四旋翼自主飞行器(最终)副本
电子设计大赛四旋翼飞行器报告
选题编号：C题全国大学生电子设计竞赛设计报告选题名称：多旋翼自主飞行器主办单位：辽宁省教育厅比赛时间：2015年08月12日08时起2015年08月15日20时止摘要多旋翼飞行器也称为多旋翼直升机，是一种有多个螺旋桨的飞行器。
本设计实现基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飞行器。
本飞行器由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成。
主控模块采用ATMEGA328P芯片，负责飞行姿态控制；导航模块以G13MCU为核心，由陀螺仪、声波测距等几部分构成，该模块经过瑞萨芯片处理采集的数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时解算出相应电机需要的PWM增减量，及时调整电机，调整飞行姿态，使飞行器的飞行更加稳定；电源模块负责提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，负责完成比赛相应动作。
飞行器测试稳定，实现了飞行器运动速度和转向的精准控制，能够完成航拍，触高报警，携物飞行，空中投递等动作要求。
关键词：四旋翼，PID控制，瑞萨目录摘要................................................................................................................................ i i1.题意分析 (1)2.系统方案 (1)2.1 飞行控制模块方案选择 (1)2.2 飞行数据处理方案选择 (1)2.3 电源模块方案选择 (2)2.4 总体方案描述 (2)3.设计与论证 (2)3.1 飞行控制方法 (2)3.2 PID控制算法 (3)3.3 建模参数计算 (3)3.4 建立坐标轴计算 (4)4.电路设计 (5)4.1 系统组成及原理框图 (5)4.2 系统电路图 (5)5.程序设计 (6)5.1 主程序思路图 (6)5.2 PID算法流程图 (7)5.3 系统软件 (7)6. 测试方案 (7)6.1 硬件测试 (7)6.2 软件仿真测试 (7)6.3 测试条件 (8)6.4 软硬件联调 (8)7.测试结果及分析 (8)7.1 测试结果 (8)7.2 结果分析 (9)8.参考文献 (9)1.题意分析设计并制作一架带航拍功能的多旋翼自主飞行器。
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
四旋翼飞行器〔A 题〕参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有构造特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进展机动，构造简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比拟简单，但涉及的科技领域比拟广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度〔位置与姿态〕控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能准确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言：1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。
四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。
在本次大赛中，需要利用四旋翼飞行器平台，实现四旋翼的起飞，悬停，姿态控制，以及四旋翼和地面之间的测距等功能。
以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：方案一：十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，*轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
四轴飞行器报告
四轴飞行器报告1. 前言四轴飞行器是一种无人机，由四个电动机驱动，具有稳定飞行的能力。
它在军事、民用及娱乐领域都有广泛的应用。
本报告将对四轴飞行器的结构、工作原理以及应用进行详细介绍。
2. 结构四轴飞行器主要由以下部件组成：•机架：提供了支撑和连接其他部件的框架结构，通常是以轻质材料如碳纤维制成。
•电动机：驱动飞行器飞行的关键部件，通常使用直流无刷电机。
•螺旋桨：由电动机驱动的旋转桨叶，用于产生升力和推力。
•电调：控制电动机的转速和方向，从而控制飞行器的姿态。
•飞控系统：负责接收和处理来自传感器的数据，计算飞行器的姿态和控制指令。
•电池：提供能量给电动机和其他电子设备。
3. 工作原理四轴飞行器的飞行原理基于牛顿第二定律。
通过调整四个电动机的转速和方向，可以控制飞行器的姿态和运动。
飞行器的姿态包括横滚、俯仰和偏航。
