瑞萨R5F100LEA单片机主控的四旋翼无人自主飞行器设计报告.pdf

1 2015年全国大学生电子设计竞赛年全国大学生电子设计竞赛 多旋翼自主飞行器（多旋翼自主飞行器（C C） 南南 京京 大大 学学 二一五年八月十五日二一五年八月十五日 参赛学校：参赛学校： 南京大学 参赛编号：参赛编号： NJ118 参赛队员：参赛队员： 田雪津、蔡亦倩、徐源 指导老师：指导老师： 戚海峰、高琴 2 摘要：摘要：四旋翼无人自主飞行器是一种体积小，控制相对简单的飞行器。本课题设计的四旋翼自主飞 行器仅以一块瑞萨 R5F100LEA 单片机为主控芯片，这也是本组的特色所在。主控芯片通过读取陀螺 仪 GY-953 中采集的四旋翼欧拉角数据进行 PID 处理以保持飞机的姿态稳定；采集超声波测距模块 HC-SR04 的数据加以控制来维持四旋翼飞行的高度； 利用光流传感器的数据进行处理以控制飞机循迹 飞行；采用 Pixy CMUcam5 Sensor 高清摄像头追踪铁片位置，电磁铁 YHN-P10 拾取投放铁片。飞行 器上另附有 H264 编码摄像机，可进行航拍。本组飞行器性能优良，设计精美，符合本次课题的要求。 关键词：关键词：四旋翼飞行器、瑞萨 R5F100LEA 单片机、陀螺仪 GY-953、PID、HC-SR04、光流传感器、Pixy CMUcam5 Sensor、电磁铁 YHN-P10、H264 编码摄像机 AbstractAbstract The four rotor is a small aircraft which is easy to control. The four rotor we design adopts only one RENESAS R5F100LEA as its control chip, which can process data reading from GY-953 with PID algorithm to adjust the four rotors attitude. It can also read data from the ultrasonic ranging module to urge the aircraft to fly at a certain height. The optical flow sensor attached to the R5F100LEA is aimed at transferring data to the control chip to make the four rotor fly on a certain track. We use Pixy CMUcam5 Sensor camera to find sheet iron and a electromagnet YHN-P10 to attract and put down them too. There is also a H264 code video camera for Aerial video. Our four rotor which is well made and of high quality can meet the demand of task of this subject. Keywords: four rotor, RENESAS R5F100LEA, Gyros GY-953, PID, ultrasonic ranging module, Optical flow sensor,Pixy CMUcam5 Sensor，electromagnet YHN-P10, H264 code video camera 3 目 录 一、系统方案介绍3 1.1 系统总体框架设计3 1.2 主控模块的论证与选择3 1.3 姿态模块的论证与选择3 1.4 高度模块的论证与选择3 1.5 循迹模块的论证与选择3 1.6 电机调速模块的论证与选择4 1.7 铁片追踪模块的论证与选择4 1.8 铁片运输模块的论证与选择4 1.9 摄像头模块的论证与选择4 1.10 示高模块的论证与选择 4 二、设计与论证4 2.1 四旋翼建模4 2.2 角度、高度 PID 算法5 2.3 PID 算法参数整定 5 三、电路与程序设计5 3.1 姿态模块设计5 3.2 高度模块设计5 3.3 循迹模块设计6 3.4 铁片追踪设计6 3.5 铁片运输设计6 3.6 示高模块设计6 3.7 整体电路设计6 四、测试方案及测试结果6 4.1 测试方案6 4.2 测试结果7 五、设计小结及感悟7 参考文献8 附录8 4 一、系统方案介绍 1.1 系统总体框架设计 本飞行器共分为八个模块：主控模 块、姿态模块、高度模块、循迹模块、 电机调速模块、铁片追踪、铁片运输模 块、摄像机模块。