2023年安徽省大学生电子设计竞赛“TI杯”(最高奖)获奖作品灭火飞行器设计报告.docx

2023 年安徽省 TI 杯大学生电子设计竞赛灭火飞行器〔B 题〕设计报告0名目摘要： 2关键词： 2一、系统方案 31.1 把握系统的选择 31.2 飞行姿势把握的论证与选择 31.3 电机的选择 31.4 高度测量模块的论证与选择 31.5 边界推断模块的选择 31.6 角速度与加速度测量模块选择 4二、设计与论证 42.1 把握方法设计 42.1.1 降落及飞行轨迹把握 42.1.2 飞行高度把握 52.1.3 飞行姿势把握 52.2 参数计算 6三、理论分析与计算 63.1 Pid 把握算法分析 6四、电路与程序设计 94.1 系统组成 94.2 系统框图 94.3 系统各模块电路图 104.4 程序流程图 13五、测试方案与测试条件 135.1 测试方案 135.2 测试条件 14六、结论 166.1 pid 把握如以以下图： 16附录一：元器件明细表 18附录二：仪器设备清单 18附录三：程序 181摘要：本系统由数据采集、数据信号处理、飞行姿势和航向把握等局部组成系统选用 STM32F4 单片机作为主控芯片，对从 STM32F4 芯片读取到的一系列数据进展PID 算法处理并向飞行器的电调给出相应指令，从而到达对飞行器飞行姿势的把握。

承受 STM32F4 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,用激光定高来推断“火源位置”，以保证飞行器可以直接找到“火源”通过使用激光推断边界区域，确保可以在相应范围内飞行；nrf51422 无线通信模块用来实现遥控器和飞行器之间的通信关键词：STM32F4 单片机 激光传感器 超声波测距定高 PID 算法 光流定点模块nrf51422 无线模块一、系统方案本系统主要由把握模块、激光定高模块、电机调速模块、循迹模块、无线通信模块组成，下面分别论证这几个模块的选择1.1 把握系统的选择方案一：STM32F1 单片机作为主控芯片来把握飞行器的飞行姿势与方向，带有摄像头采集，并把摄像头采集的数据发送给 STM32F4 进展处理，运用 pid 算法进展姿势调整方案二：承受激光定高模块，把数据发送到 STM32F4 单片机进展数据处理由于单片机质量比较重，飞机飞行过程中佩戴摄像头及单片机时，飞行姿势不稳定，较难实现竞赛的要求，故承受方案二1.2 飞行姿势把握的论证与选择方案一：单片机将从定高模块中读取出来的飞行原始数据进展 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依据欧拉角的角度及方向输出相应的指令给电调，从而到达把握飞行器平稳飞行的目的方案二：单片机将定高模块中读取出来的飞行原始数据进展 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，从而到达把握飞行器的飞行姿势的目的。

从算法的简洁程度及我们对算法的生疏程度，我们选择方案二1.3 电机的选择方案一：电机选择空心杯电机，由于是由厂家自带，比较简洁使用方案二：电机选择无刷电机由于无刷电机质量大，飞机较小，使用无刷电机很难带动，应选择方案一1.4 高度测量模块的论证与选择方案一：承受 HC-SR04 超声波传感器测量飞行器当前的飞行高度方案二：承受激光定高模块测量高度考虑到对元件的生疏程度、元件的价格和程序的编写，选择方案二1.5 边界推断模块的选择内置的激光模块，在放射激光的同时，信号返还的值不同，由于边界贴上了黑色胶袋，返回值会产生较大变化，即可以到达边界推断的目的1.6 角速度与加速度测量模块选择欧拉角算法通过求解欧拉角微分方程直接计算航向角、俯仰角和横滚角欧拉角微分方程关系简洁明白,概念直观,简洁理解，解算过程中无需作正交化处理, 但方程中包含有三角运算,这给实时计算带来确定困难而且当俯仰角接近90° 时方程消灭退化现象,这相当于平台惯导中惯性平台的锁定，所以这种方法只适用于水平姿势变化不大的状况,而不适用于全姿势运载体的姿势确定方向余弦法对姿势矩阵微分方程作求解,避开了欧拉角法中方程的退化问 题，可全姿势工作。

但姿势矩阵微分方程实质上是包含九个未知量的线性微分方程组，与四元数法相比,计算量大,实时计算困难，所以工程.上并不有用四元数法只需求解四个未知量的线性微分方程组,计算量比方向余弦法小, 且算法简洁，易于操作,是较有用的工程方法但四元数法实质上是旋转矢量法中的单子样算法,对有限转动引起的不行交换误差的补偿程度不够,所以只适用于低动态运载体(如运输机等)的姿势解算而对高动态运载体,姿势解算中的算法漂移会格外严峻旋转矢量法可承受多子样算法实现对不行交换误差做有效补偿,算法关系简洁，易于操作,并且通过对系数的优化处理使算法漂移在一样子样算法中到达最小，因此特别适用于角机动频繁猛烈或存在严峻角振动的运载体的姿势更四元数法和旋转矢量法都通过计算姿势四元数实现姿势更，但前者直接求解姿势四元数微分方程,而后者通过求解姿势变化四元数再求解姿势四元数,两者的算法思路并不一样利用加速度计所获得的角度信息 θg 与陀螺仪积分后的角度θ 进展比较， 将比较的误差信号经过比例Tg 放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进展积分对于加速度计给定的角度θg ，经过比例、积分环节之后产生的角度θ必定最终等于θg 由于加速度计获得的角度信息不会存在积存误差，所以最终将输出角度θ中的积存误差消退了。