通过增加相对转速，可以产生横滚和俯仰的力矩，从而使飞行器向相应方向倾斜。
飞行器倾斜后，电动机产生的升力也会有所改变，使得飞行器能够前进、后退或悬停。
飞行器的稳定性是通过飞控系统来保证的。
飞控系统通过接收来自加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器的数据，计算飞行器的姿态和运动状态，并根据用户的控制输入调整电动机的转速和方向，以保持飞行器的稳定。
4. 应用四轴飞行器在军事、民用及娱乐领域都有广泛的应用。
在军事领域，四轴飞行器可以用于侦查、监视和目标跟踪。
由于其小型化、高机动性和隐蔽性，可以在不可接近的区域执行任务，提供重要的情报支持。
在民用领域，四轴飞行器可以用于航拍、物流和巡检等任务。
航拍业务能够提供高质量的航空影像，广泛用于地理信息和城市规划等领域。
同时，四轴飞行器还可以用于运送货物，解决最后一公里的配送问题。
此外，四轴飞行器还可以用于巡检任务，如电力线路、管道和建筑物的巡检，提高作业效率和安全性。
在娱乐领域，四轴飞行器常被用作遥控飞行器，供爱好者进行操控和竞赛。
爱好者可以通过多种方式定制飞行器的外观和性能，提升飞行器的性能和飞行体验。
基于STM32和OV2640的自主循迹四旋翼飞行器设计
基于STM32和OV2640的自主循迹四旋翼飞行器设计温全;成天乐;苏泽亚【摘要】本四旋翼自主飞行器采用STM32F407ARM芯片作为飞控主控制核心, 硬件包括了飞行姿态采集模块、超声波测距模块、摄像头循迹模块、无刷电机驱动模块以及STM32F407摄像头数据处理模块等. 飞行姿态处理由 MPU-9150加速度计陀螺仪提供, 实现了飞行器的平稳飞行. 超声波测距模块和摄像头循迹模块为飞行器提供导航参数,使飞行器可以按照规定航线并以一定高度飞行.为了保证摄像头数据处理的实时性,本设计中增加了一片STM32F407芯片专门处理摄像头数据.通过姿态解算、PID控制算法、摄像头数据采集处理, 使飞行器实现一键式起飞, 定高跟着赛道线稳定飞行, 最终平稳降落. 通过多次测试,证明该基于双STM32芯片和OV2640的自主循迹四旋翼飞行器稳定、可靠.%The four-rotor aircraft uses STM32F407ARM autonomous flight control chip as the main control center hardware which includes flight attitude acquisition module, ultrasonic ranging module, camera tracking module, brushless motor drive module and STM32F407 camera data processing module.In order to ensure real-time camera data processing, the design adds a STM32F407 chip dedicated camera data processing.Through attitude computation, PID control algorithm, camera data acquisition and processing, aircraft can take off by one touch, flight stably along given height track line, and ultimately get a smooth landing.Several tests prove that the autonomous tracking four-rotor aircraft based on dual STM32 chip and OV2640 is stable and reliable.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(035)022【总页数】3页(P105-107)【关键词】四旋翼飞行器;自主循迹飞行;PID算法【作者】温全;成天乐;苏泽亚【作者单位】湖南文理学院, 湖南常德 415000;湖南文理学院, 湖南常德 415000;湖南文理学院, 湖南常德 415000【正文语种】中文【中图分类】TP391.41四旋翼飞行器,也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以搭配微型相机录制航拍视频。
四旋翼飞行器设计资料
四旋翼飞行器的设计查重98%四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求.一．微小型四旋翼飞行器的发展前景根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预计它将有以下发展前景。
1 )随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用。
任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。
