优秀毕业设计
2017年全国大学生电子设计竞赛试题
设计报告
四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题）
【本科组】
摘要：根据四旋翼飞行器飞行原理，首先根据设计方案采购了飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。根据系统动力学模型设计控制算法，设计控制系统控制规律，主要包括两个控制回路姿态控制回路、位置控制回路。在仿真软件平台上，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。最后，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作，最终设计出能够实现一键飞行探测跟踪的四旋翼自主飞行器。
关键词：ATMEGA2560 瑞萨R5F523T5ADFM MPU6000陀螺仪 超声传感器
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一、系统方案
根据设计任务的要求，本系统包括飞行控制模块、驱动模块、飞行导航模块、测距模块等。
1、飞行控制模块的选择
飞行控制模块是四旋翼自主飞行器的核心。按照题目要求，飞行控制模块由ATMEGA2560处理器的开发板专门实现飞行控制算法。
为了实现自主飞行探测跟踪，必须要形成控制的闭环回路，必须要有检测和反馈系统状态的传感器，包括四旋翼的姿态、经纬度、航向、高度、空速、角速率等信号。目前看来，国内外普遍应用MEMS器件来获取姿态、高度、空速、经纬度等信息。此外这中间还需要有A/D采样电路、信号调理电路对采集的电信号进行必要的转换和简单的滤波。
针对四旋翼飞行器，控制方法有PID控制、反步法、滑模控制等飞行控制算法，我们采用经典的PID控制算法。 2、驱动模块的选择
方案一：采用普通直流电机。普通直流电机有价格低廉、使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高、速度快、且质量要小，所以直流电机一般不能满足要求。
方案二：采用无刷直流电机，其具有响应速度快、较大的启动转矩，从零转速至额定转速具备可提供定转矩的性能。因系统精度较高，足够精确控制飞机的速度。
综合以上方案，采用方案二。 3、飞行导航模块的选择
方案一：惯性导航系统能在世界任何地方，不依赖环境条件，但是，惯性导航不适合在小空间内精确制导。
方案二：GPS导航可以全球定位、被动定位，安全隐蔽，无限服务，可以同时为无限数量接收机提供定位信息。但是GPS导航不适合室内环境。
方案三：红外导航比较适合小车这种速度慢且接近地面的物体，不适合我们飞行器在高度一米以上的情况下的导航。
方案四：图像导航具有隐蔽性好、自主性强、测量快速、准确、以及廉价、可靠等优点。在飞机，无人飞行器、巡航导弹等得到广泛应用。
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综合以上四种方案，我们选择方案四，图像导航实现飞行器跟踪小车。采用摄像头拍摄小车的运动情况，，从而指导飞行器前行的方向及悬停的位置。图像采集模块有OV7725照相模组完成。 4、测距模块的选择
方案一：红外测距具有便宜、易制、安全、等优点，但是精度低、距离近，方向性差。
方案二：激光测距具有精确度高和测距远的优点，但是制作难度大、成本较高，一般用于远距离测距。
方案三：超声波测距结果简单、成本低廉、等优点，经常用一般的距离的测量，如深井、管道长度等封闭场合。
综上三种方案考虑，由于飞行器在封闭空间内飞行，同时又要在一米以上的空中悬停，因此可以采用超声波测量飞行器的高度。如图（1）所示。我们采用HC - SR04超声波测距模块
图（1） HC - SR04超声波图
二、系统理论分析与计算 1、四旋翼飞行器产生基本动作的原理
四旋翼飞行器结构形式如图（2）所示，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。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴
作平移和旋转动作），这6个自由度 图 （2）四旋翼自主飞行器的结构形式
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