[经验] 辽宁省电赛获奖作品——灭火飞行器

sigma 2019-5-15 15:09 楼主

1 系统方案

1.1 主控的论证与选择

方案二：采用STM32单片机，该单片机具有模拟、通信、定时和控制外设，功能丰富，但是其用于运动控制相关功能不如竞赛官方提供的单片机强。

综合比较以上两种方案，本系统采用方案一。

1.2 驱动的论证与选择

方案二：BTN7971。它是半桥驱动芯片，需要2个芯片来驱动一个电机，电流最高可达43A，其内阻很小，散热好，实用性好。

1.3 控制系统的论证与选择

方案二：采用串级PID算法，按比例P、积分I、微分D的函数关系进行运算，然后将其运算结果输出到控制端。PID的算法简单，易于理解，且控制精度高，可以满足本系统的控制要求。

综合比较以上两种方案，本系统采用方案二。

方案一：采用bmp085气压传感器测量大气压并转换为海拔高度，把当前的海拔测量值减去起飞时的海拔值即得飞机的离地高度。但此次竞赛飞行高度相对比较低，芯片价格较贵，误差较大，调试较为困难。

综合以上两种方案，选择方案二。

该系统主要以TI公司的TM4C1294XL单片机为核心，在四旋翼的控制方面采用，以MPU6050为角度传感器测量四旋翼在飞行过程中的相关姿态角，利用串级PID进行调节，使四旋翼能够完成相关姿态的稳定飞行。定位高度方面，我们采用超声波测距传感器测量四旋翼飞行的高度，并进行相应调节使飞机完成定高方面的测量。识别火焰方面，我们采用的是摄像头OV7725加以光流传感器，来通过相应的特征，来识别目标物的位置。下图为具体的系统程序框图。

图1.1]

2.1 系统结构的分析

我们使用的是OV7725摄像头，该摄像头可以识别多种颜色，由于数据量较大，所以采集速度会较慢，在17ms左右，所以会存在一定的滞后性，在参数设计时候，应该注意系统的响应速度。并且也需要注意系统的超调量，过大的P值会加快响应速度，但同时也会增加系统的超调量，并使系统低频振荡。因为该系统动力由电机提供，所以需要较大的D值来使控制稳定，减小超调量，但是过高的D值会使系统产生高频振荡，使得系统不稳定。较合适的P和D参数可使系统具有较快的响应速度和较小的超调量，但系统仍然会有一定的静态误差。对于该静态误差，可以用较小的I值来克服，但是，过大的I值会引起系统的震荡。所以，在整定PID参数时候，应该选择适合的P配合较大D和较小的I。

2.2 控制算法的分析

本系统采用PID算法来控制四个电机的输入给PWM值。四个电机开始工作后，摄像头采集模块不断采集当前小车的状态，并与之前的状态比较，从而改变4个电机的输入PWM值，实现跟随。PID算法控制器由位置比例P、位置误差积分I和位置微分D组成。

（2.1）