它未来的主要技术指标：任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。
2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。
随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 M E MS 技术的发展，四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。
它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、动力与能源、任务与通信等子系统) 的高度复杂ME M S系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。
此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。
3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。
单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。
如何自主装一台简单初级的四旋翼飞行器
如何自主装一台简单初级的四旋翼飞行器四旋翼飞行器最近几年来相当火爆，不少初学者想弄一台来飞一飞，但购买价格不便宜而且也不能够较为全面的掌握航模的各种特点。
自己DIY一台四旋翼飞行器并不算复杂，因为目前四旋翼飞行器的各个组件都已经基本实现了模块化，可以购买各种模块来搭建一架属于自己的四旋翼无人机，享受飞行的乐趣，并且自主搭建具有更高的灵活度，能够装上自己想要有的各种功能，还可以更好的了解这种航模的大致结构特点，从而在实践中一步步从初级玩家走向高级玩家。
一、工具/原料四轴飞行器机架一套、四个无刷电机、四个电子调速器、飞控一个、航模锂电池一个、遥控器以及接收机各一个、正螺旋桨两个、反螺旋桨两个、电烙铁一套、1.5mm 2.0mm 2.5mm 3.0mm内六角螺丝刀各一个。
推荐配置：20A电调四个KV980电机四个2200mah3S锂电池F450或S500(450-500轴距都可以)机架一套飞控一个6通道以上遥控器一套（包括飞行器端的接收机）1045正反桨各两个组装完成后请检查：飞行器总重量<=四个电机在满油门情况下产生的最大推力之和再乘以（2/5）推荐按以上这个重量搭配，飞行性能更佳。
以上配置的四旋翼飞行器计算出来的最佳起飞重量为1300g左右。
二、方法/步骤（1）先用相应口径的螺丝刀将无刷电机安装在机架的四个机臂上（顺时针拧紧，逆时针拧松），将电机上的香蕉头和无刷电机的香蕉头随机相接，注意这时不要装上螺旋桨。
注：1. 电机和电调上面没有自带香蕉头，这时需要你自己用电烙铁将香蕉头中是公头的那三个焊接在电机的三根电线的端头，母头的就焊接在电子调速器上（电调上面一般都带有母头的，不需要自己焊接）；2.这时先随机相接，如果后续测试电机没有按照预定的方向旋转就调换其中的任意两根即可改变电机的转动方向。
（2）、接下来是将电调焊接至飞行器的整块电路板上面，每一个电调有两根电线需要焊接在主供电板上面，一共有八个焊点，焊接完毕后要注意有的飞控上面带有电源管理模块，如果有这种情况请查阅飞控的说明书，安装要求将电源管理模块同时焊接在主供电板上面，接下来就是在供电板上面焊接上航模电源的插座了，以T插为例，应该焊接上T插的公头，总之你的电池上面是某某型插的公/母头你就焊接上母/公头就行了。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种利用四个独立旋转的螺旋桨来实现飞行的航空器。
它可以垂直起降，并且具有灵活的飞行能力，因此在无人机、航拍等领域得到了广泛的应用。
要保证四旋翼飞行器的安全飞行，飞行控制技术起着至关重要的作用。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，包括飞行原理、飞行控制系统、姿态稳定控制、导航控制、避障技术等方面的内容。
一、飞行原理四旋翼飞行器的飞行原理是利用四个螺旋桨产生的升力来支撑整个飞行器，再通过改变螺旋桨的转速和倾斜角来实现飞行方向和姿态的控制。
螺旋桨的旋转产生的气流通过空气动力学原理产生升力，从而支持飞行器的重量。
通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角，可以控制飞行器的上升、下降、向前、向后、向左、向右的运动。
利用螺旋桨的差速旋转可以实现飞行器的姿态控制，从而使得飞行器可以实现各种飞行动作。
二、飞行控制系统飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部件，它由传感器、处理器、执行器等多个部分组成，用于感知环境、执行控制指令，实现飞行器的姿态稳定控制、导航控制和避障等功能。
传感器用于获取飞行器的姿态、位置、速度等信息，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等。
处理器用于处理传感器获取的数据，并根据飞行器的姿态、位置和控制指令来生成执行器的控制信号，执行器包括电动调节器和螺旋桨。