加速度计所产生的角度信息θg 中会叠加很强的有四轴运动加速度噪声信号为了避开该信号对于角度θ 的影响，因此比例系数 Tg 应当格外小这样，加速度的噪声信号经过比例、积分后，在输出角度信息中就会格外小了由于存在积分环节，所以无论比例 Tg 多么小，最终输出角度θ必定与加速度计测量的角度θg 相等，只是这个调整过程会随着 Tg 的减小而延长二、设计与论证2.1 把握方法设计2.1.1 降落及飞行轨迹把握由于题中有指示线，所以我们承受漫反射激光定高来识别地面的指示线，红外模块将识别指示线后的信号以数据的方式传给单片机，单片机对信号做出反响，把握电调，从而把握飞行器飞行轨迹程序流程图如下：2.1.2 飞行高度把握飞行高度的采集承受激光定高模块来实现2.1.3 飞行姿势把握通过 MPU6050 模块来测量当前飞行器的三轴加速度和三轴角加速度，利用瑞萨单片机的 IIC 协议从 MPU6050 中读取出数据，解读飞行器的飞行姿势，并经过PID 算法程序来对数据进展处理，得到当前欧拉角的值，并将处理后的信号传给电调，把握电机的转速，从而到达把握飞行器的飞行姿势的目的5程序流程图如图：2.2 参数计算本系统最主要的参数计算是对 MPU-6050 等传感器采集的原始飞行数据进展处理。

单片机从 MPU-6050 芯片猎取的数据是飞行器的三轴角速度和三轴角加速度， MCU 对数据进展PID 算法处理可以得到飞行器当前的飞行姿势，PID 是比例,积分,微分的缩写比例调整作用：是按比例反响系统的偏差,系统一旦消灭了偏差, 比例调整马上产生调整作用用以削减偏差比例作用大,可以加快调整,削减误差, 但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定积分调整作用： 是使系统消退稳态误差,提高无差度由于有误差,积分调整就进展,直至无差, 积分调整停顿,积分调整输出一常值积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti 越小,积分作用就越强反之 Ti 大则积分作用弱,参与积分调整可使系统稳定性下降,动态响应变慢积分作用常与另两种调整规律结合,组成 PI 调整器或 PID 调整器三、理论分析与计算3.1 Pid 把握算法分析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力，所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的全都性及不同动作时各个电机转速的比例关系是飞行器依据期望姿势飞行的关键所以这里我们承受到 pid 把握理论把6飞机的当前姿势调整到期望姿势比例u(t)r(t)e(t)积分被控对象_微分C(t)Pid 把握是通过姿势采集模块发送回来的数据与期望姿势进展比对，假设存在误差，就对误差进展比例、积分、微分的调整，再将调整后的值加到当前电机上，从而到达调整的目的。

比例调整的反响速度较快，而且调整作用明显，飞机消灭俯仰和翻滚时能快速调整回来，但是稳定性较差，往往会调整过火；积分调整可以消退长期误差，排解外界因素的干扰，但是同样会降低系统整体的稳定性， 使飞机发生震荡；微分调整可以推想被控设备的将来状态，准时的进展调整，而且比按例调整有抑制作用，加强单比例调整的稳定性，排解调整过度的问题所以通过 pid 把握可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来，以使系统到达稳定Pid 把握油门原理框图如下：90º0º-90Pid 调3转化量化飞行器油门-373.2 飞行姿势把握单元Yaw2尾尾Roll43Pitch1头头飞行器模拟图如以以下图，姿势把握是通过陀螺仪模块进展数据的采集，依据它采集回来的俯仰角〔pitch〕，翻滚角〔roll〕，四旋翼承受十字型连接，这样的话能明确分别俯仰姿势和翻滚姿势，进展分别把握这时假设飞机处于俯仰状态就调机头和机尾的电机，那边高就减小那边电机的转速，相应的那边低则加大那边电机的转速假设飞机处于翻滚状态，则调左右电机左右3.3 光流模块原理可以看到，光流模块原理图还是比较简洁的，一颗光流模组 PMW3901,一颗激光测距传感器 VL53L0X, 2 颗 LDO,一组 2.0 间距排母，一个 ADC 采集点，以及电阻、电容、二三极管和 MOS 管。

PMW3901 是 PixArt 公司最的高精度低功耗光学追踪模组，可直接猎取 xy 方向运动信息，测量范围 8cm 以上，工作电流<9mA，工作电 VDD(1.8~2.1VDC) 和 VDDIO(1.8~3.6VDC), 使用 4 线 SPI 接口通信原理图可以看出，2 颗 LDO， 一颗 1.8V 的 LDO 供给应 VDD，一颗 3.0V 的 LDO 供给应 VDDIOSPI 接口使用硬件 SPI2，片选信号 PA8， 另外 LED1 为红外 LED, 默认没有焊接VL53L0X 是 ST 公司的其次代激光测距传感器，该芯片集成了激光放射器和SPAD 红外接收器，承受 FlightSenseTM 技术，通过接收器接收到的光子时间来计算距离，实现更快、更远、更准确的测距功能，该传感器工作电压 AVDD 由3.0V 的 LDO 经过一个 10R 电阻得到，或许是2.8V，也恰好是VL53L0X 工作最正确电压，该传感器测量距离 3cm ~200cm，使用 IIC 通信接口，最大通信速率。