飞行器小蜜蜂四轴养成计划

本文论述了四旋翼飞行器的设计思路和制作过程，采用R5F100LEA作为多旋翼飞行器系统的数据处理及导航的。使用STM32F407作为飞行器的飞行控制板控制，以两片单片机协同工作的方式完成定高循迹飞行任务。使用STM32F4O7MPU9150的加速度和角速度数据，用四元数法计PIDPID度与期望高度的差值为零，实现固定高度悬停。使用瑞萨R5F100LEA处理UART2STM32F407：四旋翼飞行器，头与红外结合循迹，超声波定高，PID姿态 一、系统方 1、飞行方式的论证与选 2、姿态控制模块的论证与选 3、定高模块的论证与选 4、指引线检测模块的论证与选 5、电机的论证与选 6、航拍模块的论证与选 7、简易示高装置示高线光源的论证与选 8、铁片拾取方式的论证与选 二、系统理论分析与计 1、多旋翼飞行器的动力学模 2、PID控制算法结构分 3、利用瑞萨R5F100LEA进行导航的算 三、电路与程序设 1、电路的设 系统总体框 （2）头循迹电路的设计子系统框图与电路原理 电 2、程序的设 程序功能描述与设计思 程序流程 四、测试方案与1、测试方 2、测试条件与仪 3、及分 （1）(数据 测试分析与结 五、结论与心 六、参考文 附录1：电路原理 附录2：源程 多旋翼自主飞行器（C题【本科组1、飞行方式的论证与选XX字的方式排列，调整的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，可以花样飞综合以上两种方案，选择了方案二2、姿态模块的论证与选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MPU91503-5V。由于在MPU6050模块的基础上集成了电子罗盘ak8975，可以在飞行器飞行过程中结合3、定高模块的论证与选GY-63MS5611-01BA03高精度气压传感器模块。MS5611气压传感器是由MEAS（）推出的一款SPI和I²C总线接口的新一代高分辨率气24位Σ模数转换器（工厂校准系数。US-1002cm~4.5m的非接触测距功能，较MS56112.4~5.5V的宽电压输入范围，静态2mAGPIO，串口等多种4、指引线模块的CCD图像传感器。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、、传输、处理和复现。其显著特点是：1体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与，性能稳定，长。缺点是受光线影响较大，且每次只能获红外传感器。E18-D80NK-N是一种集发射与接收于一体的光电传感器发射光经过OV7620头模块。OV7620是一款CMOS头器件，是一款彩色/黑白CMOS型图像集成，提供高性能的单一小体积封装，该器件分辨率可以达到640X48030帧。OV7620可以对图像进行硬件二值化，使用瑞萨R5F100LEA对二值化后的数据进行，再对赛道元素进行识别，实现循迹功能。使用头模块具有较高的前瞻性，检测精度高。5、电机的论证与选方案一刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，适用于对功率重量比敏感的用途，同时增强了电机的可靠性。6、航拍模块的论使用瑞萨R5F100LEAOV7620的灰度值图像数据，再写入SD卡。此方案体积小，使用小蚁运动相机。小蚁运动相机自带SD卡槽，航拍的可以直接存入SD卡，提取方7、简易示高装置度低，方向性差，且检测距离短，40cm，用红外传感器会产生较大误差。8、铁片拾取方式的论证与选BMCUB1、多旋翼飞行器的动力学模xu4(sincoscossinsin)/yu(sincossinsincos)/ z(u4cossinmg)/ ul/ u2l/

/其中，wxyz为四元数参数,ROL、PIT、YAW为欧拉角参数。为四旋翼飞行在导航坐标系下的线位移，为运动加速度，m为飞行器质量，l为旋翼面中心四旋翼飞行器质心的距离，为轴向惯性主矩。该动力学模型对四旋翼飞行2、PID控制算法结构分给给3、利用瑞萨R5F100LEA进行导航的算使用OV7620头取得指引线的图像数据，利用瑞萨R5F100LEA将图像二偏差。飞行控制器得到偏差后作出反应，进行位置负反馈PID调节，使指引线中心线1、电路的设系统总体框航向偏飞行高1航向偏飞行高1234姿态检高度检存到SDR5F100ESTM32F407制PID（2）头循迹电路子系统框图与电路原理采用 头模块OV7620搭配FIFO模块AL422与R5F100LEA引脚连接如下CMOS头搭配FIFO模块，有效解决了头与单片机之间的数据不同步电12V5VR5F100LEASTM32F407飞行控制板2、程序的设程序功能描述与设计思第一部分是姿态控制部分，利用飞行控制板IIC接口与MPU9150模块通讯，接收姿态角，利用角速度PID控制和角度PID控制的串级PID控制算法解算出相应电机的调整量，调整输出，使飞行器姿态平衡。