电赛四旋翼飞行器
四旋翼飞行器的控制系统设计与优化
四旋翼飞行器的控制系统设计与优化一、引言四旋翼飞行器（Quadcopter）作为一种多旋翼飞行器，由于其简单的结构和良好的操控性能，被广泛应用于无人机领域。
控制系统是四旋翼飞行器重要的组成部分，决定了飞行器的稳定性和操纵性。
本文将详细介绍四旋翼飞行器控制系统的设计与优化。
二、四旋翼飞行器的控制方式四电机和对应的螺旋桨通过电调控制转速，产生升力和推力。
四旋翼飞行器通常采用基于PID（Proportional Integral Derivative）的控制方式，通过控制电机的转速以及螺旋桨的角度来调整飞行器的姿态和位置。
三、控制系统的设计1. 传感器模块设计了解飞行器的姿态和位置信息对于控制系统至关重要。
传感器模块通常包括陀螺仪、加速度计和磁力计。
陀螺仪用于测量飞行器绕三个轴的角速度，加速度计用于测量飞行器在三个轴上的加速度，磁力计用于测量飞行器的方向信息。
这些传感器模块需要精确校准，以保证采集到的数据准确可靠。
2. 控制算法设计控制算法是决定飞行器姿态和位置稳定性的重要因素。
常用的控制算法包括PID控制、模型预测控制（MPC）和适应性控制等。
PID控制是基于误差的比例、积分和微分项，通过调整系数来实现对飞行器的控制。
MPC控制是一种基于飞行器数学模型的预测控制方法，通过优化控制信号来实现飞行器运动的最优化。
适应性控制是根据飞行器的实际状态进行动态调整，适应环境变化和干扰。
四、控制系统的优化1. 参数调优控制系统中的参数是影响飞行器响应和稳定性的关键因素。
通过调整参数，可以优化飞行器的控制性能。
一般来说，参数调优是一个迭代的过程，可以通过实验和仿真来进行。
常用的参数调优方法包括试错法和自适应算法。
2. 增强控制系统稳定性为了提高飞行器的稳定性，可以采取一些增强控制系统稳定性的措施。
例如，增加控制环路的带宽，提高控制系统对高频信号的响应；使用卡尔曼滤波器进行信号融合，改善传感器数据的精度和一致性；采用纠错码等方式提高系统的鲁棒性。
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具有四个独立旋翼的飞行器，也被称为四轴飞行器。
它采用借助电子设备来保持平衡和方向飞行，是一种近年来非常流行的飞行器类型。
四旋翼飞行器飞行控制技术是指通过控制器、传感器和电动机等设备来实现飞行器的稳定飞行和精确控制。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，包括传感器、飞行控制器、电机及螺旋桨、遥控器等方面。
一、传感器四旋翼飞行器的传感器是实现飞行控制的基础，它主要包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等。
加速度计用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量飞行器的方向，气压计用于测量飞行器的高度。
这些传感器可以实时地将飞行器的状态信息传输给飞行控制器，从而帮助控制器实现飞行器的稳定飞行和精确控制。
二、飞行控制器飞行控制器是四旋翼飞行器的大脑，它通过接收传感器传来的信息，计算飞行器的状态，再根据飞行器的状态信息来控制电机的转速和螺旋桨的转动角度，从而实现飞行器的稳定悬停、方向飞行、姿态调整等功能。
目前市面上比较常见的飞行控制器有OpenPilot、Pixhawk、Naze32等，它们都能够提供强大的飞行控制功能，同时还支持GPS导航、航点飞行、自动返航等高级功能。
三、电机及螺旋桨四旋翼飞行器通常采用无刷电机驱动螺旋桨进行飞行，电机及螺旋桨的选择直接影响飞行器的性能和稳定性。
在选择电机时需要考虑电机的功率、转速、推力、以及电机的重量和尺寸等参数，同时还需要考虑螺旋桨的直径、螺距、材质等参数。
合理的电机及螺旋桨搭配可以为飞行器提供足够的推力和稳定性，从而保证飞行器的良好飞行表现。
四、遥控器遥控器是飞行器的操控装置，通过遥控器可以实现飞行器的起飞、降落、悬停、前进、后退、左转、右转等操作。
目前市面上比较常见的遥控器有Futaba、FrSky、Spektrum等，它们都能够提供可靠的无线控制信号，从而保证飞行器的操控精准和稳定。
