四旋翼飞行器实验小组

1、四旋翼飞行器设计报告四旋翼飞行器实验小组：陈勇张刘星魏鑫 目录四旋翼飞行器设计题目原文4基本要求4发挥部分：4说明：5实验材料6STM32f103系列开发板6内核6存储器6电源管理6低功耗6模数转换器7DMA7调试模式7计算单元7封装7simon无刷电子调速器8超声波测距模块8mpu-6050陀螺仪8实验的开展方法8实验的具体内容9实验一：电子调速器的使用与飞行器简单升降动作的实现9实验目的9实验原理9实验方法9实验步骤9实验结果9实验总结及改进10实验二：超声波测距、红外线测距的工作原理及飞行器避障动作触发条件的探索10实验目的10实验原理10试验方法10实验步骤10实验结果10实验总结及改

2、进10实验三：陀螺仪的信号输出方式及飞行器转向动作的实现11实验目的11实验原理11试验方法11实验步骤11实验结果11实验总结及实验改进12实验相关材料及代码12四旋翼飞行器设计题目原文设计制作一架能够自主飞行并进行避障的四旋翼飞行器基本要求： 1、四旋翼飞行器能够根据起飞前预置的指令起飞，飞离地面高度应超过30cm，飞行距离（水平）应超过60cm，然后飞行器应能平稳降落。（10分）2、飞行器能够根据指定的飞行高度及降落地点（方向及距离）连续稳定地完成起飞、指定高度水平飞行、平稳降落等动作。（10分）3、飞行器能够自主判断前方障碍物并绕开障碍物飞行（设计中障碍物使用一个定点实现），障碍物离地

3、面垂直高度为50cm。（10分）发挥部分： 1、在基本要求1实现的基础上，能够按照预置指令降落在预定地点（水平距离80cm处），误差±5cm；（15分）2、飞行器能够根据起飞前预置的指令垂直起飞，起飞后能够在50cm以上高度平稳悬停5s以上，然后再平稳缓慢降落到起飞地点；起飞与降落地点水平距离不超过50cm。（15分）3、飞行器能够自主判断前方移动的障碍物并绕开障碍物飞行（在基本要求3的基础上，障碍物位置可以任意出现）。（5分）4、障碍物设定为两处，两个障碍物之间的距离大于飞行器的最宽距离10cm，飞行器能够自行判断并从两个障碍物之间飞过。（5分） 5、其他自主发挥设计的飞行动作。（

4、10分）设计报告（20分）项 目主要内容分数系统方案方案比较，方案描述5设计与论证飞行器姿态测量方法飞行控制器控制方法与参数计算8测试测试方法、结果与分析5设计报告结构及规范性摘要，正文结构完整性、内容规范性2小计20说明： 1、飞行器在完成每一项飞行动作期间不得以任何方式进行人为干预，如遥控等。 2、飞行器的尺寸可自行选定。 3、飞行方向以正北方向为0°、东北方向为45°、正东方向为90°等，以此类推；距离的单位为厘米（cm）。 4、指定的降落地点是指降落地点距起飞地的水平距离及方向。 5、平稳降落是指在降落过程中无明显的跌落、弹跳及着地后滑行等情况出现。 6、

5、为确保安全，飞行器应在安全网中或在系留方式下工作（即以绳索将飞行器拴在地面固定物上）。实验材料STM32f103开发板 simon无刷电子调速器 银燕无刷电机 超声波测距模块 mpu-6050陀螺仪STM32f103系列开发板STM32F1系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。内核-ARM 32位的Cortex-

6、M3-最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1）-单周期乘法和硬件除法存储器-从32K到512K字节的闪存程序存储器（STM32F103XXXX中的第二个X表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）-最大64K字节的SRAM电源管理-2.0-3.6V供电和I/O引脚-上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）-4-16MHZ晶振振荡器-内嵌经出厂调教的8MHz的RC振荡器-内嵌带校准的40KHz的RC振荡器-产生CPU时钟的

7、PLL-带校准的32KHz的RC振荡器低功耗-睡眠、停机和待机模式-Vbat为RTC和后备寄存器供电模数转换器-2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道）-转换范围：0至3.6V-双采样和保持功能-温度传感器DMA-2个DMA控制器，共12个DMA通道：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道-支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART-多达112个快速I/O端口(仅Z系列有超过100个引脚)-26/37/51/80/112个I/O口，所有I/O口一块映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号调试模式-串行单线调试（SWD)和JTAG接口-多达8个定时

8、器-3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入-1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器-2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）-系统时间定时器：24位自减型计数器-多达9个通信接口：2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制）2个SPI接口(18M位/秒）CAN接口（2.0B主动）USB 2.0全速接口计算单元CRC计算单元，96位的新批唯一代码封装ECOPACK封装simon无刷电子调速器电子调速器的组成 电子调速器由转速调整电位

9、器、转速传感器、控制器、执行器和保险电路等组成。1.转速传感器它应采集尽可能高的信号频率。设计采用最高的信号频率为12000Hz发动机转速与频率关系的计算公式如下：f=nz/60。式中f-频率Hz n-发动机的转速rmin； Z-传感齿轮齿致（或飞轮外圈齿数）。传感器最好是从飞轮处测量转速，安装时传感器与飞轮齿圈齿顶的间隙为0.4-0.8mm。2.控制器它的作用是根据传感器测出的转速实际值与其中设定值，进行比较、并驱动执行器执行。3.转速调整电位器它用来根据发动机使用的最高允许转速来调定频率。在订购时若写明发动机的运行频率，工厂根据要求调定好频率。若订单上未注明机组运行频率，则出厂时频率调定为

