1系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由總控制模塊、飛行控制模塊、超聲波測距模塊、無線信號發(fā)射接收模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1 控制系統(tǒng)的選擇

按照本次賽題要求，控制系統(tǒng)芯片選用瑞薩RX23T MCU作為主控芯片來采集信號以及控制飛行器飛行姿態(tài)與方向。

1.2 飛行姿態(tài)控制的論證與選擇

方案一：

瑞薩芯片將從MPU-6050中讀取出來的飛行原始數據進行PID算法運算，得到當前飛行器的四元數，單片機再將數據融合，并對電調發(fā)出相應指令，從而達到控制飛行器的飛行姿態(tài)的目的。但四元數法需要進行大量的運算，且運算復雜。而且比賽時間緊迫，調試程序復雜且困難。

方案二：

采用市面上現有的QQ、KK等商用飛控板進行飛行姿態(tài)穩(wěn)定的控制，再由瑞薩芯片給與干預來達到想要的飛行方案。但由于這些飛控不開源且干預所需要的波形復雜不可模仿，對設計和調試都是巨大的挑戰(zhàn)，且穩(wěn)定性較差。

方案三：

采用市面上現有的飛控中的傳感器集成部分與比較熟悉的STM32單片機最小系統(tǒng)相結合，利用飛控傳感器模塊的多面性和STM32強大的抗干擾性與兼容性自制飛控模塊，再利用瑞薩芯片對STM32進行干預來實現比較穩(wěn)定簡便的飛行控制。

綜合以上三種方案，選擇方案三。

1.3 高度測量模塊的論證與選擇

方案一：

采用bmp085氣壓傳感器測量大氣壓并轉換為海拔高度，把當前的海拔測量值減去起飛時的海拔值即得飛機的離地高度。但此次競賽飛行高度相對比較低，芯片價格較貴，誤差較大，調試較為困難。

方案二：

采用HC-SR04超聲波傳感器測量飛行器當前的飛行高度。這種傳感器在較近距離測距誤差較小，算法較易且價格便宜。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

1.4 電機及調速方案的論證與選擇

要確定調速方案首先要確定電機型號的選擇。

方案一：

采用有刷電機。有刷電機采用機械轉向，壽命短，噪聲大，產生電火花，效率低。它長期使用碳刷磨損嚴重，較易損壞，同時磨損產生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機噪聲進一步增大。有刷電機連續(xù)使用一定時間就需更換電機內碳刷。

方案二：

采用無刷電機。無刷電機以電子轉向取代機械轉向。無機械摩擦，無摩擦，無電火花，免維護且能做到更加密封等特點所以技術上要優(yōu)于有刷電機。

綜合以上兩種方案，選擇使用方案二無刷電機。

考慮到經濟型實用性等方面，我們選用新西達A2212無刷電機。而且由于本四旋翼飛行器選用的是無刷電機，所以電調只能選用無刷電機的電調，對于新手來說自己做電調需要的時間長，而且可能不穩(wěn)定，危險性較大，所以直接用的是成品電調，我們選用電機配套的新西達A2212電調。由此確定調速方案。

1.5 無線信號發(fā)射與接收模塊的論證與選擇

方案一：

采用藍牙模塊來進行無線配對通信，將兩個配對完成的藍牙模塊分別接在小車與飛行器的單片機上進行數據配對傳輸，但是藍牙模塊抗干擾性較差，傳輸速度略慢，傳輸信息量大，編輯代碼較為復雜，調試麻煩。

方案二：

采用超外差RF無線編碼模塊TX118SA來進行無線信號發(fā)射，利用RX480E通用解碼芯片進行信號接收，這兩個傳感器不僅價格低廉，且在近距離信號傳輸時抗干擾性較強，對碼等調試較為簡易。

綜合兩種方案我們選用第二種進行小車與飛行器之間的配對與信號傳輸。

2系統(tǒng)理論分析與計算

2.1控制方案的設計與分析

2.1.1 飛行器起飛及懸停方案設計

由于題目中要求起飛懸停降落都要控制在一個直徑為75CM的圓圈內，且本次材料清單中沒有關于紅外避障或尋跡傳感器的選用，因此只能在客觀條件允許的條件下盡量保證飛機能穩(wěn)定起飛穩(wěn)定降落，因而我們決定在超聲波傳感器測定與地面距離小于1.2m時瑞薩芯片會將信號傳遞給STM32飛控來使得調速四個電機加速啟動讓飛機得以起飛，且起飛過程中截取飛控傳感器模塊中的MPU6050會將姿態(tài)角傳給STM32飛控中，飛控會自動調整PWM輸出的占空比達到調速使得起飛過程盡可能平穩(wěn)，在超聲波傳感器測得飛行高度達到1.2m至1.6m之間時瑞薩發(fā)出PWM波使得飛控開始讓電機減速，在加速度傳感器輸出趨近于0時飛機基本實現平穩(wěn)懸停。

2.1.2 飛行姿態(tài)控制設計

飛行器在懸停的時，MPU6050會不斷將現有姿態(tài)角數據傳輸給STM32飛控中，飛控會自動代入PID調試公式來確定現有的飛行姿態(tài)并給予調整來盡量保證飛機姿態(tài)的穩(wěn)定。

2.1.3 飛行高度控制

飛行高度的采集采用超聲波模塊來實現，通過超聲波發(fā)出時開始計時，收到返回信號時停止計時，瑞薩單片機利用聲音在空氣中的傳播速度（粗記為340m/s）與時間的數學關系來計算出飛行器距地面的時間，從而控制飛行器的飛行高度達到我們所需的高度。

2.1.4 小車與飛行器聯(lián)動設計

小車與飛行器之間采用TX118SA無線信號發(fā)射接收傳感器來進行通訊連接，位于飛行器上的接收端可以接收到來自小車上發(fā)射端的信號來進行平面定位操作，再由瑞薩芯片發(fā)出指令來控制飛行器和小車控制在一定距離從而達到跟隨。

2.2 參數的計算

2.2.1 飛行穩(wěn)定的PID計算

STM32最小系統(tǒng)板從飛控傳感器模塊中的MPU-6050芯片獲取的數據是飛行器的三軸角速度和三軸角加速度，MCU對數據進行PID算法處理可以得到飛行器當前的飛行姿態(tài)。PID是比例、積分、微分的縮寫。比例調節(jié)是按比例反應系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現了偏差,比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調節(jié)是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。因為有誤差,積分調節(jié)就進行,直至無差,積分調節(jié)停止,積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合,組成PI調節(jié)器或PID調節(jié)器。幾者結合從而保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定。

2.2.2 高度控制的PID計算

超聲波測距傳感器能測量出發(fā)出聲波到接收到聲波之間的時間長度，設這個值為X，則X/340/2即為所測量距離的長度，將這個經計算所得的值與所需要的高度進行對比，在對STM32進行反饋從而實現調速定高，來達到控制飛行高度的目的。

2.2.3 聲光聯(lián)動的參數設定

TX118SA發(fā)射器和接收器之間信號傳輸時間為聲波在兩者之間傳遞時間，與聲速相除可測出之間距離，在距離到達所要求0.5m~1.5m之間時，二極管所在端口輸出高電平達到讓二極管發(fā)光，同時揚聲器所在端口輸出高頻PWM波以達到讓揚聲器發(fā)出尖銳聲音的效果從而達到聲光聯(lián)動。