飞行控制系统的核心是飞控芯片，它是飞行控制系统的“大脑”，负责控制飞行器的姿态稳定、导航和飞行动作的执行。
常用的飞控芯片包括Pixhawk、Naze32、Ardupilot等，它们具有强大的计算能力和丰富的控制算法，可以实现飞行器的高度稳定性和精确控制。
三、姿态稳定控制姿态稳定控制是指通过控制飞行器的姿态角度来实现飞行器的稳定飞行。
四旋翼飞行器的姿态包括俯仰角、横滚角和偏航角，分别对应飞行器绕前后轴、左右轴和上下轴的转动姿态。
姿态稳定控制主要通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角来实现，可以采用PID控制算法、自适应控制算法等方法来实现。
2014年湖南省大学生电子设计竞赛(TI杯)评审结结果
2014年湖南省大学生电子设计竞赛（TI杯）评审结果序号所在学校学生姓名指导教师获奖等级1、A题：电容参数测量仪0 长沙理工大学陈建成、周锋、刘荣芳马钧、蔡灏特等奖1 南华大学叶璞、邹艳梅、龚攀君赵立宏、陈文光一等奖2 长沙理工大学郑广财、苏杭、刘三元马钧、樊绍胜一等奖3 长沙理工大学谢葵、骆要、黄昱马钧、张一斌一等奖4 湖南理工学院陈凯、王敏、陈柳成伍建辉、欧阳竟成一等奖5 湖南工程学院李兴旺、张娇娇、陈俊超胡瑛、肖鹏一等奖6 南华大学蔡拓、邹佩、窦志慧王超、朱卫华一等奖7 湖南大学黄汉韬、刘芳冰、钟源叶佳卓、王敏一等奖8 湖南大学胡宇翔、林钰登、白杨方璐、张海燕一等奖9 中南大学殷实、徐青山、涂胜利宋学瑞一等奖10 湖南理工学院张飞、陈绪敏、孟林潘理、陈松一等奖11 衡阳师范学院彭昶、何雪鹏、李丹罗昌由、王金江二等奖12 国防科技大学余孙全、梅锴、阴鹏关永峰、刘菊荣二等奖13 湖南科技大学刘红波、龚文杰、周程鸿曾照福、韦文祥二等奖14 湖南师范大学皮月庆李智尹芳玉汪鲁才、杨进宝二等奖15 湖南理工学院李昱明、邱兵兵、尹世强李宏民、陈松二等奖16 湖南工程学院廖将豪、彭子龙、游静李延平、曾志刚二等奖17 湖南科技大学张昱帆、邓晓宇、叶峰华谢素霞、吴伶锡二等奖18 南华大学王齐栋、田光权、陈晨曾铁军、赵立宏二等奖19 湖南科技学院莫稳福、袁迪、蒋继强李小武二等奖20 湖南科技大学吴建亭、黄启强、周检韦文祥、吴亮红二等奖21 衡阳师范学院谭传文、何梦豪、张银艳王文静、黄顺二等奖22 国防科技大学赵航、李璇、袁野刘菊荣、关永峰二等奖23 湘南学院张志童、李俊彪、程迅段凌飞、姚敏三等奖24 湖南科技学院李喻思杰、李祖平、蔡勇谭永宏、王志堂三等奖25 邵阳学院向彩华、邹陆华、高小伟李菲、余建坤三等奖26 湖南师范大学李武刚成宁湘银泽兰浩、杨进宝三等奖27 湖南师范大学周锦昊马坤曾利斌杨进宝、兰浩三等奖28 长沙理工大学张宽、何坤、张前程马钧、张一斌三等奖29 湖南商学院何志强、刘咏、彭锦阳倪文志、王莉三等奖30 湖南大学寇丽、骆云龙、王坤王绍源、王炼红三等奖31 湖南工程学院唐超龙、胡拚、李拔群曾志刚、郭照南三等奖32 长沙理工大学姜涛、李凌辉、廖加竞马钧、樊绍胜三等奖33 中南林业科技大学孙恺泽、刘雄超、宴海涛朱俊杰三等奖34 湖南科技大学黄嘉杰、戴超、邓旺宇曾福照、吴亮红优胜奖35 湖南科技大学郭石雷、卢泽、李声誉吴亮红、曾照福优胜奖36 湖南科技大学刘学兵、李虹、肖继伟詹杰、李志坚优胜奖37 国防科技大学赵飞鸿、李成鑫、赖格关永峰、陆珉优胜奖38 长沙理工大学王彬、黄健、白剑锋马钧、樊绍胜优胜奖39 湘潭大学田海波、廖少翔、卢世铭刘奇能、肖业伟优胜奖40 湖南工学院邓可忍、罗雪鹏、罗波王小虎、王韧优胜奖41 湖南师范大学吴永仁巢欢范春平杨进宝、兰浩优胜奖42 湘潭大学董召愿、胡淘尘、伍天意肖业伟、刘奇能优胜奖43 邵阳学院何欣华、莫宁、周文王少杰、许建明优胜奖44 湖南人文科技学院刘国文、李谟炜、周文成钟明生、侯周国优胜奖45 湖南科技学院朱忠造、龚继、黄鹏飞陈光辉优胜奖46 衡阳师范学院黄小飞、李芊芊、刘雄杰朱亚培、杨利容优胜奖47 湘潭大学刘为强、龙海柱、张伟胡洪波、吴亚联优胜奖48 邵阳学院范涛、阳泳、彭猛江世明、梁高卫优胜奖49 湖南工程学院余东升、许旺、何凯燕郭照南、李延平优胜奖50 湖南师范大学范艺馨邹文超卿勇杰邹孝、胡强优胜奖51 中南林业科技大学王淑良、王佩、黄阶周国雄优胜奖52 湘南学院熊春峰、尹珠辉、周加请黄建全、段凌飞优胜奖53 邵阳学院王世玉、王富强、王香英黄乘顺优胜奖54 怀化学院倪望龙、邓志明、蒲艳红肖景、杨恒玲优胜奖55 湖南工学院冯晓康、李辉、陈善平王韧、王勇刚优胜奖56 湖南工学院欧阳俊、张威、黄亚雄李祖林、伍麟珺优胜奖57 湖南大学李俊、赵远程、曹海涛周腊吾、朱青优胜奖58 长沙学院唐陶波、王辉、宋来峰张文希、谢明华优胜奖59 长沙学院李仕琪、孙捷敏、刘盼谢明华、张文希优胜奖2、B题：程控直流开关稳压电源1 长沙理工大学谢葵、骆要、黄昱马钧、张一斌一等奖2 中南大学李科浇、段超祥、范恒超罗桂娥一等奖3 南华大学邹亮亮、胡家斌、陈华秋曾铁军、赵立宏一等奖4 湖南第一师范学院罗斌肖维柱段四仟李新国、肖杰一等奖5 南华大学李世锋、张海江、韩霆李月华、陈文光一等奖6 湖南文理学院芙蓉学院刘佳、易鹏、易暄伍宗富、梅彬运一等奖7 湖南工业大学马溪遥、王斐、吴浪戴圣伟、聂辉一等奖8 湖南理工学院刘彪、廖斌、尚磊吴建辉、陈松二等奖9 南华大学施琪、陈熙、陈方方文杰、陈文光二等奖10 