2014年湖南省大学生电子设计竞赛公开赛草案(征求意见稿)

2014年湖南省大学生电子设计竞赛公开赛说明2014年6月15日2014年湖南省大学生电子设计竞赛公开赛说明•设置公开赛的目的意义•本次公开赛要重点解决的问题•本次公开赛的题目•本次公开赛要注意的事宜•时间/参赛队/地点安排1.设置公开赛的目的意义•针对国赛中存在的共性问题•2013年国赛中,我省存在的共性问题是四旋翼飞行器题测试成绩严重偏低(我省测试成绩只有30分,而上海山东江苏等省测试成绩达到满分),反映我省对三维控制缺乏研究与训练.•探索解决的方法•四旋翼飞行器的控制存在许多没有引起重视的问题,如飞行姿态控制问题,四旋翼配合控制问题,稳定性问题,抗扰动问题等.•引导学校培养方向•针对存在的问题,有重点地引导各学校加强培训,为明年国赛作准备.2.本次公开赛要重点解决的问题•探索解决稳定性问题,以保证飞行器能够平稳飞行•四旋翼飞行器是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。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期保持稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。四旋翼飞行器的结构四旋翼飞行器沿各方向的运动•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个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：（1）垂直运动；（2）俯仰运动；（3）滚转运动；（4）偏航运动；（5）前后运动；（6）侧向运动。电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。•当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。•四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分:飞行控制系统与无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU惯性测量单元(由陀螺传感器与加速度传感器组成)检测飞行姿态.3.本次公开赛的题目•本次公开赛计划出2个题（A题和B题）。重点解决四旋翼飞行器的稳定性问题。•每校在选题时，参赛的两个队不能选同一个题。即参赛队只有一个队时，可选A题，也可选B题；但参赛队有二个队时，则一个队选A题，另一个队只能选B题。题目A:四旋翼自主飞行器一.任务:设计并制作一个四旋翼自主飞行器,能够在规定的测试场地完成规定的测试内容.所设计的四旋翼飞行器带防撞圈，外形尺寸（含防撞圈）限定为：长度≤50cm，宽度≤50cm。飞行器机身必须标注参赛队号。规定尺寸:因为防止有钱的学校购买成品飞行器,而缺钱的学校自制飞行器,使大家能够在同一起跑线.飞行区域俯视图和立体图分别如图1和图2所示。二.要求1.基本要求(1)四旋翼自主飞行器（简称飞行器）摆放在图1所示的A区，一键式启动飞行器向B区起飞。(2)飞行器要求飞行高度大于1M,以越过1M示高线。(3)飞行器在飞到B区指示线时,空中停留30秒,要求飞行高度大于1M。(4)飞行器接着在B区降落并准确停机。要求2.发挥部分(1)飞行器摆放在B区，飞行器下面摆放一薄铁片，一键式启动，飞行器拾取薄铁片并向A区起飞。(2)飞行器携带薄铁片在飞到B区指示线时,空中停留30秒,要求飞行高度大于1M。(3)飞行器接着向A区飞行,要求飞行高度大于1M,以越过1M示高线。(4)飞行器在A区降落并准确停机.并将薄铁片准确投放到A区.题目B:四旋翼自主飞行器一.任务设计并制作一个四旋翼自主飞行器，能够在规定的测试场地完成规定的测试内容。尺寸限定以桨叶驱动电机转轴之间的距离为准，任两个电机转轴之间的距离不得大于40cm。为了人身和机器安全，四旋翼飞行器可带防撞圈（选项，不作为要求）。飞行器机身必须标注参赛队号。四旋翼自主飞行器测试区域布局如图1所示(标志单的数据单位为cm)。二、飞行器测试流程•功能与性能测试一键操作完成，测试过程中不得有任何人为干预。1.测试开始：参赛队员将飞行器放置于指定区域（A区），操作按键，一键式启动。按键后，飞行器应延迟至少20s但不多于30s起飞。2.飞行器由A区起飞后，飞行器进入飞行区，在飞行区空中停留不少于30s，然后降落到B区。3、在B区停留15s左右，以最快速度飞至A区并降落（返回A区）。4、在A区停留15s左右，（再次）起飞至B区；在起飞前，置于飞行区中的风扇打开，模拟自由空间中气流；要求飞行器在飞行区空中停留不少于20s，然后降落到B区。5、在B区停留15s左右，往A区飞行，进入飞行区后，以尽可能长的时间停留在飞行区范围的上空，然后降落到A区。三、飞行器要求1、飞行器控制板的MCU必须采用TI公司的微控制器，必须安装在明显位置，以便检查。2、飞行器的电池由组委会专家组统一规定。3、飞行器的总重量不得小于1000g。4、飞行器应有必要的声光指示：(1)飞行器的四个电机轴需有指示，可用发光二极管指示，在测试期间，飞行器停稳后应工作，光点在地面上显示位置正对电机轴的位置。【供测试定位】(2)飞行器在操作状态转换时，应有明显可区分光声提示。四、目的：1．第一次起降主要是测试飞行器的基本测量与控制，包括起飞、悬停、降落以及检测。2．第二次起降主要是测试飞行器的高速条件下测量与控制性能。3．第三次起降主要是测试飞行器在模拟自然环境条件下，有扰动条件下测量与控制性能。4．第四次起降主要是测试飞行器的综合设计与优化，包含能量管理。•公开赛题将进一步细化内容，计划于6月20日通过网络发题。•公开赛题在制作过程中，对于各校存在的问题，可通过网络或电话，向竞赛专家组提出咨询。由专家组负责解释。4.本次公开赛要注意的事宜1．飞行器桨叶旋转速度高，有危险！请务必注意自己及他人的人身安全。2．飞行器控制板的MCU必须采用TI公司的微控制器，必须安装在明显位置，以便检查。3．飞行器可自制或外购，带防撞圈，外形尺寸（含防撞圈）限为：长度≤50cm，宽度≤50cm。飞行器机身必须标注参赛队号。4．A题中的薄铁片为边长4cm的正方形，厚度≤0.05cm。5．飞行区域地面为白色；A区、B区形状大小相同，由直径20cm黑色实心圆和直径75cm的同心圆组成，同心圆虚线线宽小于0.1cm；引导线宽度4cm，可用黑色胶带；示高线为直径0.5~0.8cm的黑色电缆线，横向悬挂于飞行区中间，距地高100cm。飞行区域不得额外设置任何标识、引导线或其他装置。6．A题允许测试2次，每次测试全程不得更换电池。两次测试之间允许更换电池，更换电池时间小于2分钟。7.飞行器不得遥控，飞行过程中不得人为干预。8.飞行器飞行期间，触及地面后自行恢复飞行的，酌情扣分；触地后5s内不能自行恢复飞行视为失败，失败前完成动作仍计分。9．飞行器起飞，距地面高度10cm以上视为飞离地面。10．一键式启动是指飞行器摆放在A区或B区后，只允许按一个键启动。如有飞行模式设置应在飞行器摆放在A区或B区前完成。11．为保证安全，可沿飞行区域四周架设安全网（长500cm，宽300cm，高200cm），顶部无需架设。若安全网采用排球网、羽毛球网时可由顶向下悬挂不必触地，不得影响视线。安装示意图如图3所示.•THEEND•谢谢!