B题四旋翼自主飞行器(题目解析)

©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.2013年NUEDC命题及解题思路分享四旋翼自主飞行器（B题）瑞萨电子（中国）有限公司©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.内容B题整体情况解题思路分享瑞萨电子介绍2B题整体情况33©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.背景控制类小车题连续三届：电动车跷跷板（2007年），声音引导系统（2009年），智能小车（2011年）上手门槛低，选题率超过30%考核知识点：传感器，马达驱动与控制，控制算法（PID)小车技术相关培训，相关技术掌握炉火纯青新的要求，与时俱进技术进步，电子技术的发展，同学能力的提高专家主导，面向新应用，新领域，新技术，新器件2D-3D4©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.四旋翼飞行器（1/2）应用背景微小型无人机已经成为全世界航天领域研究的重要方向之一勘探、搜救、航拍、侦察和监视国际相关研究已达到极高水平四旋翼飞行器弹钢琴四旋翼飞行器倒立摆打乒乓球让身边的小物件飞起来5©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.四旋翼飞行器（2/2）国内部分学校开始涉及空中机器人大赛（2013年题目：机器人空中反恐）创新课程2012安徽省赛（E题：自动平衡悬浮平台）资源获取基本原理，控制方法等参考资料丰富国内四旋翼飞行器航模市场成熟6©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.必要的调查及验证飞行器相关技术飞行器在学校中的普及程度相关技术的参考资料是否充足，易获得当前飞行器航模市场模型尺寸电机式样电池参数续航时间载重价格，供货期统一MCU平台相应的资源是否满足飞行器需求上手时间相关传感器种类价格，购买，供货7©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.题目要点题目要求基本要求，起飞就给分发挥部分，高度控制，往返要求自主飞行不得使用遥控器，杜绝人为因素统一MCU平台杜绝成品飞控板，保证技术层面的竞争杜绝利用开源软硬件的直接使用降低第三方公司介入可能提前下发飞行器外观50cm×50cm，市场上主流机架的适应带防护圈，保证安全电池更换8©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.知识点及相关技术，能力考核电机控制与调速DC电机，BLDC电机驱动强化了PID调节知识点的考核（姿态控制：俯仰，翻滚，偏航三通道PID调节相关传感器应用三轴绝对方向检测三轴角度变化检测高度检测线路检测以MCU为核心的软硬件系统综合运用系统设计能力硬件抗干扰软件滤波新MCU的上手新知识学习运用9©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.完成情况（1/2）选题情况选题率10.2%，715队有相关知识背景，也有元器件及设备清单发布后短期速成完成情况不完全统计–近一半队没能实现稳定成功起飞–只能起飞离地32%–能完成基本要求，大部分发挥部分也能得分–完成基本要求及部分发挥部分的占17%10一插电就发神经只能起飞离地完成基本要求基本+发挥17%3%32%48%©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.完成情况（2/2）完成情况飞行模式–“愤怒的小鸟”式飞行，有往无返，无路径检测–稳定低空飞行，低空往返–成功往返飞越一米线稳定性不高–系统抗干扰–电池电压–场地平整自适应违规情况–使用成品飞控–使用遥控器–没有防护圈11©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.优秀作品12©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.成果与反思主要成果成功引导学校及同学在新领域，新应用，新技术的研究来自学校的反应：开展校内专题竞赛来自同学的心声–竞赛结束了，还要继续飞–把四旋翼飞行器作为毕业设计来研究–完善作品，在BBS上晒方案，交流心得来自航模发烧友的意见：定点，定高，自主飞行，作为新课题来研究几点反思题目偏难，选题策略安全–迫降措施–调试场地–飞行器尺寸统一芯片下发13解题思路分享1414©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.四旋翼飞行器动力学原理旋翼结构：1和3号桨为反桨，逆时针旋转，2和4号桨为正桨顺时针旋转。通过四个桨的旋转力矩大小可以控制飞行器的升降和前进后退以及旋转等动作。姿态调整15运行趋势浆叶力矩X轴正向1↑4↑2↓3↓X轴反向2↑3↑1↓4↓Y轴正向3↑4↑1↓2↓Y轴反向1↑2↑3↓4↓Z轴正向2↑4↑1↓3↓Z轴反向1↑3↑2↓4↓*X飞行为例1423xyz©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.