湖南城市学院姚洲、刘磊、刘博文谭跃、李稳国二等奖11 湖南理工学院彭佳豪、陈晶铭、张俊程望斌、陈松二等奖12 湖南理工学院赵海波、谢泽明、曹红英陈松、吴健辉二等奖13 湖南理工学院刘洋、董喜普、曾荣鑫粟向军、陈松二等奖14 湖南商学院文卓夫、李振斌、刘纪凤倪文志、王莉二等奖15 国防科技大学邹宇航、陈更辉、朱弘博廖灵志、周资伟二等奖16 吉首大学陈文琪、赵辰、李炜毅陈善荣、张榜英三等奖17 湖南工程学院李勇、刘精菁、赵龙武赵振兴、黄望军三等奖18 湖南工业大学刘明旗、谢云、彭伟强戴圣伟、谭会生三等奖19 湖南工业大学张培添、周俊、何武林易吉良、张江洪三等奖20 湖南城市学院田勇、李东、杨凡李稳国、蒋冬初三等奖21 湖南城市学院张建涛、李志平、刘羽鹏杨冰、李稳国三等奖22 湖南工业大学夏炜杰、蔡胜强、陈赛文刘国亮、唐吉三等奖23 南华大学钟小平、朱勇、张朝宏李月华、朱卫华三等奖24 湖南大学黄炜、主大宁、邓传洁温和、楚锋三等奖25 衡阳师范学院南岳学院刘俊、黄亭、袁少君谢宇希、刘洪波优胜奖26 衡阳师范学院刘一志、陶连明、贺彬黄顺、谭岳衡优胜奖27 衡阳师范学院南岳学院李湘滔、欧阳旭、唐峰唐建锋、王文静优胜奖28 湖南大学程颐、朱相军、范乃元全惠敏、马子骥优胜奖29 湖南工业大学周楚刚、刘阳、刘典伟于惠钧、肖满生优胜奖30 衡阳师范学院南岳学院欧伟、李响茂、黄爽黄顺、罗昌由优胜奖31 怀化学院何玲妮、蒋聂、曾庆龙朱俊标、舒君优胜奖3、C题：自动增益控制放大器1 中南大学张凡、黄武元、李芝浩罗桂娥一等奖2 长沙理工大学赵川、陈勇、尹雅君马钧、李鸿一等奖3 长沙理工大学陈建成、周锋、刘荣芳马钧、蔡灏一等奖4 长沙理工大学陈小龙、戴其城、崔文飞马钧、张一斌一等奖5 中南大学李建权、任士鑫、朱军楠彭卫韶一等奖6 湖南科技大学王仁超、王海成、王文栋曾照福、韦文祥一等奖7 湖南理工学院南湖学院唐江、江武、田培、胡文静、刘翔一等奖8 长沙理工大学谢葵、骆要、黄昱马钧、张一斌一等奖9 中南大学刘峰、刘宇卓、欧阳豪曹宏宇一等奖10 中南大学潘冬、赫玉莹、边疆宋学瑞一等奖11 湖南工业大学张永福、颜焕、张彤彤谭会生、宓茜二等奖12 长沙学院古铖、张爱明、史明政杨军、刘亮二等奖13 湖南文理学院汪大理、周双兴、刘远鹏王先春、胡惟文二等奖14 湖南科技大学刘朝伟、张浩、周奇峰曾照福、韦文祥二等奖15 怀化学院赵平、子锦福、任一多张涛、钱莹晶二等奖16 湖南师范大学刘秋香卢灵敏许石龙兰浩、汪鲁才二等奖17 中南大学卢军、刘金宝、蔡炳榕姜霞二等奖18 湖南工学院戴志威、陈义、杨潇雷军、王小虎二等奖19 邵阳学院谢良辉、周兴、舒文威许建明、王少杰二等奖20 衡阳师范学院谭平平、陈玉旭、朱孝亮王金江、谢宇希二等奖21 怀化学院申奥迪、严鸿昌、万思源李晓帆、宋庆恒三等奖22 湖南工业大学庞志望、张超、王亮钟春良、欧阳洪波三等奖23 怀化学院王浩、李顺安、唐文彬张涛、周妮三等奖24 南华大学陈俊宏、林永浩、陈新田陈文光、李月华三等奖25 湘潭大学刘平平、李明、王志伟肖业伟、刘奇能三等奖26 吉首大学陈文亮、刘永鑫、林协群胡力、曾庆力三等奖27 怀化学院乐鹏、彭灿灿、邓超杨恒玲、张涛三等奖28 城市学院刘军、彭依豪、刘凯李加升、邱飚三等奖29 湖南工程学院徐美珊、易思政、尹阿婷李延平、曾志刚三等奖30 衡阳师范学院刘敏、肖鹏飞、李胜刘洪波、唐建锋三等奖31 湖南农业大学王一凡、张栋、单伟强康江、罗亚辉三等奖32 湖南大学方冉、汪洋、陈汪勇唐求、谭阳红三等奖33 国防科技大学戴少奇、智帅峰、杨兴隆刘菊荣、韩韬优胜奖4、公开赛A题：四旋翼自主飞行器（A）1 湖南理工学院罗民、陆元桃、唐滔陈松、李宏民一等奖2 国防科技大学王思宇、刘轶、江城廖灵志、王建文二等奖3 湖南工程学院胡拼、李拔群、唐梓傑曾志刚、陈亚琼三等奖4 湖南大学黄玉俊、林国斌、张麟威周冰航、银翔三等奖5 湘潭大学王波、邝乐、常德肖业伟、刘奇能优胜奖6 中南大学李炜坤、薛喜辉、卞栋磊曹宏宇优胜奖7 湖南农业大学李荣伟、于强、赵辛茹康江、刘利方优胜奖5、公开赛B题：四旋翼自主飞行器（B）1 湖南理工学院杨陈民、聂敏航、李勇奇张敏、伍健辉一等奖2 长沙理工大学张洪龙、汪中原、吴静雯郑斌、马钧二等奖3 湖南大学杨洪、胡玉光、陈谢沅澧毛旭光、吴桂清三等奖4 湖南农业大学黄杰、单伟强、王鑫康江、李旭三等奖5 湖南人文科技学院刘国文、李谟炜、周文成侯周国、王善伟三等奖6 湖南文理学院奉强、聂庆春、黄轶伍宗富、王文虎优胜奖。
四旋翼无人机设计
四旋翼无人机设计四旋翼自主飞行器是一种能够垂直起降、多旋翼式的飞行器，其通过自带电源驱动电机来提供动力。
它在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，因其四只旋翼可相互抵消反扭力矩的优点，而不需要专门的反扭矩桨从而使其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。
同时又因其具有灵活性高、要求的飞行空间小、能源利用率高、隐蔽性强以及安全性能高等优势，特别适合在近地面环境（如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦查等任务，其在军事（电子战）和民用（通信、气象、灾害监测）方面都有很大的应用前景。