系统框图如图所示： 1.2 主控模块的论证与选择 主控模块采用组委会提供的瑞萨 R5F100LEA 单片机作为主控芯片，负责 控制四旋翼飞行的姿态、高度，循迹以 及对铁片的吸附和投放。瑞萨单片机性 能优良，具有运算高速、稳定性强、自由度大等特点。尤其是其编程软件 Cubesuite+可以直接设置 定时器、串口等，非常方便快捷。 1.3 姿态模块的论证与选择 方案一：单片机通过 UART 串口从集成九轴角度传感器 GY-953 中直接读取姿态角。 方案二：单片机从 MPU-6050 及磁力计中读取原始数据，进行卡尔曼滤波得到四旋翼飞行器的欧 拉角。 GY-953 集成了磁力计，免去了双模块带来的系统复杂度提升，且减少了单片机的运算量，因此 决定采用方案一。 1.4 1.4 高度模块的论证与选择高度模块的论证与选择 方案一：采用 BMP180气压传感器测量当前位置的大气压并由单片机转化为海拔高度，减去出发 时的高度数值即可得到真实飞行高度。气压传感器测量范围广（海拔9000米-500米）， 但是误差较 大（分辨率为0.25米）。 方案二：方案二：采用 HC-SR04超声波传感器测量飞行高度。超声波传感器测量范围较小（2cm-450cm）， 但测量精度高。 由于本题要求四旋翼飞机在30cm120cm 左右的高度飞行，从精度及使用熟练度的方面考虑，我 们选择方案二。 1.5 1.5 循迹模块的论证与选择循迹模块的论证与选择 方案一：方案一： 采用红外传感器 HC-SR501读取地表状态数据， 通过单片机进行分析调整飞机飞行方向。 方案二：方案二：采用光流传感器 ADNS-3080读取地表图像，通过单片机进行分析调整飞机飞行方向， 达到循迹的目的。ADNS-3080价格较贵，但精度高，反应快。 方案三：方案三：采用摄像头 OV7620读取地表图像。 红外传感器探测距离较长（7米），但反应时间较慢（最快约0.3秒）；OV7620模块分辨率较高， 但是需占用较多引脚资源；光流传感器 ADNS-3080的分辨率较低，数据量与单片机的计算速度相符， 5 采用串口通信；ADNS-3080更符合我们本次课题的要求，故而从循迹精度与速度考虑，我们选择方案 二。 1.6 1.6 电机调速模块的论证与选择电机调速模块的论证与选择 方案一方案一: :购买电调成品，直接使用。 方方案二：案二：自行制作电调。 由于四旋翼使用的是无刷电机，电调只能使用无刷电机相应的电调，如果人工制作会很耗时间精 力，而且成品可能也存在不匹配、不稳定、电调间性能不统一等问题，而电调是调整飞行器飞行 姿态、方向、高度的重要模块，电调出现问题更可能造成安全隐患。所以为了此次课题的完成效 率与最终效果以及人身安全，我们选择购买成品电调。 1.7 1.7 铁片追踪模块的论证与选择铁片追踪模块的论证与选择 方案一：方案一：采用循迹用光流 ADNS-3080读取地面画面，判断小铁片的位置，并将位置信息传回单片 机，使单片机向着小铁片的方向飞行，以此达到追踪铁片的目的。 方案二：方案二：采用图像识别传感器模块 Pixy CMUcam5 Sensor 高清摄像头提前记录下铁片的色调，从 而在飞行中自动寻找对应的色调，将此处位置反馈给单片机，以此达到追踪铁片的目的。 光流传感器拍摄的是黑白图像，不能有效从有黑线的地面分辨出小铁片。因此采用方案二。 1.8 1.8 铁片运输模块的论证与选择铁片运输模块的论证与选择 方案一：方案一：在飞行器下方安装电磁铁 YHN-P10，通过单片机控制对电磁铁通电断电来控制其磁性的 有无，达到吸附、投放铁片的目的。 方案二：方案二：在飞行器下安装机械臂，通过单片机控制机械臂的抓取与释放，完成运输铁片的功能。 