基于瑞薩MCU的四旋翼自主飛行器

李鵬

摘要：該設(shè)計(jì)以瑞薩MCU作為控制核心，采用四個(gè)小型迷你直流電機(jī)作為四個(gè)旋翼飛行的直接動(dòng)力源，旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，并且處于一個(gè)高度平面和四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，采用高精度的陀螺加速度計(jì)MPU6050來(lái)控制飛行器的穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)主要運(yùn)用到了超聲波傳感器、激光傳感器、電磁繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求和功能。通過(guò)超聲波傳感器可以測(cè)量飛行器距離地面的高度，通過(guò)激光傳感器可以完成飛行器的循跡功能，通過(guò)電磁繼電器可以控制對(duì)金屬鐵片的吸附和投擲功能。

關(guān)鍵詞：瑞薩MCU；陀螺加速度計(jì)MPU6050；超聲波傳感器；激光傳感器；電磁繼電器

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊、傳感器模塊、超聲波模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1.1 控制器模塊的論證與選擇

方案一：采用51系列單片機(jī)，51單片機(jī)是比較常用的8位單片機(jī)，MCS-51以其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理，開發(fā)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，通用性好，但是處理速度不快，12個(gè)擺蕩周期才執(zhí)行一個(gè)周期指令，并且耗電比較大且抗干擾能力不是很強(qiáng)。

方案二：采用超低功耗單片機(jī)MSP430，MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式；高效的查表處理指令，運(yùn)算速度快；但是其工作電壓偏低，1.8V—3.6V，對(duì)于很多5V的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)接口電路頗為麻煩。

方案三：采用瑞薩MCU，瑞薩MCU是一種質(zhì)量輕，引腳多，比較適合于控制多路選擇性接口的單片機(jī)，還可以根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)要求來(lái)自動(dòng)生成所需代碼。

綜合以上三種方案，由于四軸飛行器需要一個(gè)質(zhì)量輕、能產(chǎn)生多路輸出功能的單片機(jī)，而且所選MCU可以很方便、快捷的編寫程序來(lái)控制飛行器穩(wěn)定的算法代碼，所以選擇方案三作為控制四軸飛行器的主控芯片。

1.2 傳感器模塊的論證與選擇

1）測(cè)距傳感器模塊

方案一：采用超聲波測(cè)距傳感器，超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，其方向性好，且對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中。還有就是超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，可測(cè)距離，受溫度影響小，較穩(wěn)定，也很方便，成本也很低。

方案二：采用激光測(cè)距傳感器，激光傳感器工作時(shí)，先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)。

方案三：采用紅外線測(cè)距傳感器，紅外線傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射等性質(zhì)，任何物質(zhì)，只要它本身有一定的溫度（高于絕零度）都能輻射紅外線，但是其傳感器受光的影響大，不可長(zhǎng)距離測(cè)距。

綜合以上三種方案，由于該四軸飛行器需要具備靈敏度高、測(cè)距范圍大、誤差小等優(yōu)點(diǎn)的測(cè)距方案，所以選擇方案一超聲波傳感器來(lái)測(cè)量飛行器距離地面的高度。

2）循跡傳感器模塊

方案一：采用紅外線傳感器，紅外線傳感器可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)，具有干擾小，便于裝配，使用性廣，價(jià)格低廉。但是在使用紅外線傳感器時(shí)候其測(cè)試距離短，反應(yīng)不靈敏。

方案二：采用激光傳感器，激光傳感器可以有效地控制激光的照射距離，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，處理速度快，靈敏度精確性高安裝方便、穩(wěn)定性好且可內(nèi)調(diào)焦。但是在使用激光傳感器之前還要進(jìn)行必要的調(diào)制，調(diào)制過(guò)程略微麻煩。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

2 系統(tǒng)分析與論證

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示：

2.2 理論分析與設(shè)計(jì)

1）垂直升降與懸停

如圖2所示，當(dāng)飛行器的四個(gè)槳翼等速度旋轉(zhuǎn)，各槳產(chǎn)生的升力相等，總升力大于或者小于自身重力時(shí)，飛行器實(shí)現(xiàn)垂直升降；等于自身重力時(shí)，實(shí)現(xiàn)懸停。

