2013年_B题：四旋翼自主飞行器

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发布项目

任务名称

2013年_B题：四旋翼自主飞行器

任务要求

难度

【2013国赛B题】四旋翼自主飞行器

一、任务

设计并制作一架四旋翼自主飞行器。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（下简称飞行器）摆放在图 1 所示的 A 区，一键式启动飞行器起飞；飞向 B 区，在 B 区降落并停机；飞行时间不大于 45s。
（2）飞行器摆放在 B 区，一键式启动飞行器起飞；飞向 A 区，在 A 区降落并停机；飞行时间不大于 45s。

2. 发挥部分
（1）飞行器摆放在 A 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起飞。
（2）飞行器携带薄铁片从示高线上方飞向 B 区，并在空中将薄铁片投放到B 区；飞行器从示高线上方返回 A 区，在 A 区降落并停机。
（3）以上往返飞行时间不大于 30s。
（4）其他。

三、说明：

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 必须使用组委会统一下发的 R5F100LEA，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）限定为：长度≤50cm，宽度≤50cm。飞行器机身必须标注参赛队号。
4．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．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。

评审标准

参考答案

GPT-4o给出的设计方案：

一、设计方案

根据题目的要求，设计一个四旋翼自主飞行器。飞行器需要能够在给定区域内进行自主飞行，并具备起飞、悬停、飞行和降落的能力。

二、方案论证

飞控系统设计：
- 选用高性能的微控制器（如STM32系列）并结合IMU（惯性测量单元）实现精确的姿态控制。
- 利用PID控制算法管理飞行器的稳定性，对四个电机的转速进行精确调节。
飞行路径规划：
- 通过预设的目标点进行路径规划，采用简单的状态机管理飞行步骤，包括起飞、前进、悬停、返回和降落。
传感器和模块：
- 使用超声波传感器进行实时高度测量和避障检测。
- 结合GPS模块（若需户外应用）和光流传感器进行位置测量和反馈。
电源管理：
- 为保证长时间稳定飞行，选择高能量密度的锂电池及其配套电源管理系统。

三、重要指标的理论分析

稳定性：
- 通过PID控制算法进行姿态调整，确保飞行器在飞行过程中的稳定性。
精度：
- 使用高精度IMU和传感器确保飞行器位置信息的精确性。
响应时间：
- MCU和传感器的实时数据采集和处理能力将直接影响飞行器的控制响应。
续航和功能：
- 选用合适的锂电池容量和电源管理系统，确保飞行器在任务执行时间内拥有足够的电力支持。

四、电路原理图设计要点

飞控主控板：
- 包含MCU（如STM32），IMU单元（加速度计、陀螺仪、磁力计），传感器接口（超声波传感器、光流传感器等），通信模块（蓝牙或WiFi）。
电机控制电路：
- 每个电机使用一个PWM信号控制，驱动电路使用MOSFET或H桥电路，以便精确控制电机转速。
通信模块：
- 选用低功耗蓝牙或WiFi模块，实现与地面站的通信，或用于调试。

核心器件设计要点

STM32系列MCU：
- 高性能处理能力，内置数字信号处理功能和多个外设接口（ADC、PWM、I2C、SPI等）。
IMU：
- 高精度传感器如MPU6050，内置三轴加速度计和陀螺仪，结合磁力计进行姿态估算。
飞行电机与电调：
- 无刷电机与电子调速器（ESC），支持PWM控制，提供足够的动力和响应速度。

五、重要功能的C代码

MCU控制飞行任务：以下是MCU控制四旋翼飞行器起飞、悬停、飞行、返回和降落的示例代码片段：

#include "stm32f4xx.h" // 根据具体芯片型号选择相应的库

// 初始化函数
void init_system() {
    SystemInit();
    init_motors();
    init_sensors();
    init_pid();
}

// 飞行任务状态机
typedef enum {
    TAKEOFF,
    FLY_TO_B,
    LAND_AT_B,
    FLY_TO_A,
    LAND_AT_A,
    IDLE
} FlightState;

FlightState currentState = TAKEOFF;

void main() {
    init_system(); // 初始化系统
    
    while(1) {
        switch (currentState) {
            case TAKEOFF:
                if (takeoff()) {
                    currentState = FLY_TO_B;
                }
                break;
            case FLY_TO_B:
                if (fly_to_b()) {
                    currentState = LAND_AT_B;
                }
                break;
            case LAND_AT_B:
                if (land()) {
                    currentState = FLY_TO_A;
                }
                break;
            case FLY_TO_A:
                if (fly_to_a()) {
                    currentState = LAND_AT_A;
                }
                break;
            case LAND_AT_A:
                if (land()) {
                    currentState = IDLE;
                }
                break;
            case IDLE:
                // 等待命令
                break;
        }
    }
}

bool takeoff() {
    // 起飞代码
    return true; // 起飞成功
}

bool fly_to_b() {
    // 飞行到B区代码
    return true; // 飞行成功
}

bool land() {
    // 降落代码
    return true; // 降落成功
}

bool fly_to_a() {
    // 飞行到A区代码
    return true; // 飞行成功
}

FPGA控制飞行任务，以下是FPGA实现飞行器控制任务的简化Verilog代码示例：

module flight_control(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    output reg [1:0] state_led // 用于指示当前状态的LED
);

typedef enum logic [2:0] {
    IDLE = 3'b000,
    TAKEOFF = 3'b001,
    FLY_TO_B = 3'b010,
    LAND_AT_B = 3'b011,
    FLY_TO_A = 3'b100,
    LAND_AT_A = 3'b101
} flight_state_t;

flight_state_t current_state, next_state;

// 状态转移
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n)
        current_state <= IDLE;
    else
        current_state <= next_state;
end

// 状态机逻辑
always @(*) begin
    case (current_state)
        IDLE: next_state = TAKEOFF;
        TAKEOFF: next_state = FLY_TO_B;
        FLY_TO_B: next_state = LAND_AT_B;
        LAND_AT_B: next_state = FLY_TO_A;
        FLY_TO_A: next_state = LAND_AT_A;
        LAND_AT_A: next_state = IDLE;
        default: next_state = IDLE;
    endcase
end

// 状态指示输出
always @(posedge clk) begin
    case (current_state)
        IDLE: state_led = 2'b00;
        TAKEOFF: state_led = 2'b01;
        FLY_TO_B: state_led = 2'b10;
        LAND_AT_B: state_led = 2'b11;
        FLY_TO_A: state_led = 2'b10;
        LAND_AT_A: state_led = 2'b01;
        default: state_led = 2'b00;
    endcase
end

endmodule

通过上述设计方案和代码，可以满足题目中四旋翼自主飞行器的功能要求。设计中重点考虑了硬件平台的性能和软件控制算法的优化，以确保飞行器能稳定、安全地完成指定任务。

本题目考察的主要知识要点：

本题考察了多方面的知识，包括飞行控制算法、硬件电路设计、传感器应用和嵌入式系统编程等。具体来说，重点包括四旋翼飞行器的电机控制、PID姿态调节算法、飞行路径规划、传感器数据采集与处理、MCU或FPGA对飞行任务的状态管理，以及相关电路如电源管理电路和通信模块设计。通过实现四旋翼飞行器的自主飞行和精准控制，考生需要综合运用多种工程技术和理论知识，确保系统的稳定性、可靠性和精确性。