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。