全国大学生电子设计竞赛报告

2019年全国大学生电子设计竞赛设计报告

竞赛选题：B1.基本信息学校名称参赛队编号参赛学生1Email参赛学生2Email参赛学生3Email指导教师1Email指导教师2Email指导教师简介摘要为了实现四旋翼自主飞行器起飞及降落并完成特定功能，我们提出了以TI-cortex・m4系列单片机TM4c123G开发板为核心的飞行器控制、导航系统，通过自制转接板将外部传感器IMU、TF・mini激光测距模块、USTOO超声波模块、光流模块连接到飞控板，以乐天好盈20A电调、S380四轴机架、4S4500MAH30C锂电池等硬件设计电路，和改进姿态控制算法等软件设计思想。最终通过自动循迹行进、定高、识别条形码二维码、垂直降落并准确实现单机臂负重情况下在红点垂直起飞，实现了自主飞行器题目所有任务。关键字：TM4C123GIMU巡线光流定点.系统设计方案及论证方案目标根据题目要求在限定时间内实现飞机垂直起降，在飞行区域内寻线，在实现往返巡线的同时能精确控制飞行方向、调整姿态及保持飞行器的平衡性，以及准确识别到黄色义务上的条形码和铁杆处的二维码，拍下清晰照片储存在SD卡内并通过电脑显示用手机准确扫出条形码和二维码的信息。方案论证（1）主控制器（飞控）处理器选用方案比较方案一：选用TI-430系列单片机，其具备低功耗优势，成本节约，电路简单，但是程序编写会复杂，开发周期长，由于主频低，摄像头等各类传感器回传解算数据量较大占用CPU处理时间太长，容易因多任务处理及中断太多导致系统不稳定。方案二：选用TI・cortex-M4系列单片机，其具备最高80Mhz主频，有TDA函数库支持，PWM和定时器等支持飞行器的外设资源丰富，处理大量传感器数据时具备不俗的稳定性，开发周期短，效率高方案确定：选择方案二，选用TM4c123G开发板，适用于减少开发周期，易于在短时间内完成整个项目，对于飞行器的开发，相对于同类有其绝对的优势。（2）惯性导航模块选用方案比较方案一：mpu6050+ak8975+spl06十轴惯性模块，加速度计和地磁计与气压计组合的惯性导航模块，mpu6050抗震性能较好，但由于mpu6050存在自旋漂移，须用地磁计进行补偿，气压模块由于低空飞行，误差较大。方案二：icm20602加速度计模块，该惯性模块随易受震动干扰，但无明显自旋漂移现象，由于地磁计也会受地磁影响干扰，该模块在控制姿态yaw上更为优越。方案确定：选择方案二，选用icni20602模块，加上减震设计，具备比方案一更加优越的yaw值控制性能。（3）测距模块选用方案比较方案一：选用红外测距模块，红外测距距离范围为10-80CM,精度为5CM,精度太低误差超过6%,且测距要求无法达到要求。方案二：选用超声波测距模块，测距范围为0-150CM,精度为3MM,精度达到0.3%,且测距范围完全符合要求。方案三：选用激光模块，测距范围为30cM・300CM,精度1MM,数据稳定。方案四：选用超声波与激光模块互补滤波，解决了激光死区以及超声波数据不稳的问题。方案确定：选择方案四，使用超声波测距模块，以及激光测距模块，分别用串口将数据采集至处理高度之后向飞行控制器发送数据。（4）视觉导航模块的选取方案比较方案一：选用光电导航模块，模块便宜，输出信号仅为高低电平，逻辑控制简单，但是探测路径距离要求稳定且固定，不适宜飞机循迹。方案二：选用TSL1401cL线性CCD摄像头模块，对高度敏感性较低，但程序编写及数据处理较为繁琐。方案三：选用。penniv4开源摄像头，有丰富的视觉库可以调用，运算速度较快，可以快速实现题目中的要求。方案确定：选择方案三，以openmv摄像头作为循迹导航传感器，调用python视觉库中的算法确定控制偏移量用以导航路径发送给飞控。系统设计框图：图1系统框图.控制方法描述及参数计算自稳姿态解算控制方法刚体运动时可以通过欧拉角变换测得当前姿态，如下图做两个坐标系，一个位于地面参考系，一个位于飞机体参考系。对于任意Q向量，相对于飞机体参考系得到向量Qp和相对于地面参考系的向量Qg，由旋转矩阵R得到Qg=RQp，其中旋转矩阵rxxrxyrxzR=ryxryyryz (1)Tzxrzyrzz.机体绕zb轴旋转得到yaw偏航角w机体绕yb轴旋转得到pitch俯仰角6机体绕xb轴旋转得到all横滚角。因此得到欧拉角和方向余弦之间的关系如下得：cosOcosysin^sinQcos\\f—cos(^sim\fcos(^sinQcos\\f+sin^sim\fR=cosQsin\\fsin^sinQsinxy+cos(|)cos\|/cos^sinQsin\\f—sin^cos\\f(2).—sinQ sin^cosQ cos^cosQ由全向余弦矩阵计算得到欧拉角{0=—arcsin(7^x)（3）=atan2(rzy,rzzy)（3）w=atan2(ryxtrxx)得到飞行器姿态后即可通过非线性PID循环来控制。优化内部的PID循环对良好稳定飞行至关重要。外部PI循环不那么敏感，主要影响飞行的样式（快或慢）。选用ADRC自抗干扰控制，PID的误差求取直接是e=v-y,而控制目标v是有可能产生突变的，而对象输出y一定是连续的，用连续的缓变的变量追踪可能跳变的变量本身就是不合理的。针对PID等的这个缺陷提出的解决办法就是安排过渡过程，顾名思义就是安排个路径过去，让输入量缓慢的增大，使其与输出量的差值很小，即可使系统无超调的达到稳态,解决了PID快速性与超调之间的矛盾。.电路与程序设计：.1系统设计与组成系统总体上分为两部分：一：飞控系统：飞控巡线时采集陀螺仪加速度计数据融合光流及视觉传感器并处理之后输出相应PWM驱动电调电机，绕杆时指定飞行动作输出相应的PWM量。二：视觉系统：摄像头斜放在飞行器左上方，做巡线导航，作为副处理器协同飞控完成指定动作。.2硬件电路设计原理图飞控转接板用于将TM4Launchpad上的引脚转接为独立的4pin接口用于连接各个传感器以及惯导模块，并引出oled显示模块引脚作为外部观测。其中，12co用于连接惯导模块（icm20602）；I2C1用于连接外部磁力计模块；UART1用于连接光流模块；UART2用于连接飞行器底部openMV视觉模块；