四旋翼飞行器结构选择BLDC电机购买成品飞行器，改装飞行控制部分购买机架，电机等配件，组装空心杯电机购买成品飞行器，改装飞行控制部分自行设计机架16©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.导航控制通过传感器检测，反馈位置巡线：摄像头高度：超声波开环A区，B区位置固定要求飞行器姿态控制稳定，累计误差小17©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.姿态控制通过传感器获取飞行器空中姿态三轴绝对方向检测：加速度传感器三轴角度变化检测：角速度传感器数据融合算法，姿态计算（四元数，欧拉角计算）俯仰，翻滚，偏航三通道PID18俯仰角度期望值俯仰角度当前值PID4通道PWM姿态计算俯仰角调整翻滚角调整偏航角调整-+©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.系统框图19MCU绝对方向检测（三轴加速度传器）角度变化检测（三轴陀螺仪）高度检测（超声波传感器）巡线（摄像头）电池电压检测按键检测遥控模块驱动驱动驱动驱动M2M3M4M1电池稳压电磁铁©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.系统结构-关键点说明电源的处理MCU及周边电路供电要有稳压滤波措施MCU与周边模块，传感器统一电平Reset的处理电磁铁电路电池电压的检测，开环导航必要MCU资源4chPWMUART,SPI,IIC运算能力–内置乘除法及乘加运算单元–双MCU结构内置振荡器精度加速度传感器及陀螺仪的安装及校准遥控装置，用于调试及迫降20©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.软件姿态控制开元软件的移植–了解基本原理，流程–底层驱动，PWM、IIC/SPI等–主频的区别导致事件调度的调整PID调整导航控制摄像头激光其他按键遥控电磁铁电池检测21©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.PID调整22先将三个轴的I和D参数设置为0，P参数设置为1。用手拿着飞控，然后慢慢增大油门，当螺旋桨旋转后，左右前后慢慢晃动飞控，如果能感到飞控会产生相反的力矩，说明程序流程基本没有问题。P参数调整，先将三个轴的I和D参数设置为0，P参数设置为1。将飞控放到地上，然后慢慢增大油门，开始飞控可能会先倾斜再翻转，这时就增加P参数，直到飞控在原地左右上下摆动。I参数调整，调整完P参数后，开始增加I参数，这时会看到飞控摆动幅度会减小，如果P参数调完后摆动已经很小可以忽略这一步。D参数调整，调整完P和I参数后，飞控基本可以飞稳，但是如果在飞行中碰到东西会很快失控，这时可以调整D参数，调整完后会发现飞控稳定性大幅度提高。1234©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.飞行录像23瑞萨电子介绍2424©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.25公司的起源瑞萨电子株式会社（TSE：6723），是全球首屈一指的微控制器供应商和高级半导体解决方案的首选供应商，产品包括微控制器、SoC解决方案和各种模拟与功率器件。2010年4月，NEC电子公司（TSE：6723）和株式会社瑞萨科技合并成立了瑞萨电子株式会社;总部设在日本，在全球20多个国家均设有分公司。©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.26瑞萨电子公司概要瑞萨电子株式会社RenesasElectronicsCorporation2002年11月1日以NEC电子（株）的名称开始营业2010年4月1日以瑞萨电子（株）的名称开始营业董事会主席兼CEO作田久男董事长兼总经理兼COO鹤丸哲哉从事半导体相关的研究、开发、设计、生产、销售及服务等日本神奈川县川崎市中原区下沼部1753号邮编：211-8668日本东京都千代田区大手町2-6-2日本大厦邮编：100-000433,840人（截至2013年3月31日）公司名称成立日期法人代表经营范围总部注册地址总部办公楼注册资金销售额员工人数证券交易所东京证券交易所第一部（2003年7月24日上市，TSE：6723）://japan.renesas.com公司网站1,532亿日元（约16亿US$）7,858亿日元（约81.7亿US$)（截至2013年3月31日）©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.27瑞萨电子提供解决方案贡献智能社会利用我们强大的微控制器、模拟与功率器件、SoC产品相辅相成，实现能为人们的生活带来方便、安全、节能的智能社会。©2013RenesasElectronics(China)Co.,Ltd.Allrightsreserved.全球半导体市场排名1234791210811Supplier2012Revenue(MUS$)2012Share2012RankSource:IHSiSuppli“Annual2012SemiconductorMarketShare”Intel47,420SamsungElectronics31,264Qualcomm13,177TexasInstruments12,035Toshiba11,131RenesasElectonics9,236Hynix8,970ST