìn)按照既定模式降落按照既定模式降落結(jié)束結(jié)束測試方案與測試結(jié)果測試條件CCD圖像采集模塊，R5F100LEA，STM32F407VGT6，上位機(jī)，示波器，米尺，秒表。測試結(jié)果基本功能按照題目基礎(chǔ)部分要求，做了相應(yīng)測試，結(jié)果記錄在下表表1.A區(qū)飛到B區(qū)飛行的時間N/次123456平均t/秒15141316171515表2.A區(qū)沿CDEF回到A區(qū)的時間N/次123456平均t/秒28272526242926.5對于基本要求（3），自制的電子示高裝置能夠?qū)崿F(xiàn)功能。發(fā)揮功能表3.A區(qū)飛到B區(qū)飛，B區(qū)飛回A區(qū)的時間N/次123456平均t/秒3130.829.528282729.1表4.A區(qū)飛到B區(qū)飛