TI杯四旋翼飞行器
2018年TI杯大学生电子设计竞赛题B-灭火飞行器
2018年TI 杯大学生电子设计竞赛B 题：灭火飞行器（本科）1．任务基于四旋翼飞行器设计一个灭火飞行器（简称飞行器）。
飞行器活动区域示意图如图1所示。
在图1中，左下方的圆形区域是飞行器起飞及降落点；右侧正方形区域是灭火防区，防区中有4个用红色LED 模拟的火源（火源用单只0.5W 红色发光二极管来实现，建议LED 电流不超过25mA ）。
飞行器起飞后从A 处进入防区，并以指定巡航高度在防区巡逻；发现防区有火源，用激光笔发射激光束的方式模拟灭火操作；所有火源全部熄灭后，飞行器从B 处飞离防区返航，返航途中需穿越一个矩形框。
从起飞到降落的整个操作过程不得超过5分钟，时间越短越好。
图1 消防飞行器活动区域示意图2．要求（1） 飞行器从起飞地点垂直起飞升高到150cm ±10cm 的巡航高度。
（15分）（2） 在起飞点的巡航高度上悬停15秒，然后以巡航高度从A 处进入防区巡航飞行。
（10分）（3） 飞行器发现防区内的火源后，飞往火源上方用上激光笔照射火源作为灭火；激光笔光斑在以火源为圆心、直径20cm 圆形区域保持2秒及以上即视为灭火成功。
（30分）（4） 飞行器从B 处飞离防区。
（10分）（5）返航途中飞行器需要穿过一个宽高为10070cm的矩形框。
（15分）（6）回到降落点上空，垂直下降，准确平稳地降落在降落点；（10分）（7）整个飞行过程计时得分。
（10分）（8）其他。
（10分）（9）设计报告（20分）3．说明（1）参赛队使用飞行器时应遵守中国民用航空局的相关管理规定。
（2）飞行器桨叶旋转速度高，有危险！请务必注意自己及他人的人身安全；操作者需佩戴防护镜及防护手套。
（3）飞行器可自制或外购，飞行器机身必须标注参赛队号；飞行器桨叶固定轴间最大轴间距不超过50cm；飞行器必须带防护圈，否则不予测试。
（4）以模拟火源的LED为圆心，画一个直径20cm的圆（边缘线宽不超过1mm），以便观察灭火动作。
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。
四旋翼飞行器悬停控制的研究
四旋翼飞行器悬停控制的研究作者：周湘淇刘向东来源：《科技视界》2015年第17期【摘要】本文设计的四旋翼飞行器是基于单片机控制下，使其能自主飞行。
为实现四旋翼飞行器定高的可靠控制，以电机的转速为控制量，认为当飞机的重力与飞行器的升力相等时才能悬停。
结合实际情况，建立模型，进行PID控制。
【关键词】四旋翼飞行器；定高；PID控制0 引言四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。
它是多旋翼飞行器中最基本的一种。
可以用作航拍、桥梁和电力线路检测、定点巡航、娱乐等.还有两轴、三轴、六轴、八轴等类似飞行器。
在2014年浙江省大学生电子设计大赛中出现过四旋翼飞行器的题目，要求设计制作一架能够自主飞行的四旋翼飞行器，做到定高飞行。
本文以四旋翼飞行器悬停控制为目标。
首先保证飞行器能平稳飞行，其次再定高飞行。
设计以TI公司的launchpad w/tm4c 123作为主控制器，通过对三轴加速度和陀螺仪MPU6050为基础数据的处理，得到四旋翼飞行器空间姿态角，通过超声波得到四旋翼飞行器的空间位置，最后通过PID控制器控制电机的转速。
飞行器采用的是无刷电机，这类电机的动力大，利于较大的电机。
1 四旋翼飞行器的平稳飞行单片机从MPU-6050芯片获取的数据是飞行器的三轴角速度和三轴角加速度，MCU对数据进行处理可以得到飞行器当前的飞行姿态，使姿态解算得到的欧拉角为基础，利用PID控制四个电机的转速，使飞行器达到或保持预定的水平姿态。
PID计算方式如图1所示。
2 四旋翼飞行器的悬停在研究悬停过程前，实验实现了四旋翼的平稳飞行，故定高悬停计算只需计算主动力。
由于四旋翼飞行器就实际而言是一个非线性高耦合欠控制的系统，在建模时常常忽略外界不稳定因素。
四旋翼飞行器的四个直流无刷电机提供机身的整体升力，由于忽略了四个旋翼之间的耦合，整体的升力可以表示为每个旋翼提供升力之和。
四旋翼飞机的结构原理操作--中小学创新创造教育
四旋翼飞行器结构和原理1.结构形式四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1 和旋翼3 逆时针旋转，旋翼2 和旋翼4 顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。
结构形式如图1.1所示。
2、工作原理典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。
他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。
四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。
但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
在上图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x 轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。