另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能及独特的飞行控制方式（通过控制四只旋翼的转速实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际上新的研究热点。
四旋翼飞行器按照四只旋翼和机架布置的方式其飞行控制平台（机架）可以分为十字模式和X模式。
X模式比十字模式灵活，但是对于姿态测量和控制的算法编程来说，十字模式较X模式简单，更容易实现。
X模式通过同时控制两对旋翼转速的大小来实现飞行控制及姿态的调整，而十字模式只要同时控制一对旋翼的转速就能实现相应的飞行动作。
十字模式容易操作，飞行平稳，综合考虑采用十字模式。
四旋翼自主飞行器是由安装在十字型刚性结构的四个电机作为驱动的飞行器。
控制器通过调节四个电机的转速使四个旋翼间出现特定的转速差从而实现飞行器的各种动作。
由于四旋翼自主飞行器是通过增大或减小四只旋翼的转速达到四个方向升力的变化进而控制飞行器的飞行姿态和位置的稳定，相对于传统的直升机少去了舵机调节平衡、控制方向，并且不用改变螺旋桨的桨距角，使得四旋翼自主飞行器更容易控制。
但是四旋翼自主飞行器有六个状态输出，即是一种六自由度的飞行器，而它却只有四个输入，是一个欠驱动系统。
也正是由于这个原因使得四旋翼自主飞行器非常适合在静态及准静态的条件下飞行。
四旋翼自主飞行器飞行控制系统由飞行控制器、各类测量传感器装置、驱动电机、被控对象（飞行器机体）等部分组成，如图1。
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-----------------------------------------------------------学校统一编号 JMSU-B-001学校名称佳木斯大学队长姓名夏玉峰队员姓名张振林武宁波指导教师姓名蒋野2018年9月7日四旋翼自主飞行器目录摘要：3一、系统方案论证41.1 姿态模块地论证与选择 (4)1.2 电源模块地论证与选择41.3飞行方式地论证与选择51.4 电机驱动模块地论证与选择5二、系统理论分析与计算62.1 模糊控制算法地分析62.2 系统电流估算8三、电路与程序设计83.1电路地设计 (8)3.1.1系统总体框图83.1.2电机驱动子系统框图与电路原理图93.1.3电源93.2程序地设计 (10)3.2.1程序功能描述与设计思路103.2.2程序流程图11四、测试方案与测试结果124.1测试方案124.2 测试条件与仪器124.3 测试结果及分析 (12)4.3.1测试结果(数据> (12)4.3.2测试分析与结论 (13)摘要：四旋翼飞行器由主控制器、姿态采集器、电机驱动、执行机构、电源、防撞圈等六部分组成.其中,控制核心采用瑞萨单片机<R5F100LEA）负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；采用AHRS 模块<9轴姿态仪）地姿态采集器做飞行姿态反馈机构；用四块MOS管搭建大功率驱动器来驱动电机；执行机构采用四路空心杯电机实现.该飞行器还采用了模糊控制算法对当前姿态数据进行处理,同时,解算出相应电机地PWM增减量,及时调整飞行姿态,使飞行器地飞行地更加稳定.电源采用集成开关稳压块给单片机供电,使得单片机电源稳定高效.关键词：四旋翼飞行器；模糊控制算法；陀螺仪Abstract：The four rotor aircraft by the power supply, main controller, attitude collector, motor driver, actuators, anticollision ring and so on six parts. Integrated a switching power supply adopts LM2596S on to the system power supply。
Main controller for renesas MCU (R5F100LEA>, is mainly responsible for to calculating the spacecraft attitude and offer four road PWM motor respectively。
Gestures collector the AHRS - DEMO six axis gyroscope as the spacecraft attitude feedback mechanism。
With four pieces of MOS tube structures, high-power power drive to drive motor。