在实际的飞行控制中，通常采用PID控制算法来实现对飞行器的姿态调整和稳定飞行。
四旋翼飞行器结构
四旋翼飞行器结构1. 概述四旋翼飞行器是一种利用四个对称排列的旋翼进行垂直起飞、悬停和操纵的飞行器。
其优势包括垂直起降、悬停能力强、灵活机动、飞行稳定等。
在无人机领域中，四旋翼飞行器已经得到了广泛应用，如航拍摄影、应急救援、农业植保等。
2. 结构组成四旋翼飞行器的结构组成主要包括机身、四个旋翼、电池、控制系统等组件。
2.1 机身四旋翼飞行器的机身是整个飞行器的主体部分，起到支撑和连接其他组件的作用。
通常由轻质材料制成，如碳纤维、玻璃纤维等，以提高飞行器的强度和降低重量。
机身的设计通常考虑空气动力学性能、结构强度和易制造性。
2.2 旋翼四旋翼飞行器通过四个对称排列的旋翼进行飞行。
旋翼包括电动机、螺旋桨和支撑梁等部分。
电动机作为旋翼的动力源，驱动螺旋桨旋转产生升力。
螺旋桨通过变化旋转速度和角度来控制飞行器的悬停、升降、前进、转向等动作。
支撑梁连接旋翼和机身，起到支撑和传递动力的作用。
2.3 电池四旋翼飞行器的电池是提供动力的重要组成部分。
通常使用锂电池作为飞行器的能源来源，具有高能量密度和长飞行时间的优势。
电池的选择应考虑飞行器的重量和飞行时间的需求，并且要遵循安全使用和充电的原则。
2.4 控制系统四旋翼飞行器的控制系统包括飞行控制器和遥控器。
飞行控制器是飞行器的大脑，通过接收遥控器的信号和传感器的数据，计算出飞行器的状态和控制指令，并控制旋翼的转速和角度。
遥控器是操作飞行器的手持装置，通过无线信号与飞行控制器进行通信，传输操纵指令。
3. 工作原理四旋翼飞行器通过控制旋翼的转速和角度来产生升力和推力，从而实现飞行。
通过改变旋翼的转速差异，可以实现飞行器的前进、转向和悬停动作。
飞行控制器根据遥控器输入和传感器反馈的数据，计算出适当的转速和角度，并通过电调调节电动机的输出，控制旋翼的运动。
4. 稳定性控制四旋翼飞行器的稳定性控制是实现飞行器平稳飞行的关键。
通过加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器，飞行控制器可以感知飞行器的姿态和运动状态。
四旋翼飞行器无人机结构和原理
四旋翼飞行器结构和原理1.结构形式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，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.工作原理四旋翼飞行器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。
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，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。
（3）滚转运动：与图b 的原理相同，在图 c 中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
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。
电赛校赛题目资料
风板控制装置(A题)一、任务设计并制作一个风板控制装置。
该装置能通过控制风机的风量来控制风板完成规定动作，风板控制装置参考示意图见图1。
图1风板控制装置参考示意图二、要求1．基本要求（1）预置风板控制角度（控制角度在45°～135°之间设定）。
由起点开始启动装置，控制风板达到预置角度，过渡过程时间不大于10s，控制角度误差不大于5°，在预置角度上的稳定停留时间为5s，误差不大于1s。
动作完成后风板平稳停留在终点位置上；（2）在45°～135°范围内预置两个角度值（Φ1和Φ2）。
由终点开始启动装置，在10s内控制风板到达第一个预置角度上；然后到达第二个预置角度，在两个预置角度之间做3次摆动，摆动周期不大于5s，摆动幅角误差不大于5°，动作完成后风板平稳停留在起点位置上；（3）显示风板设置的控制角度。
风板从一个状态转变到另一个状态时应有明显的声光提示。
2．发挥部分用细线绳将一个重量为10g物体（可以用10g砝码代替），拴在小长尾金属夹的尾端上，小长尾金属夹与重物的总长度不小于50mm，并整体夹在图1所示风板对应位置上。