2）飛行器的轉(zhuǎn)向

如圖3所示，同一對(duì)角線上的槳翼轉(zhuǎn)速相同，不同對(duì)角線上的槳翼轉(zhuǎn)速不同時(shí)，由于反扭矩不能相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的轉(zhuǎn)向。

3）飛行器的左右側(cè)移

如圖4所示飛行器的左邊兩槳低于右邊兩槳轉(zhuǎn)速時(shí)，左邊兩槳產(chǎn)生的總升力小于右邊兩槳產(chǎn)生的總升力，飛行器向左側(cè)移；一樣的道理，飛行器也可使向右側(cè)移。

2.3 電路與程序設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊、傳感器模塊、超聲波模塊、電源模塊組成。四旋翼微型飛行器是一種以4個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制飛行的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；為了實(shí)現(xiàn)四旋翼微型飛行器的自主飛行控制，對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，并且以瑞薩MCU為計(jì)算控制單元，給出了飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，研究了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)；由于采用貼片封裝和低功耗的元器件，使飛行器具有重量輕、體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)；經(jīng)過(guò)多次室內(nèi)試驗(yàn)，硬件設(shè)計(jì)性能可靠，能滿足飛行器起飛、懸停、降落等飛

行模態(tài)的控制要求。

2）電路原理圖

通過(guò)R5F100LEAG的四個(gè)IO端口來(lái)控制四路電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況如圖5所示。

3）程序流程圖

主程序流程圖

3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試方案

1）硬件測(cè)試；2）軟件仿真測(cè)試；3）硬件軟件聯(lián)調(diào)。

3.2 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。

測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表。

3.3 測(cè)試結(jié)果

第一步：當(dāng)一鍵式啟動(dòng)按鈕按下時(shí)，原來(lái)靜止在A區(qū)域內(nèi)的四軸飛行器開始加速上升。隨著安裝在該飛行器上的超聲波傳感器反饋的飛行高度值達(dá)到40cm時(shí)，開始懸停在當(dāng)前位置，與此同時(shí)，激光傳感器開始循跡，并通過(guò)地上的黑線來(lái)控制著飛行器的飛行方向水平勻速飛行。雖然該飛行器飛行過(guò)程中四軸螺旋翼出現(xiàn)了輕微的擺動(dòng)，但是高度的起伏數(shù)值基本上穩(wěn)定在±2cm范圍內(nèi)，還是比較平穩(wěn)的降落到B區(qū)域內(nèi)。

第二步：當(dāng)一鍵式啟動(dòng)按鈕按下后，已飛行到B區(qū)域內(nèi)的四軸飛行器開始加速上升（照之前的程序）隨著安裝在該飛行器上的超聲波反饋二屌飛行高度值達(dá)到40cm懸停，同時(shí)激光傳感器開始循跡，并按照原來(lái)的路線（地面上的黑線）控制著飛行器水平勻速飛行。高度的起伏數(shù)值也一樣穩(wěn)定在±2cm范圍內(nèi)，較穩(wěn)定的回到A區(qū)。

第三步： 當(dāng)一鍵式啟動(dòng)按鈕按下后，飛行器拾起薄鐵片從A區(qū)域的指定位置沿傾斜面飛行。在超聲波測(cè)距傳感器和激光循跡傳感器的信息反饋下，飛行器先是加速飛行至一米示高線位置處，然后斜拋被電磁繼電器吸附著的薄鐵片后，再?gòu)氖靖呔€位置減速返回至出發(fā)點(diǎn)，并把薄鐵片準(zhǔn)確的投擲到B區(qū)域內(nèi)，完成了該部分實(shí)驗(yàn)的基本要求。

4 總結(jié)

在整個(gè)設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中，筆者始終關(guān)注系統(tǒng)的性能指標(biāo)和最終運(yùn)行結(jié)果的誤差，本著穩(wěn)定性和精確性并重的原則，筆者采取了諸多有效措施，對(duì)一些參數(shù)誤差較大的筆者進(jìn)行了多次調(diào)試和修改，最終完成了此次設(shè)計(jì)。這讓我們明白了只有對(duì)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析才能在整體上保障設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性 、合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫肖子. 電子設(shè)計(jì)指南[M].北京：高等教育出版社，2006：126-170.