The hollow cup motor actuators for four road. This aircraft USES the fuzzy control algorithm to deal with the attitude data transformation, makes the aircraft flight attitude more stable. The aircraft has completed the basic requirement of the topic.Keywords: four rotor aircraft；gyroscope fuzzy control；algorithm一、系统方案论证系统主要由单片机控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、空心杯电机和防撞圈等六部分组成,采用X型飞行模式,下面分别论证这几个模块地选择.1.1 姿态模块地论证与选择方案一：MPU6050三轴陀螺仪.MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量六个不同方向地加速、移动轨迹以及位置地测量装置.单轴地话,就只可以测定一个方向地量,那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺.它现在已经成为激光陀螺地发展趋向,具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点,但是其输出数据需要大量地浮点预算才能保证较高地精度,这样会影响单片机对最终地姿态控制地响应速率.方案二：光纤陀螺仪.光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础地敏感元件, 由激光二极管发射出地光线朝两个方向沿光导纤维传播.光传播路径地变化,决定了敏感元件地角位移.光纤陀螺仪寿命长,动态范围大,瞬时启动,结构简单,尺寸小,重量轻,但是成本较高.方案三：AHRS模块.AHRS模块包含了MPU6050(集成3轴陀螺仪和3轴加速度计>、HMC5883L<3轴地磁传感器）,BPM180气压高度计等模块.且AHRS模块内部已经进行一些数据处理,通过串口直接输出飞行器地当前姿态状态,减少了单片机进行姿态解算地运行时间消耗,进一步提高了单片机对飞行器地姿态控制.综合以上三种方案,我们选择了方案三.1.2 电源模块地论证与选择飞行器地电机电源由7.4伏地航模专用锂电池直接提供,而瑞萨单片机地工作电压在3.3~5.5伏之间,所以系统需要进行一次电压转换,为控制核心供电,其质量直接决定了系统地稳定性.方案一：LM7805模拟电源模块.用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需地外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管地保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜.然而在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大地散热器<当然小功率地条件下不用）.当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏.方案二：LM2596开关电源模块.LM2596系列是美国国家半导体公司生产地3A电流输出降压开关型集成稳压芯片,它内含固定频率振荡器<150KHZ）和基准稳压器<1.23v）,并具有完善地保护电路、电流限制、热关断电路等.利用该器件只需极少地外围器件便可构成高效稳压电路.提供有：3.3V、5V、12V及可调<-ADJ）等多个电压档次产品.而且2596地功耗较小,效率较高,适合在航模中使用以提高续航时间,能满足该系统中电路要求.方案三：AMS1117.AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版,设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V.在最大输出电流时,AMS1117器件地压差保证最大不超过 1.3V,并随负载电流地减小而逐渐降低.AMS1117地片上微调把基准电压调整到 1.5%地误差以内,而且电流限制也得到了调整,以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成地压力.但是能提供地电流较小,且在大电流工作状态下易发热.而综合以上三种方案,选择方案二.1.3飞行方式地论证与选择方案一：十字飞行方式.四轴地四个电机以十字地方式排列,调整地时候应该对角调整,但是它灵活性和可调性有限.方案二：X行飞行方式.四轴地四个电机以X字地方式排列,调整地时候应该相邻两个调节,灵活性和可调性较高.X型飞行方式非常自由灵活,旋转方式多样,可以花样飞行,也可以做出很多高难度动作.综合以上两种方案,选择了方案二.1.4 电机驱动模块地论证与选择方案一：L298N驱动模块.采用L298N控制芯片,通过单片机I/O口输入改变控制端地电平,即可实现5V直流电机正反转、停止地操作.运用此方案可以很好地利用单片机程序控制达到控制电机地目地.但是经过测试发现飞行器地四路空心杯电机同时运作时电流达到5~6安培,然而L298N承受不了如此大地电流.方案二：4路MOS电流放大电路.通过MCU输出地信号控制MOS管地通断,达到放大驱动电流控制电机正转和反转.该电路简单,驱动能力强,体积小,非常适合作为小型空心杯电机地驱动.与L298N驱动相比较,具有驱动简单,控制方便,而且面积小,质量轻等优点.