（1）预置风板控制角度（控制角度在45°～135°之间设定）。
由起点开始启动装置，控制风板达到预置角度，过渡过程时间不大于15s，控制角度误差不大于5°，在预置角度上的稳定停留时间5s，误差不大于1s，最后控制风板平稳停留在终点位置上；（2）在45°～135°范围内预置两个角度值（Φ1和Φ2）。
由终点开始启动装置，在15s内控制风板到达第一个预置角度上；然后到达第二个预置角度，在两个预置角度之间做4次摆动，摆动周期不大于5s，摆动幅角误差不大于5°，动作完成后风板平稳停留在起点位置上；（3）其他。
三、说明1. 给出的图1仅作参考，风板的外形尺寸要求为：高150mm×宽200mm，厚度和制作材料及风板支架的机械连接方式不做限定；风板上除安装风板转动轴、角度指示针和传感器外，不能安装其他任何装置；风机数量和控制风向方式可自行设计确定；可以设置风板起始位置、终点位置的限位装置，限定风板能在与水平线成30°~150°的夹角内摆动；2. 风板的运动状态，都要通过控制风机的风量来完成，不能受机械结构或其它外力的控制。
四旋翼飞行器设计资料解读
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。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计四旋翼飞行器是一种由四个旋翼推进的飞行器，它因其灵活性和稳定性而被广泛用于各种领域，如航拍、无人机、军事侦察等。
在四旋翼飞行器的飞行过程中，飞行控制系统起着至关重要的作用，它能够确保飞行器稳定、安全地飞行。
对四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与设计显得尤为重要。
四旋翼飞行器的飞行控制系统主要包括传感器、控制器和执行机构三个部分。
传感器用于感知飞行器的飞行姿态及环境信息，控制器根据传感器反馈的信息进行控制指令的生成，执行机构则负责执行控制指令，调节飞行器的姿态和位置。
通过这三个部分协同工作，飞行控制系统能够实现对飞行器的精确控制，确保其稳定飞行。
传感器是飞行控制系统的基础，它能够感知飞行器的姿态、位置、速度等信息。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等。
陀螺仪用于感知飞行器的角速度，加速度计用于感知飞行器的加速度，磁力计用于感知地磁场信息，气压计用于感知大气压力信息。
这些传感器可以为控制器提供飞行器当前的状态信息，从而帮助控制器生成相应的控制指令。
控制器是飞行控制系统的核心部分，它根据传感器反馈的信息，利用控制算法生成控制指令，使飞行器按照预定的轨迹飞行。
常见的控制算法包括PID控制、模型预测控制、自适应控制等。
PID控制是一种经典的控制算法，它通过比例、积分、微分这三个部分来调节飞行器的姿态。
模型预测控制则是基于飞行器的动力学模型，利用预测算法来实现更加精确的控制。
自适应控制则是根据飞行器的实际动态特性，在飞行过程中不断调整控制参数，以适应飞行条件的变化。
这些控制算法可以根据飞行器的具体要求进行选择，以实现对飞行器的精确控制。
针对四旋翼飞行器的飞行控制系统设计，需要考虑以下几个方面：飞行器的动力学特性、飞行任务需求、传感器选择、控制算法选择、执行机构选择。
需要对飞行器的动力学特性进行建模分析，了解飞行器的飞行特性，如姿态稳定性、飞行动力学等。
需要根据飞行任务需求确定传感器的选择，如选择何种陀螺仪、加速度计等。
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新型的飞行工具，它具有灵活、稳定、机动性强的特点，被广泛应用于航拍、农业植保、物流配送等领域。
而四旋翼飞行器的飞行控制技术是其核心技术之一，对于飞行器的稳定飞行和精准控制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，包括传统的PID控制、模糊控制、神经网络控制等方面的原理和方法。
一、四旋翼飞行器的飞行控制技术概述四旋翼飞行器是由四个电机和螺旋桨组成的，通过对电机速度的调节来实现飞行器的姿态控制。