由于机械臂制作复杂且对于铁片的摆放方式有较高要求，且控制较为复杂，重量太大，影响飞行 器飞行，我们决定采用方案一。 1.9 1.9 摄像头模块的论证与选择摄像头模块的论证与选择 方案一：方案一：采用 H264编码摄像机作为摄像设备，将航拍图像直接储存在其自带的 SD 储存卡中。 方案二：方案二：采用 H264编码摄像机作为摄像设备，通过单片机读取航拍图像并储存进 SD 卡中。 单片机的速度不足以进行视频数据的处理，如果通过单片机读取储存数据，可能会影响到其他功 能的实现，所以我们采用方案一。 1.10 1.10 示高模块的论证与选择示高模块的论证与选择 采用自制的激光报警器作为示高模块。 二二、设计与论证、设计与论证 2.1 2.1 四旋翼建模四旋翼建模 6 由于此次课题中，四旋翼在室内低速飞行，故而可以忽略风力带来的阻力以及空气阻力。因而可 大致建构四旋翼动力学模型： ,4 ,3 ,2 1 1 1 /)( /)( /)( ,/)cos(cos ,/)sincoscossin(sin ,/)sinsincossin(cos zyx yxz xzy IIIU IIIlU IIIlU gmUz mUy mUx 其中、分别为四旋翼的偏航角、俯仰角、翻滚角；U1、 U2、U3、U4 为四控制输入量；l 为旋翼中心到四旋翼质心的距离。 四旋翼微型飞行平台呈十字形交叉，由4个独立电机驱动螺旋桨 组成，如图所示。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨转向 相同，相邻的螺旋桨转向相反。同时增加减小4个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改 变中心对角的螺旋桨的速度，可以产生滚动、俯仰等运动。 2.2 2.2 角度、高度角度、高度 PIDPID 算法算法 角度 PID 算法很大程度上参考了 APM（国外成熟开源飞控项目）的控制算法。它是采用的角度 P 和 角速度 PID 的双闭环 PID 算法。角度的误差被作为期望输入到角速度控制器中。双闭环 PID 相比传 统的单环 PID 来说性能有了极大的提升，笔者也曾经调试过传统的 PID 控制算法，即便参数经过了 精心调整和双环控制算法相比在控制效果上的差距依旧很大。无论是悬停的稳定性，打舵时的快速 跟随性和回正时的快速性上都是后者的效果明显优于前者。算法原理图详见附录。 高度开始采用了和角度一样的双环 PID， 但是调参过程中发现参数整定比较艰难， 所以更改为参数较 少的单环 PID，也可以达到较好的效果。 2.3 PID2.3 PID 算法参数整定算法参数整定 根据以往经验及各类资料，对于串级 PID，应先整定内环参数，再调整外环参数。将飞行器串绑 在棍子上，调整内环 P，使飞行器小幅度震荡，再加 D，减小其震荡的幅度，最后加上极小的 I，由 于积分项累计过大会导致 PID 不稳定，所以必须设置积分限幅。在反复调试下，我们最终决定了角 度 PID 的参数。 三、电路与程序设计三、电路与程序设计 3.1 3.1 姿态模块设计姿态模块设计 由于采用了成品模块，不存在磁力计和加速度计轴向不合的问题， 为避免电机的大电流影响磁力计读数， 尽量将姿态传感器放在飞行 器中心。 7 3.2 3.2 高度模块设计高度模块设计 将单片机的方波输出作为超声波传感器的触发信号，返回的高电平 信号用瑞萨单片机的高电平时间测量转换为高度数据。 3.3 3.3 循迹模块设计循迹模块设计 光流传感器 ADNS-3080不断拍摄地面图像，单片机通过边沿检测找 到循迹用黑线并判断拐角与圆 3.4 3.4 铁片追踪设计铁片追踪设计 Pixy CMUcam5 Sensor 自带记录物体色调的功能，Pixy 使用的是基于 色调过滤算法(hue-based color filtering algorithm)来识别物体。 因为 Pixy 使用色调(hue)，物体应有明显的色调，所以要对小铁片进 行着色处理，使其易于辨识。 3.5 3.5 铁片运输设计铁片运输设计 电磁铁的原理非常简单，即是电能生磁。由单片机通过开关管控制电 磁铁的电源即可。 