2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（c题）
2015 年8月15 日
摘要
旋多翼自主飞行器由RL78/G13MCU板（芯片型号R5F100 LEA）,STM32单片机模块(加SD卡)，CMOS摄像头，A2212/13T新西达电机。STM32单片机输入信号到RL78/G13MCU板，启动飞行器和CMOS摄像模块，RL78/G13MCU飞控模块矫正飞行器在空中的姿态，实现悬停,前进,后退等功能，CMOS模块将拍摄的视频内容存储在STM32模块内置的SD卡里。当飞行到目的地时各模块自动停止工作。
飞行器能一键式启动，并开始航拍，从A点起飞，飞向B区，在B区降落，但不是中心，当飞行结束后，拔掉SD卡，能顺利的通过P0机回放，在飞行过程中，始终在电子示高线H1和H2的区间内。
目录
目录
1. 方案论证与比较 (4)
1.1四旋翼算法方案 (4)
1.2 STM32控制方案 (5)
1.3 CMOS视频模块方案 (5)
1.4四旋翼飞行器结构与原理理论 (6)
2理论分析与计算 (6)
2.1四旋翼飞控算法误析 (6)
2.2 PID算法误差分析 (7)
3.测试方案 (8)
3.1测试仪器 (8)
3.2 测试环境 (8)
4.测试结果 (8)
4.1.基本要求测试数据 (8)
4.2.综合性能分析结论 (9)
4.3心得体会： (9)
参考文献 (9)
附录一、总体电路原理图 (10)
附录二、主要软件程序 (11)
1. 方案论证与比较
1.1四旋翼算法方案
方案一：采用欧拉角法欧拉角法静止状态，或者总加速度只是稍微大于g 时，由加计算出的值比较准确。
使用欧拉角表示姿态，令Φ,θ和Φ代表ZYX 欧拉角，分别称为偏航角、俯仰角和横滚角 。 载体坐标系下的 加 速 度(axB,ayB,azB)和参考坐标系下的加速度(axN, ayN, azN)之间的关系可表示为(1)。其中 c 和 s 分别代表 cos 和 sin 。axB,ayB,azB 就是mpu 读出来的三个值。
这个矩阵就是三个旋转矩阵相乘得到的，因为矩阵的乘法可以表示旋转。
axB c c c s s axN ayB c s s s c c c s s s s c ayN azB s s c s c s c c s s c c azN θψθψθφψφθψφψφθψφθφψφθψ
φψφθψ
φθ-⎡⎤⎡
⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-+⎣⎦⎣⎦⎣⎦
(1)
飞行器处于静止状态，此时参考系下的加速度等于重力加速度，即
00xN yN zN a a g a ⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎣⎦⎣⎦ （2） 把（2）代入（1）可以解:
arctg θ= （3）
yB zB a arctg a φ⎛⎫
=
⎪
⎝⎭ （4）
即为初始俯仰角和横滚角，通过加速度计得到载体坐标系下的加速度即可将其解出，偏航角可以通过电子罗盘求出。
方案二：四元数法（通过处理单位采样时间内的角增量(mpu的陀螺仪得到的就是角增量)，为了避免噪声的微分放大，应该直接用角增量-------抄的书）
本项目采用的是方案一。
1.2 STM32控制方案
方案一：直接激活飞控模块（RL78/G13MCU），可以很好的与飞控进行协调，实现飞控模块的启动与停止。
方案二：使用STM32直接控制飞行器飞行。在植入的程序里包含对四旋翼的控制算法和自启动和自停止，还有视频模块的处理，但太过复杂。
本项目组结合本题相关要求。对模块之间的协调和信号的传输进行处理，决定采用项目一。
1.3 CMOS视频模块方案
通过图像传感器对实时图像的采集，得到道路的信息，对当前采集到的图像信息做出判断，从而得到道路的情况，之后通过进一步控制实现循迹功能。
本例程利用 OV7620 CMOS 摄像头模块成像 1 米外路径图像（白底一条黑线），将一帧数据转换成“0”“1” 镜像到MCU RL78/G13的RAM中。如图1.1
图像二值化存储示例。
图1.1
1.3 总体方案描述：如图1.3
图1.3
1.4四旋翼飞行器结构与原理理论
1.4.1 飞行器结构
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。
1.4.
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。
图1.4 飞行器的结构形式
2理论分析与计算
2.1四旋翼飞控算法误析
vx = 2*(q1q3 - q0q2); //四元素中xyz的 vy = 2*(q0q1 + q2q3);
vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3 ;
// error is sum of cross product between reference direction of fields and direction measured by sensors
ex = (ay*vz - az*vy) ; //向量外积在相减得到差分就是误差
ey = (az*vx - ax*vz) ;