R5F100LESTM32F407高度，再调整油门的输出，使飞行器稳定在规定的高度。程序流程NY四、测试方案与1、测常。将OV7620的二值化图像通过瑞萨单片机的UART0端口传回上位机，查看数在片上调试时设置断点，查看到的MPU9150的数据是否正常，以及在姿态发生偏移时四个电机的输出值的变化是否准确，确保其限，以免发生翻机。调试瑞萨R5F100LE与STM32F407的串口通讯是否正常，保证瑞萨单片机的指令能先将头与瑞萨R5F100LE连接好，将头在指引线上左右移动，用串口2、测试条件与仪测试条件：在飞行场地进行多次飞试到达目的地的时间和偏离目的地的情况3、及分（1）(数据沿直线飞行的测试数据（1沿矩形框飞行的测试数据（123456测试分析与根据上述测试数据，飞行高度较低时，由于头窗口较小，的图像范围太小，而飞行器的调整幅度大，使头移除轨道而拍不到指引线，最终导致飞丢，无法循迹。飞行高度较高时，头的焦距无法自动调节，拍出的图像不清晰，无法准所以最终决定将飞行高度定在35cm~40cm之间。由于头的缺陷，我们决定增8128点拿到题目要求后，我们奋战了四天三夜，终于完成了题目要求。不稳定系统的控制过程中，学习了图像处理，PID控制等知识，自己的程序设计和动 .C语言程序设计[M].: 四轴飞行器-百科，自由的百科全书 ,四旋翼飞行器自动驾驶仪设计[M].航空航天大学 ,四旋翼飞行器控制系统设计[M].哈尔滨工业大学 ,四旋翼无人直升机先进飞行控制方法及实现研究[M].航空航天大 ,三自由度飞行器模型的模糊PID控制研究[M].东学 ,小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[M].交通大学网易数码谷歌ProjectTango项目：飞行器在室内也能准确飞往目标位 SebastianO.H.Madgwick,AndrewJ.L.Harrison,RaviVaidyanathan.EstimationofIMUandMARGorientationusingagradientdescentalgorithm[J].IEEEInternationalConferenceonRehabilitationRobotics.2011.MarkEuston,PaulCoote,RobertMahony,JonghyukKimandTarekHamel.AComplementaryFilter InternationalConferenceonInligentRobotsandSystems.2008.1.图 头循迹模块电路voidCTRL_1(float{xyz_f_tEXP_LPF_TMP.x=MAX_CTRL_ASPEED*(ctrl_2.out.x/ANGLE_TO_MAX_AS);//*((CH_filter[0])/500.0f);//EXP_LPF_TMP.y=MAX_CTRL_ASPEED*(ctrl_2.out.y/ANGLE_TO_MAX_AS);//*((CH_filter[1])/500.0f);//EXP_LPF_TMP.z=MAX_CTRL_ASPEED*(ctrl_2.out.z/ANGLE_TO_MAX_AS);except_AS.x=EXP_LPF_TMP.x;//20*3.14*T*(EXP_LPF_TMP.x-except_AS.x);//except_AS.y=EXP_LPF_TMP.y;//20*3.14*T*(EXP_LPF_TMP.y-except_AS.y);//except_AS.z=EXP_LPF_TMP.z;//20*3.14*T*(EXP_LPF_TMP.z-except_AS.z);//except_AS.x=LIMIT(except_AS.x,-MAX_CTRL_ASPEED,MAX_CTRL_ASPEED);except_AS.y=LIMIT(except_AS.y,-MAX_CTRL_ASPEED,MAX_CTRL_ASPEED);except_AS.z=LIMIT(except_AS.z,-MAX_CTRL_ASPEED,MAX_CTRL_ASPEED);ctrl_1.damp.x=(mpu6050.Gyro_deg.x-g_old[A_X])*(0.002f/T);//ctrl_1.PID[PIDROLL].kdampctrl_1.damp.y=(-mpu6050.Gyro_deg.y-g_old[A_Y])*(0.002f/T);//ctrl_1.PID[PIDPITCH].kdamp*ctrl_1.damp.z=(-mpu6050.Gyro_deg.z-g_old[A_Z])*(0.002f/T);//ctrl_1.PID[PIDYAW].kdamp