传统的飞行控制技术主要采用PID控制器来进行姿态控制，即通过对飞行器的姿态角速度进行测量和控制，使得飞行器可以保持稳定的飞行状态。
随着人工智能和控制理论的发展，模糊控制、神经网络控制等新型的飞行控制技术也被应用到四旋翼飞行器中，提高了控制精度和鲁棒性。
三、模糊控制技术模糊控制是一种基于模糊集理论的控制方法，它可以处理不确定性和模糊性的系统，具有很强的鲁棒性和自适应性。
在四旋翼飞行器的飞行控制中，可以采用模糊控制器来对飞行器的姿态进行控制，通过对飞行器的姿态角速度进行模糊化处理和模糊推理，来实现飞行器的精准控制和稳定飞行。
五、四旋翼飞行器飞行控制技术的发展趋势随着科学技术的不断发展和推广应用，四旋翼飞行器的飞行控制技术也在不断进步和完善。
未来，飞行控制技术将更加注重控制精度和鲁棒性，提高飞行器的控制性能和安全性能。
人工智能、自动化控制等新技术的发展将为飞行控制技术带来新的突破，包括深度学习、强化学习等技术在飞行控制中的应用，将为四旋翼飞行器的飞行控制技术带来新的发展机遇。
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随着科技的不断发展，四旋翼飞行器在民用领域的应用越来越广泛。
飞行控制技术是四旋翼飞行器的关键技术之一，它对于四旋翼飞行器的稳定性、安全性、控制精度和航行性能等方面起着重要的作用。
本文将综述四旋翼飞行器飞行控制技术的研究现状、方法和发展趋势。
一、四旋翼飞行器的基本结构和工作原理四旋翼飞行器是一种垂直起降的多旋翼飞行器，由四个同心布局的螺旋桨组成。
四个螺旋桨通过电机驱动旋转，产生向上的升力，控制螺旋桨的运动状态可实现飞行方向和高度的控制。
四旋翼飞行器的运动状态包括横向运动（Roll）、纵向运动（Pitch）和偏航运动（Yaw）。
横向运动是指四旋翼在横向方向上的旋转；纵向运动是指四旋翼在纵向方向上的旋转；偏航运动是指四旋翼在垂直方向上的旋转。
这些运动状态的控制可以通过改变四个螺旋桨的转速来实现。
二、四旋翼飞行器控制系统的组成四旋翼飞行器控制系统主要由传感器、执行器、控制算法和通信模块等组成。
1.传感器传感器是控制系统的输入设备，用于感知四旋翼飞行器的姿态状态和环境信息。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计和GPS等。
2.执行器执行器是控制系统的输出设备，主要由四个电机和螺旋桨组成。
通过改变电机的转速控制螺旋桨的转动，从而实现四旋翼的运动状态控制。
3.控制算法控制算法是控制系统的核心部分，主要用来根据传感器感知的姿态状态和环境信息计算出下一时刻需要的执行器输出。
现有的控制算法主要包括PID控制器、自适应控制器、模型预测控制器等。
4.通信模块四旋翼飞行器的通信模块可用于与地面无线遥控器、计算机或其它无人机等相互通信。
一般来说，通信模块主要用于实现飞行器和操作员之间的实时数据传输和遥控指令的发送。
三、四旋翼飞行控制技术的研究现状四旋翼飞行器的飞行控制技术是无人机领域最具挑战性的研究问题之一，吸引了大量学者的关注。
目前已有很多关于四旋翼飞行控制技术的研究成果，主要可分为下面几个方面。
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2014年电子设计竞赛 四旋翼自主飞行器（G题）
2013年9月11日 第 页 共22页
目录 摘要 关键词……………………………………………………………1 一系统方案………………………………………………………………2 1.1 控制系统的选择……………………………………………………………………… 2 1.2 飞行姿态控制的论证与选择.………………………………………………………2 1.3 电机的选择……………………………………………………………………………… 2 1.4 高度测量模块的论证与选择….……………………………………………………2 1.5 电机调速模块的选择…………………………………………………………………2 1.6 循迹模块的方案选择…………………………………………………………………2 1.7 薄铁片拾取的方案的论证与选择………………………………………………… 2 1.8 角速度与角加速度测量模块选择………………………………………………… 3