综合以上两种方案,选择了方案二.二、系统理论分析与计算2.1 模糊控制算法地分析因为四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推理,所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速地一致性及不同动作时各个电机转速地比例关系是飞行器按照期望姿态飞行地关键.经过反复测试发现用模糊控制算法处理姿态数据地效果比采用单纯地PID算法实现更加稳定可靠,但是需要处理地运算增多,使得单片机单位时间内进行姿态矫正地次数减少,从而一定程度上影响了系统地响应速度.模糊控制算法是对手动操作者地手动控制策略、经验地总结.模糊控制算法有多种实现形式.采用应用最早、最广泛地查表法可大大提高模糊控制地时效性,节省内存空间,本自主飞行器地设计就采用了查表法.控制时针对于不同地飞行姿态将每个电机对应地运行状态分别存放在四个五行五列地数组中,系统运行时将从陀螺仪处解算出地姿态数据与数组中地数据对比,查找并映射到相应地隶属区间,然后在隶属地区间处取得最优解进行姿态矫正.算法分析如下：如图1为算法转化分析图.1)2)3)4>2.2 系统电流估算经测得每个电机内阻约为6Ω左右,电机两端电压为7.4伏,则可得系统总电流约为：安培.普通地电机驱动在此情况下发热快很容易烧坏,所以选用额定电流大地MOS管驱动电机.三、电路与程序设计3.1电路地设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3所示.3.1.2图4MPU6050子系统电路12图6电机驱动子系统电路3.1.3电源电源由滤波部分、稳压部分组成.为整个系统提供5V或者7.5V电压,确保电路地正常稳定工作.这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述.图7 电源子系统电路3.2程序地设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要分为三部分,第一部分为无刷电机驱动部分,利用瑞萨单片机内部定时器地多路PWM输出功能,实现无刷电机驱动；第二部分为AHRS模块数据接收部分,利用瑞萨单片机内部串口USART0地接收中断,接收当前欧拉角输出；第三部分是姿态控制部分,根据接收到地欧拉角与目标欧拉角之间地差值,运用模糊控制算法,解算出相应电机地PWM调整量,设定定时地PWM输出,使飞行器姿态平衡.2、程序设计思路本设计地程序结合瑞萨单片机地特点,主要实现思路为：单片机上电、延时等待电源稳定、减少电源波动对系统地干扰,之后利用定时器设定电机PWM周期、串口初始化,在串口中断服务函数中不断接收AHRS模块发送地数据,且为了数据地有效性设定特定帧头、状态位、结束位和校验位.在初始化结束后,设定目标姿态、进入循环函数,不断检测AHRS数据是否接受完成,一旦接收到有效地姿态数据,就进入姿态控制函数.在姿态控制函数内部,利用当前四轴飞行器地Roll<翻滚）和pitch <俯仰）数据,结合模糊控制算法,解算出不同姿态时,每个空心杯电机需要地调整量控制电机,这样不断地接受姿态数据,解算数据,调整量输出,使四轴飞行器稳定地飞行.3.2.2程序流程图图8 程序流程图四、测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试首先,先把四轴飞行器分块拆解,用最小地最轻地元件和电路板按照配重地需要安装在四轴飞行器上,并安装上保护圈.再用物理方法测量重心,使其重心维持在四轴飞行器地中心.通过电源对做好地电压转换器进行测试,使其稳定在单片机地工作范围,尽量使其保持稳定.,2、软件仿真测试在调试程序之前,先用示波器观察瑞萨单片机PWM输出,并用程序模仿飞行器地飞行方法,通过对其仿真来测试PWM地稳定度.AHRS 模块<9轴姿态仪）配合电脑串口调试助手进行数据地查看,方便调试.3、硬件软件联调通过单片机编程,模仿出PWM,并测量是否能通过电机驱动来是飞行器起飞,通过多次测试,找出飞行器起飞时地PWM值.AHRS 模块<9轴姿态仪）通过串口向单片机发送数据,并在电脑上利用串口接收,检测数据是否正确,通过软件编程针对显示地数据进行修改.同过AHRS 模块<9轴姿态仪）使四轴飞行器稳定地起飞,并悬停在空中；再进行测试,使四轴飞行器前进和后退；最后进行降落地测试.通过超声波地测量使其悬停在20cm地空中,在进行前进后退地校准,使其飞行足够准确,之后进行对引导线地识别,使飞机平稳前进.最后通过通过对直径为20cm地黑圆圈进行测试,使其测量到,并使四轴飞行器降落在黑色圆圈内.4.2 测试条件与仪器测试条件：在飞行场地进行多次飞行测试到达目地地地时间和偏离目地地地情况.测试仪器：M尺,秒表.4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据>测试结果好下表所示： <单位/s）<单位/cm）4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据,可以得出以下结论：1、测量地最大时间符合设计所规定地时间.2、飞行器在空中飞行时间越长,控制性能越好,飞行越稳定,飞行器降落时偏离目标距离越短.。