3.63.6 示高模块设计示高模块设计 激光报警器主要由三极管、光敏电阻、蜂鸣器组成，光敏电阻被激光照射 后电阻变大，电路不导通，三极管截止导致蜂鸣器不能正常工作。当激光 光路被阻断时，蜂鸣器就会发出警报。 3.7 3.7 整体电路设计整体电路设计 由于本课题涉及大量传感器模块，为了保证电路连接简单清晰，我们采用 了自己绘制 PCB 板，在此基础上用杜邦线进行连接的方式。 四、四、测试方案及测试结果测试方案及测试结果 4.1 4.1 测试方案测试方案 根据题目要求，我们准备了测试方案，自己搭建场地并进行测试。 测试方案：测试方案： 1、自制示高装置，启动飞行器，观察飞行器的飞行高度及稳定性，调整示高装置的高度范围， 8 调至最小。 2、飞行器放置在 A 区，将铁片放在指示线上，一键起飞，根据指示线指引通过示高线之间飞向 B 区投放铁片再 原路返回。记录下时间与偏离程度，并观察 航拍视频。 3、飞行器放置在 A 区，一键起飞，延指示线 CDEF 绕场一周，记录下时间与偏离程度。 4、将铁片随机散布于 B 区，飞行器放置在 A 区，启动，飞向 B 区寻找铁片并吸附带回，记录下 时间。 实验要求 结果 基本要求1 飞机成功从 A 区飞向 B 区，航拍图像稳定。飞行姿态高度都较稳定，飞行速度很快。 基本要求2 飞机可以成功逆时针绕行一周，速度较快。 基本要求3 报警器被飞行器挡住激光后蜂鸣器正常发声，测试成功。 发挥部分1 飞行器能完美通过示高线之间，但铁片难以吸附。 发挥部分2 飞行器可以飞向 B 区并返回，但不能找到并吸附铁片。 4.2 4.2 测试结果测试结果 测试结果及分析：在飞行姿态及高度的参数已经调整完成的前提下，测试时没有出现飞行器姿态 失控的问题，但是由于 ADNS-3080拍摄的图片黑边较为严重，黑线识别的效果不理想，后经过不断改 进与尝试，程序可靠性基本达到要求。 五、五、设计小结及感悟设计小结及感悟 经过4天3夜的努力，我组飞行器成功完成了预想的目标。通过这次比赛，我们对于工程设计有了进 一步的理解，动手能力也得到了提升。其实，一个队伍的成功，不仅仅是个人能力的体现，更是小 组内人员相互配合支持的结果。这次比赛，教会了我们合作的重要性，提高了我们共同纠错的能力。 不管结果如何，我们都收获了许多。提升自我能力，这或许才是比赛的真正目的。不忘初心，方得 始终。 9 参考文献：参考文献： 1刘金琨.先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真M.北京：电子工业出版社，2004.LIU Jin-kun. Advanced PID Control and MATLAB Simulation M. Beijing: Electronic Industry Press, 2004. 2维基百科 / 3舒怀林.PID 神经元网络及其控制系统：国防工业出版社 2006. 4美冈萨雷斯 / 美伍兹 .数字图像处理：电子工业出版社 附录：附录： 附录1 元器件明细表： R5F100LEA（瑞萨 MCU） 可编程逻辑器件及其下载板 带防撞圈的四旋翼飞行器（包括电机、电调、电池） 九轴角度传感器 GY-953 超声波传感器 HC-SR04 光流传感器 ADNS-3080 10 电磁铁 YHN-P10 H264编码摄像机 Pixy CMUcam5 Sensor 高清摄像头 激光报警器 附录2 仪器设备清单： 100MHz 双通道数字示波器 五位半数字万用表 低频信号发生器（1Hz1MHz） 附录3 电路原理图： 示高模块： 超声波模块HC-SR04： 11 光流传感器 ADNS-3080： 电磁铁： 12 附录4 源程序: PID 控制部分： /角度外环 float cvx(void)float vxc;vxc=(x-x3)*PPr;return vxc; float cvy(void)float vyc;vyc=(y-y3)*PPr;return vyc; float cvz(void)float vzc;vzc=(z-z3)*PPz;return vzc; float cvh(void)float vhc;vhc=(h-h3)*PPh;if(vhc15)return 15;else if(vh