二设计与论证……………………………………………………………3 2.1控制方法设计…………………………………………………………………3 2.1.1降落及飞行轨迹控制设计…………………………………………………3 2.1.2飞行高度控制设计…………………………………………………………4 2.1.3飞行姿态控制设计…………………………………………………………4 2.1.4铁片拾取与投放控制设计…………………………………………………4 2.2参数计算………………………………………………………………………5 第 页 共22页
三理论分析与计算................................................................................... 5 3.1Pid控制算法分析..............................................................................................5. 3.2飞行姿态控制单元……………………………………………………………6
四电路与程序设计………………………………………………………7
4.1系统组成…………………………………………………………………… 7
4.2 原理框图…………………………………………………………………… 7 4.3电路图……………………………………………………………………… 8 4.4系统软件与流程图……………………………………………………………………9
五测试方案与测试条件……………………………………………… 11
5.1测试方案……………………………………………………………………11
5.2测试条件……………………………………………………………………11
六结论………………………………………………………………… 11
附录……………………………………………………………………12 附一：元器件明细表………………………………………………………………………12 附二：仪器设备清单………………………………………………………………………12 附三：源程序………………………………………………………………………………12
摘要：本系统由数据采集、数据信号处理和飞行姿态和航向控制部分组成。
系统选用STC89C52单片机作为主控芯片，对从MPU-6050芯片读取到的一系列数据进行PID算法处理并给飞行器的电调给出相应指令从而达到对飞行器的飞行姿态的控制。采用MPU-6050芯片采集四旋翼飞行器的三轴角速度和三轴角加速度数据。用红外传感器来检测出黑色指示线，以保证飞行器不脱离指定飞行区域及达到指定圆形区域。利用超声波传感器来检测飞行器与地面的距离，以保证飞行器能越过一米示高线。利用电磁铁来吸取和投放铁片。 第 页 共22页
关键词：STC89C52单片机 MPU-6050模块 激光传感器循迹 电磁铁拾取
铁片 超声波测距定高 PID算法
一 系统方案 本系统主要由控制模块、薄铁片拾取、高度测量模块、电机调速模块、循迹模块、角速度和角加速度模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1控制系统的选择 STC89C52RC单片机作为主控芯片来控制飞行器的飞行姿态与方向。
1.2 飞行姿态控制的论证与选择 第 页 共22页
方案一：单片机将从MPU-6050中读取出来的飞行原始数据进行PID算法运算，得到当前的飞行器欧拉角，单片机得到这个欧拉角后根据欧拉角的角度及方向输出相应的指令给电调，从而达到控制飞行器平稳飞行的目的 方案二：单片机将从MPU-6050中读取出来的飞行原始数据进行PID算法运算，得到当前飞行器的四元数，单片机再将数据融合，并对电调发出相应指令，从而达到控制飞行器的飞行姿态的目的。但四元数法需要进行大量的运算，且运算复杂。 从算法的复杂程度及我们对算法的熟悉程度，我们选择方案一。 1.3电机的选择 方案一：采用有刷电机。有刷电机采用机械转向，寿命短，噪声大，产生电火花，效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏，同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落轴承中，使轴承油加速干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机连续使用一定时间就需更换电机内碳刷。 