（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。
当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
（2）俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机3 的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4 的转速保持不变。
由于旋翼1 的升力上升，旋翼3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y 轴旋转，同理，当电机1 的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
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一种带多重保护的高压功率放大器 2015-09-01
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。
四旋翼飞行器线性自抗扰控制
四旋翼飞行器线性自抗扰控制汤帅;陈奕梅【摘要】针对Qball2四旋翼无人飞行器欠驱动、参数不确定、强耦合等特性,采用一种跟踪微分器(TD)与线性自抗扰算法(LADRC)结合的控制方法,LADRC包括线性组合环节(PD)和线性扩张状态观测器(LESO)两个部分.LESO对系统内扰和外扰进行实时观测和动态补偿,从而将复杂的Qball2系统简化为串联积分形式.LADRC 参数整定简单,而TD的引入使系统具有良好的快速性和鲁棒性.仿真和Qball2平台实验结果表明,所设计的控制器能满足系统的动态性能和稳态性能要求.【期刊名称】《电光与控制》【年(卷),期】2018(025)010【总页数】6页(P78-83)【关键词】四旋翼无人飞行器;Qball2;线性自抗扰算法;线性扩张状态观测器;跟踪微分器;快速性【作者】汤帅;陈奕梅【作者单位】天津工业大学电气工程与自动化学院,天津300387;天津工业大学电气工程与自动化学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】V275+.1;TP2730 引言近年来，随着国内外高校和科研机构加大对四旋翼无人飞行器的研究力度，四旋翼无人飞行器已成为控制领域研究的热点[1]。
四旋翼无人飞行器是一种小型的旋翼直升机，拥有稳定的悬停和精确的定点飞行能力，被广泛应用于航拍、情报侦察、电力巡检、消防以及植保等领域，而且能够在复杂和危险的环境中执行任务，具有很高的科研和实用价值。
四旋翼无人飞行器通过控制4个旋翼的转速变换来实现六自由度灵活飞行，仅具有4个控制输入，是一个典型的欠驱动系统，同时具有强耦合、非线性、易受外部干扰等特性[2]。
对四旋翼无人飞行器自抗扰控制的研究主要集中在以下几个方面:文献[3]采用非线性自抗扰算法，具有不依赖于精确模型就能够实现对系统总扰动的实时估计和补偿等优点，但是3个组成部分都使用了非线性模块，所以设计参数过多不易确定稳定性边界，容易引起抖动，难以将算法应用于实际；文献[4]采用线性自抗扰算法，参数整定简单，当输入为连续时变且具有噪声信号时，难以解决快速性和准确性的矛盾，同时输出会受到噪声干扰。
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由四个旋翼组成的无人机，可以垂直起降和定点悬停，具有灵活性和机动性。
它的飞行控制技术可以分为姿态控制和位置控制两种基本类型。
姿态控制是指控制飞行器姿态（包括横滚、俯仰和偏航），而位置控制则是控制飞行器的定点飞行或航线飞行。
下面将对这两种控制技术进行详细介绍。
一、姿态控制技术1. 传统PID控制PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个分量的组合来调节系统的输出。
在四旋翼飞行器中，PID控制可以用来控制姿态，使飞行器保持平稳的飞行状态。
通过对角速度和角度的反馈控制，可以实现对飞行器姿态的精确控制。
但是PID控制也存在一些问题，比如对于非线性系统和参数变化的系统，PID控制的性能会受到影响。
2. 模糊控制模糊控制是一种可以应对非线性系统和模糊环境的控制方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用模糊控制来实现对姿态的精确控制。
通过建立模糊规则库，可以将模糊的输入与输出进行映射，实现对飞行器姿态的控制。
模糊控制可以有效地应对系统的非线性特性，但是对规则库的设计和参数的选择需要较大的经验和技巧。
3. 神经网络控制4. 遗传算法控制遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，可以用来优化系统的控制参数。
在四旋翼飞行器中，可以利用遗传算法来寻找最优的姿态控制参数，从而实现对飞行器姿态的精确控制。
遗传算法能够全局寻优，但是需要大量的计算资源和较长的优化时间。
1. GPS定位控制GPS定位是一种全球定位系统，可以实现对飞行器位置的精确控制。
在四旋翼飞行器中，可以利用GPS定位进行位置控制，实现定点飞行或航线飞行。
通过GPS模块获取飞行器的位置信息，可以实现对飞行器位置的精确控制。
但是GPS在室内或密集城市地区信号可能不太可靠。
