【2026年电赛D题】设计报告：陆空协同无人机系统

2026年电赛D题——陆空协同无人机系统摘要陆空协同无人机系统由四旋翼飞行器、循迹小车和无线通信地面站构成。四旋翼无人机与循线小车均选用TM4C123GH6PM 作为主控芯片主控板高度集成的 MPU-6050 提供 6 轴运动融合数据输出进行姿态解算实现运动控制。陆空协同系统采用 ESP32 构建 ESP-NOW 无线广播网络实现无人机、小车与地面站三节点间的实时位姿共享与指令交互。激光雷达搭配树莓派 4B 实现同步定位与建图(SLAM)配合主控板进行惯导融合并引入激光测距模块实现定高控制完成无人机位置获取与精确作业。配备俯视 OPENMV 作为视觉模块通过对小车平台同心圆环与十字标志的识别解算相对位姿实现伴飞跟踪、物资精准抛投与动态起降。小车使用编码器与角速度闭环PID保证循线精度地面站图形化实时显示二者的位置与运行状态。本方案所采用的设计方案先进有效已全部实现竞赛试题中的各项指标要求。关键词陆空协同、TM4C123GH6PM、惯导融合、ESP32通信、角速度闭环1.系统方案1.1方案比较与选择1.1.1控制板模块方案论证方案一采用STM32F103ZET6芯片。该芯片具有丰富的外设接口72 MHz的芯片主频和512KB的FLASH能使用较多场景16路PWM输出和5路USART满足日常使用但对于高算力和性能的应用仍较难适配。方案二采用TM4C123GH6PM的芯片。该芯片主频80MHZ自带2KEEPROM支持单精度和DSP运算8路串口URAT6路I2C通讯PWM输出多达16路12个定时器Timer数据处理能力较强能对多组数据进行更高阶次的曲线拟合拓展性好。基于上述分析无人机系统采用方案二更符合总体设计要求最大程度上增强飞控处理数据的能力及拓展性。地面站使用方案一基础开发更加简便快捷。1.1.2无人机定位传感器方案论证方案一光流传感器。 光流模块可以用来感知机体的水平运动状态测量水平方向的位移速度通常在室内使用光流数据输出稳定需要拍摄的地面需要有一定纹理图案、充足的光照条件。方案二激光雷达。激光SLAM系统通过对不同时刻两片点云的匹配与比对计算激光雷达相对运动的距离和姿态的改变完成无人机自身的定位。激光雷达精确度较高误差模型简单在强光直射以外的环境中运行稳定点云信息本身包含直接的几何关系使得无人机的路径规划和导航变得直观。方案三UWBUWB定位基于超宽带无线脉冲技术……300字分析1.1.3地面站无线通信方案论证完整版word文档请私信作者获取交流学习1.2总体方案描述无人机与小车系统均采用TM4C123GH6PM芯片。无人机配合激光雷达SLAM定位系统实时获取水平位姿由TOFSense-m提供高度观测与MPU-6050输出进行惯导融合和姿态解算控制无人机的姿态、速度、位置等状态小车采用灰度传感器阵列循线由编码器测程与角速度闭环推算自身在轨迹上的弧长与坐标。三节点通过ESP-NOW广播网络交互小车一键启动后广播启动指令并持续播发自身位姿与速度无人机据此起飞并建立伴飞前馈同时广播自身位姿与任务状态码地面站经USB接收节点获取全部数据帧并图形化显示。搭载的俯视OPENMV对小车平台中心的30cm/50cm同心圆环与十字图案进行识别解算相对平台中心的位置偏差与航向偏差构成视觉伺服闭环抛投任务中依据偏差判据触发舵机释放机构完成物资投放动态起降任务中依据偏差分段下降完成运动平台上的自主降落与二次起飞。2.系统理论分析与计算2.1控制方案的设计与分析2.1.1 姿态控制利用TM4C123GH6PM芯片内部集成的MPU-6050芯片通过i2c协议从中读取当前的姿态数据进行数据滤波数据融合和姿态解算输出期望姿态角度、角速度等然后分配PWM(到电调)进行电机控制……300字分析2.1.2无人机起飞及悬停竞赛试题中对无人机提出150±10cm的巡航高度要求起飞、悬停和降落依靠TOFSense-m返回的面阵像素数据进行距离计算通过得到的高度对初始设定油门进行调节在加速度传感器输出趋近于0时电机的转速所形成的升力恰好可以与重力平衡实现平稳悬停。