ctrl_1.err.x=(except_AS.x-mpu6050.Gyro_deg.x)*(300.0f/MAX_CTRL_ASPEED);ctrl_1.err.y=(except_AS.y+mpu6050.Gyro_deg.y)*(300.0f/MAX_CTRL_ASPEED);//-yctrl_1.err.z=(except_AS.z+mpu6050.Gyro_deg.z)*(300.0f/MAX_CTRL_ASPEED); ctrl_1.err_weight.x=ABS(ctrl_1.err.x)/MAX_CTRL_ASPEED;ctrl_1.err_weight.y=ABS(ctrl_1.err.y)/MAX_CTRL_ASPEED;ctrl_1.err_weight.z=ABS(ctrl_1.err.z)/MAX_CTRL_YAW_SPEED;ctrl_1.err_d.x=(ctrl_1.PID[PIDROLL].kd*(-10*ctrl_1.damp.x)*(0.002f/T));ctrl_1.err_d.y=(ctrl_1.PID[PIDPITCH].kd*(-10*ctrl_1.damp.y)*(0.002f/T));ctrl_1.err_d.z=(ctrl_1.PID[PIDYAW].kd*(-10*ctrl_1.damp.z)*(0.002f/T) ctrl_1.err_d.x+=40*3.14*0.002*(10*ctrl_1.PID[PIDROLL].kd*(ctrl_1.err.x-*(0.002f/T)- ctrl_1.err_d.y+=40*3.14*0.002*(10*ctrl_1.PID[PIDPITCH].kd*(ctrl_1.err.y-*(0.002f/T)- ctrl_1.err_d.z+=40*3.14*0.002*(10 *(ctrl_1.err.z-*(0.002f/T)-ctrl_1.err_i.x+=ctrl_1.PID[PIDROLL].ki*(ctrl_1.err.x-ctrl_1.damp.x)*T;ctrl_1.err_i.y+=ctrl_1.PID[PIDPITCH].ki*(ctrl_1.err.y-ctrl_1.damp.y)*T;ctrl_1.err_i.z+=ctrl_1.PID[PIDYAW].ki *(ctrl_1.err.z-ctrl_1.damp.z)*T;ctrl_1.eliminate_I.x=Thr_Weight*CTRL_1_INT_LIMIT;ctrl_1.eliminate_I.y=Thr_Weight*CTRL_1_INT_LIMIT;ctrl_1.eliminate_I.z=Thr_Weight*CTRL_1_INT_LIMITctrl_1.err_i.x=LIMIT(ctrl_1.err_i.x,-ctrl_1.eliminate_I.x,ctrl_1.eliminate_I.xctrl_1.err_i.y=LIMIT(ctrl_1.err_i.y,-ctrl_1.eliminate_I.y,ctrl_1.eliminate_I.y);ctrl_1.err_i.z=LIMIT(ctrl_1.err_i.z,-ctrl_1.eliminate_I.z,ctrl_1.eliminate_I.zctrl_1.out.x=3*(ctrl_1.FB*LIMIT((0.45f+0.55f*ctrl_2.err_weight.x),0,1)*except_AS.x+(1-ctrl_1.FB*ctrl_1.PID[PIDROLL].kp*(ctrl_1.err.x+ctrl_1.err_d.x+ctrl_1.err_i.x)ctrl_1.out.y=3*(ctrl_1.FB*LIMIT((0.45f+0.55f*ctrl_2.err_weight.y),0,1)*except_AS.y+(1-ctrl_1.FB*ctrl_1.PID[PIDPITCH].kp*(ctrl_1.err.y+ctrl_1.err_d.y+ctrl_1.err_i.y)ctrl_1.out.z=3*(ctrl_1.FB*LIMIT((0.45f+0.55f*ctrl_2.err_weight.z),0,1)*except_AS.z+(1-ctrl_1.FB *(ctrl_1.err.z+ctrl_1.err_d.z+ctrl_1.err_i.z)ctrl_1.err_old.x=ctrl_1.err.x;ctrl_1.err_old.y=ctrl_1.err.y;ctrl_1.err_old.z=g_old[A_X]=mpu6050.Gyro_deg.x;g_old[A_Y]=-mpu6050.Gyro_deg.y;g_old[A_Z]=-mpu6050.Gyro_deg.z}voidCTRL_2(float{//===========================except_A.x=MAX_CTRL_ANGLE*(my_deathzoom((CH_filter[ROL]),30)/500.0f);except_A.y=MAX_CTRL_ANGLE*(my_deathzoom((-CH_filter[PIT]),30)/500.0f);if(Thr_Low==0){except_A.z+=(s16)(MAX_CTRL_YAW_SPEED*(my_deathzoom_2((CH_filter[YAW]),50)/500.0f))*T}{except_A.z+=1*3.14*T*(Yaw-except_A.z}except_A.z=ctrl_2.err.x=To_180_degrees(ctrl_angle_offset.x+except_A.x-Roll);ctrl_2.err.y=To_180_degrees(ctrl_angle_offset.y+except_A.y-Pitch);ctrl_2.err.z=To_180_degrees(ctrl_angle_offset.z+except_A.z-Yaw ctrl_2.err_weight.x=ABS(ctrl_2.err.x)/ANGLE_TO_MAX_AS;ctrl_2.err_weight.y=ABS(ctrl_2.err.y)/ANGLE_TO_MAX_AS;ctrl_2.err_weight.z=ctrl_2.err_d.x=10*ctrl_2.PID[PIDROLL].kd*(ctrl_2.err.x-ctrl_2.err_old.x)*(0.005f/T)*(0.65f+0.35f*ctrl_2.err_weight.x);ctrl_2.err_d.y=10*ctrl_2.PID[PIDPITCH].kd*(ctrl_2.err.y-ctrl_2.err_old.y)*(0.005f/T)*(0.65f+*ctrl_2.err_weight.yctrl_2.err_d.z=10 *(ctrl_2.err.z-ctrl_2.err_old.z)*(0.005f/T)*(0.65f+*ctrl_2.err_weight.zctrl_2.err_i.x+=ctrl_2.PID[PIDROLL].ki*ctrl_2.err.x*T;ctrl_2.err_i.y+=ctrl_2.PID[PIDPITCH].ki*ctrl_2.err.y*T;ctrl_2.err_i.z+=ctrl_2.PID[PIDYAW].ki *ctrl_2.err.z*T;ctrl_2.eliminate_I.x=Thr_Weight*CTRL_2_INT_LIMIT;ctrl_2.eliminate_I.y=Thr_Weight*CTRL_2_INT_LIMIT;ctrl_2.eliminate_I.z=Thr_Weight*CTRL_2_INT_LIMIT;ctrl_2.err_i.x=LIMIT(ctrl_2.err_i.x,-ctrl_2.eliminate_I.x,ctrl_2.eliminate_I.x);ctrl_2.err_i.y=LIMIT(ctrl_2.err_i.y,-ctrl_2.eliminate_I.y,ctrl_2.eliminate_I.y);ctrl_2.err_i.z=LIMIT(ctrl_2.err_i.z,-ctrl_2.eliminate_I.z,ctrl_2.eliminate_I.z);ctrl_2.err.x=LIMIT(ctrl_2.err.x,-90,90);ctrl_2.err.y=LIMIT(ctrl_2.err.y,-90,90);ctrl_2.err.z=LIMIT(ctrl_2.err.z,-90,90ctrl_2.out.x=ctrl_2.PID[PIDROLL].kp*(ctrl_2.err.x+ctrl_2.err_d.x+ctrl_2.err_i.x);//ctrl_2.out.y=ctrl_2.PID[PIDPITCH].kp*(ctrl_2.err.y+ctrl_2.err_d.y+ctrl_2.err_i.y);ctrl_2.out.z=ctrl_2.PID[PIDYAW].kp *(ctrl_2.err.z+ctrl_2.err_d.z+ctrl_2.err_i.z);ctrl_2.err_old.x=ctrl_2.err.x;ctrl_2.err_old.y=ctrl_2.err.y;ctrl_2.err_old.z=}2.头循迹部void