3. 惯性导航控制惯性导航是一种通过加速度计和陀螺仪获取飞行器运动信息，并通过积分计算得到飞行器位置信息的导航方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用惯性导航进行位置控制，实现对飞行器位置的精确控制。
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2014年TI杯大学生电子设计竞赛报告A题：四旋翼飞行器摘要:小型四旋翼飞行器是一种通过对四个旋翼联合驱动而实现垂直起降的无人飞行器，是一个模块化、具有较高硬件灵活性和较好操控性的平台装置，这个平台装置能够为科学实验、工程监控、气象监测、灾害预警等提供很好的应用平台。
本文以自制小型电动四旋翼飞行器作为研究平台，通过对MPU6050传感器测得运动数据研究，实现对其空中运动姿态的数学描述，建立完整的动力学模型，并针对姿态解算方法和飞行控制算法展开研究，最终完成飞行器的稳定悬停等研究目标。
关键词：四旋翼飞行器；MPU6050传感器；运动姿态；动力学模型；稳定悬停。
目录一、系统设计要求................................................ - 1 -1. 1、任务.................................................. - 1 -1. 2、设计相关要求.......................................... - 1 -1.2.1 、基本要求............................. 错误!未定义书签。
1.2.2、发挥部分......................................... - 1 -二、系统方案论证与选择.......................................... - 1 -2.1 、系统基本方案.......................................... - 2 -2.1.1、处理器选取方案.................................... - 2 -2.1.2、轨迹探测模块选取方案.................. 错误!未定义书签。
2.1.3、高度传感器选取方案................................ - 3 -2.1.4、平衡传感器选取方案.................... 错误!未定义书签。
2.1.5、电源模块选取方案.................................. - 4 -2.1.6、电机驱动模块选取方案.............................. - 4 -2.1.7、加速度模块选取方案.................... 错误!未定义书签。
2.2、系统各模块的最终方案................................... - 5 -2.2.1、方案描述.......................................... - 5 -2.2.2、具体方案.......................................... - 5 -三、系统的硬件设计与实现........................................ - 7 -3.1、系统硬件的基本组成部分................................. - 7 -3. 2、主要单元电路的设计.................................... - 7 -3.2.1、控制电路.......................................... - 7 -3.2.2、摄像头循迹电路........................ 错误!未定义书签。
3.2.3、超声波测距电路........................ 错误!未定义书签。
3.2.4、电机驱动电路...................................... - 8 -四、系统软件设计................................................ - 9 -4.1、基本要求流程图......................................... - 9 -4.2、超声波发送和接收模块流程图............................. - 9 -4.3.软件流程图.......................................... - 10 -4.4.主要算法程序代码.................................... - 11 -五、系统测试................................................... - 14 -5.1、测试仪器.............................................. - 14 -5.2、指标测试.............................................. - 14 -5.2.1、测试方法和条件................................... - 14 -5.2.2、测试数据及测试结果分析........................... - 14 -六、总结....................................................... - 15 -参考文献................................................... - 16 -一、系统设计要求1. 1、任务（1）设计制作一架能够自主飞行的四旋翼飞行器。