UART3用于连接飞行器侧部用于寻仙的openMV视觉模块;UART7用于连接激光测距模块；Pl,P2插于Laimchpad处；P7用于连接超声波模块；P10用于连接电调以及接收机；如图所示：UART2UART2PS图2传感器转接板原理图.3系统软件设计与工作流程图：软件设计思想：系统采用模块化结构设计，使得系统功能组态更加方便。基本程序模块有模式选择程序、超声波测距程序、激光测距程序、指定动作程序、电机控制程序、摄像头循迹程序及拍照程序、起飞降落及维稳程序等。各个模块能够独立实现各部分功能。程序设计流程图如下：

图3程序设计流程图.测试方案与测试结果4.1系统测试测试条件：（1）测试时间：8月10日（2）测试地点：实验室（3）测试地点环境温度:25测量仪器（1）卷尺（测量飞机高度，各传感器高度以及）（2）秒表（测量各个阶段飞行时间）测试方法组装飞机机架，放置平稳；飞行器模式选择完毕；（1）将飞机平放在起始位置上，手动按键使飞机起飞（2）测试开始，秒表计时，记录各个测试阶段的时间（3）降落后测量降落点距离误差。测试数据（1）基本部分指标测试数据电池充足电，一次性测完全部过程，中途不换电池重复测三次，测量飞行时间及数据如下（单位：S）动作起飞识别条形码并拍照巡线2识别二维码并拍照拐弯1”3拐弯并降落第一次第二次4.7第三次3.53.97二5.72.384.4表1飞行时间统计表（2）发挥部分指标测试数据三次飞行所拍照片能否识别情况:码型条形码二维码第一次否是第二次是是第三次否是表二条形码及二维码扫描情况表3结果分析从测得数据来看，各项任务可以在规定时间内完成，在时间指标上都超过指标要求。分析系统可得，这主要得益于控制算法的优化，由于在飞行器正常飞行过程中平衡性保持较好，可以更好的加快飞行速度节省了时间，当然，从数据表格中也可以看出，二维码扫描仍有一定误差，但仍能达到题目指标。我们采用的大功率电机速度快，驱动力强，使得飞行器在光流刹车时有一定难度。总体上来说，系统的设计结合了硬软件的优势，使得飞行器获得较快的速度和良好的飞行性能。参考文献E.Altiig,J.P.Ostrowski,ControlofaQuadiotorHelicopterusingVisualFeedback[J].Proceedingsofthe2002IEEEIiiteniationalConferenceonRoboticsandAutomation,2002：72-77P.Potuids,J.GreshamtR.Mahony.Towardsdynamicallyfavourablequad-rotoraerialrobots[J].InProceedingsoftheAustralasianConferenceonRoboticsandAutomation.