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基于瑞萨MCU的四旋翼自主飞行器

2016-07-04李鹏

电脑知识与技术 2016年15期
关键词:瑞萨红外线飞行器

李鹏

摘要:该设计以瑞萨MCU作为控制核心,采用四个小型迷你直流电机作为四个旋翼飞行的直接动力源,旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向,并且处于一个高度平面和四个旋翼的结构和半径都相同,采用高精度的陀螺加速度计MPU6050来控制飞行器的稳定性。整个系统主要运用到了超声波传感器、激光传感器、电磁继电器来实现该实验的设计要求和功能。通过超声波传感器可以测量飞行器距离地面的高度,通过激光传感器可以完成飞行器的循迹功能,通过电磁继电器可以控制对金属铁片的吸附和投掷功能。

关键词:瑞萨MCU;陀螺加速度计MPU6050;超声波传感器;激光传感器;电磁继电器

中图分类号:G64 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2016)15-0244-03

Abstract:Renesas design with MCU as control core, the four small mini dc motor as the power source of the four direct rotor flight,rotor symmetrically distributed on the body, before and after the four directions, and in the structure and the radius of a highly planar and four rotors are the same, the stability of the gyro accelerometer of high precision MPU6050 to control aircraft. The system is mainly applied to the ultrasonic sensor, laser sensor, electromagnetic relays to achieve the design requirements of the experiment and function. Can measure vehicle distance ground height by ultrasonic sensor, the laser sensor can complete vehicle tracking function, control the adsorption of metal iron and throwing function can be obtained by electromagnetic relay.

Key words:Renesas MCU; gyro accelerometer MPU6050;ultrasonic sensor; the laser sensor; electromagnetic relay

1 系统设计方案

本系统主要由单片机模块、蓝牙模块、传感器模块、超声波模块、电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 控制器模块的论证与选择

方案一:采用51系列单片机,51单片机是比较常用的8位单片机,MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理,开发简单,价格低廉,通用性好,但是处理速度不快,12个摆荡周期才执行一个周期指令,并且耗电比较大且抗干扰能力不是很强。

方案二:采用超低功耗单片机MSP430,MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用精简指令集结构,具有丰富的寻址方式;高效的查表处理指令,运算速度快;但是其工作电压偏低,1.8V—3.6V,对于很多5V的系统来说接口电路颇为麻烦。

方案三:采用瑞萨MCU,瑞萨MCU是一种质量轻,引脚多,比较适合于控制多路选择性接口的单片机,还可以根据用户的设计要求来自动生成所需代码。

综合以上三种方案,由于四轴飞行器需要一个质量轻、能产生多路输出功能的单片机,而且所选MCU可以很方便、快捷的编写程序来控制飞行器稳定的算法代码,所以选择方案三作为控制四轴飞行器的主控芯片。

1.2 传感器模块的论证与选择

1)测距传感器模块

方案一:采用超声波测距传感器,超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器,其方向性好,且对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中。还有就是超声波传感器应用起来原理简单,可测距离,受温度影响小,较稳定,也很方便,成本也很低。

方案二:采用激光测距传感器,激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强。

方案三:采用红外线测距传感器,红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,红外线又称红外光,它具有反射、折射等性质,任何物质,只要它本身有一定的温度(高于绝零度)都能辐射红外线,但是其传感器受光的影响大,不可长距离测距。

综合以上三种方案,由于该四轴飞行器需要具备灵敏度高、测距范围大、误差小等优点的测距方案,所以选择方案一超声波传感器来测量飞行器距离地面的高度。

2)循迹传感器模块

方案一:采用红外线传感器,红外线传感器可通过电位器调节,具有干扰小,便于装配,使用性广,价格低廉。但是在使用红外线传感器时候其测试距离短,反应不灵敏。

方案二:采用激光传感器,激光传感器可以有效地控制激光的照射距离,检测距离远,处理速度快,灵敏度精确性高安装方便、稳定性好且可内调焦。但是在使用激光传感器之前还要进行必要的调制,调制过程略微麻烦。

综合以上两种方案,选择方案二。

2 系统分析与论证

2.1 系统总体设计

系统总体设计如图1所示:

2.2 理论分析与设计

1)垂直升降与悬停

如图2所示,当飞行器的四个桨翼等速度旋转,各桨产生的升力相等,总升力大于或者小于自身重力时,飞行器实现垂直升降;等于自身重力时,实现悬停。

2)飞行器的转向

如图3所示,同一对角线上的桨翼转速相同,不同对角线上的桨翼转速不同时,由于反扭矩不能相互抵消,从而实现飞行器的转向。

3)飞行器的左右侧移

如图4所示飞行器的左边两桨低于右边两桨转速时,左边两桨产生的总升力小于右边两桨产生的总升力,飞行器向左侧移;一样的道理,飞行器也可使向右侧移。

2.3 电路与程序设计

1)系统组成

系统主要由单片机模块、蓝牙模块、传感器模块、超声波模块、电源模块组成。四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置,通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以瑞萨MCU为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞

行模态的控制要求。

2)电路原理图

通过R5F100LEAG的四个IO端口来控制四路电机的运转情况如图5所示。

3)程序流程图

主程序流程图

3 测试方案与测试结果

3.1 测试方案

1)硬件测试;2)软件仿真测试;3)硬件软件联调。

3.2 测试条件与仪器

测试条件:检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。

测试仪器:高精度的数字毫伏表,模拟示波器,数字示波器,数字万用表。

3.3 测试结果

第一步:当一键式启动按钮按下时,原来静止在A区域内的四轴飞行器开始加速上升。随着安装在该飞行器上的超声波传感器反馈的飞行高度值达到40cm时,开始悬停在当前位置,与此同时,激光传感器开始循迹,并通过地上的黑线来控制着飞行器的飞行方向水平匀速飞行。虽然该飞行器飞行过程中四轴螺旋翼出现了轻微的摆动,但是高度的起伏数值基本上稳定在±2cm范围内,还是比较平稳的降落到B区域内。

第二步:当一键式启动按钮按下后,已飞行到B区域内的四轴飞行器开始加速上升(照之前的程序)随着安装在该飞行器上的超声波反馈二屌飞行高度值达到40cm悬停,同时激光传感器开始循迹,并按照原来的路线(地面上的黑线)控制着飞行器水平匀速飞行。高度的起伏数值也一样稳定在±2cm范围内,较稳定的回到A区。

第三步: 当一键式启动按钮按下后,飞行器拾起薄铁片从A区域的指定位置沿倾斜面飞行。在超声波测距传感器和激光循迹传感器的信息反馈下,飞行器先是加速飞行至一米示高线位置处,然后斜抛被电磁继电器吸附着的薄铁片后,再从示高线位置减速返回至出发点,并把薄铁片准确的投掷到B区域内,完成了该部分实验的基本要求。

4 总结

在整个设计制作的过程中,笔者始终关注系统的性能指标和最终运行结果的误差,本着稳定性和精确性并重的原则,笔者采取了诸多有效措施,对一些参数误差较大的笔者进行了多次调试和修改,最终完成了此次设计。这让我们明白了只有对问题进行详细的分析才能在整体上保障设计的准确性 、合理性。

参考文献:

[1] 孙肖子. 电子设计指南[M].北京:高等教育出版社,2006:126-170.

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