1. 2、设计相关要求四旋翼飞行器能够完成以下飞行动作：（1）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。
（2）飞行器能够根据指定（键盘设定）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。
（3）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30cm。
（4）其他自主发挥设计的飞行动作。
二、系统方案论证与选择根据题目要求，系统可以划分为电源部分、传感器部分、控制部分、电机驱动部分；其中电源部分：3.7V1200mA锂电池。
模块框图如图2所示。
图2 系统模块框图2.1 、系统基本方案为比较方便和经济实惠和可行的实现各模块的功能，分别作以下几种不同的设计方案并进行论证。
2.1.1、处理器选取方案方案一、采用比较普及的ｃ５１处理器，51 单片机比较普及，价格低廉，学习资料比较多，易于自主的学习与掌握，而且这方面的图书和教材比较多，学习资料易于获取。
但是由于飞行器飞行时MCU需要高速的处理各个传感器发送来的数据并及时的发出控制信号调节控制试飞行器能够平稳飞行，而C51在处理速度和运算能力上远远满足不了飞行器飞行时岁数据的处理需求。
故舍去该方案。
方案二、采用FPGA，FPGA是操控层次更低,所以自由度更大的芯片，对FPGA的编程在编译后是转化为FPGA内的连线表，相当于FPGA内提供了大量的与非门、或非门、触发器（可以用与非门形成）等基本数字器件，编程决定了有多少器件被使用以及它们之间的连接。
只要FPGA规模够大，这些数字器件理论上能形成一切数字系统，包括单片机甚至CPU。
FPGA在抗干扰，速度上有很大优势。
但是FPGA的价格较贵，电路设计比较难且其引脚密集，不利于焊接。
故舍弃去该方案。
方案三、采用ARM公司的STM32F103C8T6处理器进行数据处理，STM32F103处理器系列STM32F103C8T6，核心处理器：ARM32位Cortex-M3 CPU，芯体尺寸：32-位速度：72MHz；连通性：2个IIC接口，5个USART接口（，3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用，CAN接口，USB 2.0全速接口，SDIO接口，外围设备：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART；程序存储器容量：64KB；程序存储器类型：32-512KB的Flash存储器；6-64KB的SRAM存储器；电压- 电源(Vcc/Vdd)：2.0-3.6V，用ARM处理器可比较方便简单的操作。
在处理数据的速度能力上也能够满足飞行器在飞行时对数据处理的要求。
综合考虑方案三更符合实际情况相对易于实现，故采用第三套方案。
2.1.2、传感器模块选取方案方案一只采用三轴加速度传感器，三轴加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。
三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。
但是采用三轴加速度传感器，须将采集到的信号进行计算，由于飞行器在飞行过程中，当三个方向上的加速度为零时,根据牛顿第二定律飞行器有可能处于匀速延某一方向运动或静止状态,无法有效的判断飞行器具体是那种状态，会产生不可预定的情况。
另外单凭三轴加速度传感器无法保持飞行器的平衡，无法实现飞行器的原地悬停及飞行过程中的平衡调整，而且需要的计算量会很大，故舍去该方案。
方案二采用MPU6050 9轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的范围都是用户可控的。
一个片上1024字节的FIFO 有助于降低系统功耗。
陀螺仪是一种空间相角传感器，主要检测空间某些相位的倾角变化、位置变化，主要用于空间物理领域，特别在航空、航海方面有较多的用途，如：飞机上的陀螺仪，当飞机在做360°翻转的时候，陀螺仪将会保持原始的基准状态不变。
陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性，可以测出飞行器行进方向及进行平衡调整，可以实现飞行器的悬停，以及姿态调整。
由于本系统是四旋翼飞行器，所以需要较高的稳定性，因此采用此传感器。
综合考虑方案二更利于实现，故采用第二套方案。
2.1.5、电源模块选取方案方案一采用四节电池供电，经三端稳压器7805稳压后送给MCU和光电对管等需要５Ｖ供电的部分，驱动四个电机。
该方案简单，但是电池在用一段后会有一个管压降，使得电路得到的电压不稳定，不利于PWM 调速。
而且，电池的重量过大，容量小，飞行时间过短，内阻会随使用时间增大，驱动电机的电流变小甚至不稳定，不利于飞行器的飞行，此外，废旧电池会对环境造成污染，不利于环保。