方案二：采用无刷电机。无刷电机以电子转向取代机械转向。无机械摩擦，无摩擦，无电火花，免维护且能做到更加密封等特点所以技术上要优于有刷电机。 考虑到各方面，我们采用无刷电机，选用新西达A2212无刷电机。 1.4高度测量模块的论证与选择 方案一：采用bmp085气压传感器测量大气压并转换为海拔高度，把当前的海拔测量值减去起飞时的海拔值即得飞机的离地高度。但芯片价格较贵，误差较大，而且以前也没用过这个芯片。 方案二：采用HC-SR04超声波传感器测量飞行器当前的飞行高度。 考虑到对元件的熟悉程度、元件的价格和程序的编写，选择方案二。
1.5电机调速模块的选择 由于本四旋翼飞行器选用的是无刷电机，所以电调只能选用无刷电机的电调，自己做电调需要的时间长，而且可能不稳定，所以直接用的是成品电调，我们选用电机配套的新西达A2212电调。
1.6循迹模块的选择 普通的红外传感器检测的距离很近，无法在离地面一米以上的距离检测出地面的黑线，所以我们选择了漫反射远距离激光传感器，来检测指示线。
1.7薄铁片拾取的选择 方案一：在飞行器起飞时由系统控制机械臂拾取起铁片，到达B区放松机械臂，投下薄铁片。缺点：机械臂重量大，对飞行器的飞行姿态影响较大，薄铁片厚度非常小，不易拾取。 方案二：采用电磁铁拾取，用瑞萨MCU控制电磁铁，在飞行器起飞时吸取铁片，到B区后投下铁片。优点：电磁铁体积小而且有较强的拾取能力而且好操作方便。 综上所述，我们选择用经济又灵活的电磁铁作为薄铁片的拾取工具，采用方案二 第 页 共22页
1.8角速度与加速度测量模块选择 方案一：选用MMA7361 角度传感器测量飞行器的的与地面的角度，返回信号给单片机处理，从而保持飞行器的平衡。 方案二：用MPU-6050芯片采集飞行器的飞行数据，过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器，功能MPU-6000（6050）整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并
含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。
免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。 综上，选择方案二。
二 设计与论证 2.1控制方法设计
2.1.1降落及飞行轨迹控制 由于题中有指示线，所我们采用漫反射红外开关来识别地面的指示线，红外模块将识别指示线后的信号以高低电平的方式传给单片机，单片机对信号做出反应，控制电调，从而控制飞行器飞行轨迹。程序流程图如图一
图一 图二 2.1.2飞行高度控制 第 页 共22页
飞行高度的采集采用超声波模块来实现，通过超声波发出时开始计时，收 4 到返回信号时停止计时，单片机利用声音在空气中的传播速度与时间的数学关系来计算出飞行器距离地面的时间，从而控制飞行器的飞行高度达到我们所需的高度。程序流程图如图二。
2.1.3飞行姿态控制 通过MPU6050模块来测量当前飞行器的三轴加速度和三轴角加速度，利用瑞萨单片机的IIC协议从MPU6050中读取出数据，解读飞行器的飞行姿态，并经过PID算法程序来对数据进行处理，得到当前欧拉角的值，并将处理后的信号传给电调，控制电机的转速，从而达到控制飞行器的飞行姿态的目的。程序流程图如图三。
2.1.4薄铁片拾取与投放控制 根据电磁铁的通电具有磁性，断电磁性消失的原理，从A起飞时我们让单片机控制电磁铁通电，让飞行器吸取薄铁片飞向B区，到达B区后让电磁铁断电，从而投下薄铁片，让其落到B区。程序流程图如图四。
图三 图四 2.2参数计算 本系统最主要的参数计算是对MPU-6050等传感器采集的原始飞行数据进行处理。 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PID算法处理可以得到飞行器当前的飞行姿态，PID是比例,积分,微分的缩写。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,