当动态降落过程中测距模块的观测对象由地面切换为小车平台上表面高度读数会产生一个等于平台高度的阶跃。程序中依据视觉是否锁定平台圆环标志切换高度基准避免阶跃被高度环误判为掉高而产生猛烈拉升。图2-1 测距原理与高度基准切换示意图2.1.3 无人机实时位置定位与信息发送无人机的姿态解算和位置控制都是通过TM4飞控完成的但飞控需实时处理外部传感器的观测数据CPU占用率较高无法同时进行飞行控制与实时在线……300字分析完整版word文档请私信作者获取交流学习2.2 参数的计算2.2.1 PID双闭环控制2.2.2 点云数据解算2.2.3视觉位姿解算与伺服跟踪俯视 OPENMV 对小车平台中心图案进行识别。该图案由直径50cm与30cm的同心圆环及十字线构成属于尺度已知的合作靶标可由单目图像直接反解相对位姿。设相机等效焦距为f像素检测得到圆环在图像中的直径为d像素依据针孔成像模型无人机相对平台上表面的高度为设圆心在图像中的像素坐标为 (u,v)图像主点为 (u0,v0)则无人机相对平台中心的水平偏差为十字图案的两条直线经霍夫变换拟合后其方向角与机体坐标系 x 轴的夹角即为航向偏差 Δψ用于降落前的偏航对齐。取相机水平视场角 2α 70°在巡航高度Z150cm时视场覆盖宽度为即视场可覆盖约2.1m×1.6m区域远大于60cm×60cm的小车平台故SLAM定位误差只需优于30cm即可保证平台稳定进入视场后续由视觉闭环承担全部精度要求。随着高度下降50cm外圆将逐渐超出视场。由式(7)可得当Z71cm时外圆直径超过视场宽度的70%检测稳定性下降故设置多尺度切换策略Z80cm时以50cm外圆为跟踪目标Z≤80cm时切换至30cm内圆与十字交点。伴飞控制采用前馈加反馈复合结构。设小车经数据链广播的速度为vc、航向为 ψc则无人机期望速度为式(8)中前馈项使无人机速度与小车同步消除纯反馈结构固有的跟踪滞后从而满足赛题对“伴飞状态”中相对位置、航向、速度近似同步的定义。图2-6 视觉位姿解算与伺服跟踪示意图3.电路与程序设计3.1.系统总体框图设计系统由无人机子系统、小车子系统与地面站三部分构成。无人机子系统以 TM4C123GH6PM 为核心外接 MPU-6050、TOFSense-m、OPENMV、舵机抛投机构、电调与电机并经串口连接树莓派 4B挂载激光雷达与 ESP32 数据链模块。小车子系统以 TM4C123GH6PM 为核心外接 MPU-6050、灰度传感器阵列、编码器电机与电机驱动经串口连接 ESP32 数据链模块。地面站由笔记本电脑与 USB 接口的 ESP32 接收节点构成。图 3-1 系统总体框图3.2 程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路3.2.2程序流程图图3-2 飞行控制流程图 3-3 小车循线与位姿推算流程完整版word文档请私信作者获取交流学习4.测试方案与测试结果4.1 测试方案对程序进行独立分块使用Debug 仿真、硬件软件联调的方式进行测试。分模块对一键起飞、悬停定高、循线匀速、视觉位姿解算、数据链收发等子任务进行调试测试完毕后在实验室自主搭建的安全网空间内按赛题场地尺寸铺设轨迹进行整体测试。测试任务一无人机悬停定高精度与伴飞跟踪误差测试测试方式小车以 0.15m/s 匀速循线行进无人机自 H 点起飞至 150cm 悬停 3s 后转入伴飞记录悬停高度与伴飞段的水平跟踪误差。测试任务二……300字分析表 4-2 抛投与动态起降测试4.2 测试结果及改进经第一次测试无人机在伴飞段存在明显跟踪滞后水平误差在小车进入弧段时显著增大原因为控制律仅采用视觉纯反馈无人机始终处于追赶状态。引入式(8)的速度前馈项后以小车广播速度作为期望基准视觉偏差仅承担修正作用伴飞水平误差由 15 cm 以上降至 8 cm 以内。第二次测试中抛投落点散布偏大系释放瞬间残余姿态角使物体获得附加水平初速度所致在触发判据中增加姿态角约束并将释放高度降至 70 cm 后落点明显收敛。动态降落曾出现着地弹跳改为 30 cm 以下快速下压、以触地判据立即锁桨后予以消除。综合改进后系统的定位精度与动作一致性明显提升。