10、2000Hz。如果此调定的频率在发动机的空转和最高转之间，则可起动发动机并调节"speedmax" （最高转速）电位器使发动机获得最高运转频率。4.执行器执行器主要由直流电机，传动齿轮，输出轴及反馈部件组成。执行器由直流电机驱动，其扭矩通过一个中间齿轮传至输出轴。反馈部件将执行器的工作状态传入控制器以形成闭环控制系统。执行器的输出轴摇臂通过调节连杆与喷油泵齿杆相连。5.保险电路在电子调速系统中设有保险电路，当传感信号中断，如因电缆断裂发动机停止远行时，它可以使执行器停止工作，并使输出轴摇臂恢复至"0"位置simonk 12A电子调速器采用以SimonK程

11、序为基础的EMAX无刷马达simonk 12A电子调速器，其具有低压保护、过温保护、油门丢失保护等功能，simonk 12A电子调速器的MCU（单片微型计算机）和BEC（控制电源）采用不同的稳压器，彼此独立，提高了抗干扰能力。simonk 12A电子调速器可根据接收到的PWM信号，对（无刷）电机进行控制，使电机可以根据需求进行不同功率下的工作。四旋翼飞行器的升降可由单片机输出特定的PWM信号进行指定的动作。Simonk12A电子调速器为直流电输入电子调速器，可以接稳压电源、锂电池。2-6节锂电池左右为一般的供电。三相交流电输出，直接相连电机的三相输入端。假若上电后电机反转，只需要对换三根线中任

12、意两根位置，就可以。电调还有三根信号线连出，用来与接收机连接，控制电机的运转。另外，电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有5V左右的电压输出，通过信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。超声波测距模块1 超声波测距原理    超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板，当两极外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波；同理，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片产生振动，将机械能转换为电信号。    测距原理如图1所示。   

13、 被测距离。式中：s为超声波传播距离；h为发射探头与接收探头之间的距离。    由于s远大于h，因此可近似认为d=s，则d=s=ct2，t为发射超声波与接收超声波的时间间隔，c为超声波在空气中的传播速度。    在空气中，常温下超声波的传播速度是334ms，但其传播速度c易受空气中温度的影响，声速与温度关系如表1所示，由此可修正超声波传播速度        可见，只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及环境温度T，就能得到较为精确的距离。2 方案设计21 电路设计

14、    设计的超声测距模块由超声波发射单元、超声波接收单元、温度测量单元、液晶显示单元和ISP下载单元等部分构成，系统框图如图2所示。211 单片机单元    单片机是整个系统的控制核心，本文选用AT89S51，测量时，由单片机输出40 kHz左右的脉冲信号，驱动超声波发射器发出超声波脉冲，同时启动单片机计时器，开始计时。超声波达到目标时回传，经空气传播被超声波接收器接收，此时计时停止，经计算可得超声波从发射到接收的时间间隔t，从而得到距离数据。212 超声波发射单元    考虑到单片机端口驱动能力有限，

15、本文采用LM386对输出信号进行功率放大，LM386多用于音频放大，也可用于超声波发射。如图3所示，LM386第1脚和第8脚之间串接的E1、R1，可使电路获得较大的增益，T0为单片机输入的脉冲信号，经功率放大后由第5脚输出，驱动探头发射超声波。213 超声波接收单元    为了顺利接收回波信号，本文采用索尼公司生产的集成芯片CX20106，如图4所示，CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，范围为3060 kHz，因此本文

16、采用它来做接收电路。    回波信号先经过CX20106内部的前置放大器和限幅放大器，将信号调整到适当的幅值，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚，7脚与单片机INT0连接，当接收到与滤波器中心频率相符的回波信号时，输出端7脚即输出低电平，触发中断。214 温度测量、液晶显示与ISP单元    温度测量单元选用1Wire总线器件DS18B20作为传感器，实现对温度数据的采集，液晶模块实现测量数据的显示，ISP单元实现程序代码的在系统下载，电路图从略。22 软件设计   

17、软件部分主要包括主程序和中断服务子程序，如图5所示。主程序主要完成系统初始化、温度读取和超声波发射；中断服务子程序主要完成计数值的读取、距离计算、输出显示等工作。3 实验结果及分析    表2是利用本文的测距模块实际测量的结果。由表中数据可见，在30cm范围内误差较大，这是由于超声波信号的发射必须有一个上升时间，如果距离太近单片机难以及时处理回波信号，无法正确检测回波到达时间，因而测量误差明显增加；而距离在30em以上时，由于引入温度补偿单元，因而误差相对较小。mpu-6050陀螺仪实验的开展方法以小组开展实验为主要手段对飞行器各个部件进行探索。从对周边小模块的深

18、入探究，延伸至对飞行器整体系统的设计，完善。整个过程以实验探究的方式逐步进行。小组成员分为两部分分别完成对已有硬件的探索，研究和对软件驱动的设计。实验的具体内容实验一：电子调速器的使用与飞行器简单升降动作的实现实验目的探究电子调速器的驱动方法和四旋翼飞行器的基本动力原理，实验飞行器的简单升降动作实验原理电子调速器可根据接收到的PWM信号，对（无刷）电机进行控制，使电机可以根据需求进行不同功率下的工作。四旋翼飞行器的升降可由单片机输出特定的PWM信号进行指定的动作。实验方法1 使用单片机系统，编写程序实现PWM信号的输出。其中应该包含可控的参数，实现编译后手动更改参数，输出不同占空比的信号。2 通过现有材料，进行探究实验，探索电子调速器的信号输入方式。包括输入信号的频