关于2015年全国大学生电子设计竞赛控制类赛题分析.pdf

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1、关于 2015 年全国大学生电子设计竞赛控制类赛题的分析一笔丹青QQ：2990731899 从今天大赛组委会公布的元器件清单来看，今年控制类赛题依然是两个：1、多旋翼飞行器；2、机械控制类装置。以下是我个人对此次电赛控制类赛题的具体分析。1.多旋翼飞行器相比于 2013 年明确规定飞行器为“四旋翼飞行器”，今年放宽为“多旋翼飞行器”，一般多旋翼飞行器泛指：四旋翼飞行器、六旋翼飞行器和八旋翼飞行器，之所以放宽，最大的原因应该是让参赛队充分发挥自己的聪明才智，设计制作出比较亮眼的作品。另外，今年同样出现了瑞萨半导体公司赞助的R5F100LEA型单片机，这款单片机和13年为同一型号。2013 年这款

2、单片机被指定为四旋翼飞行器赛题必选MCU，结果，在南京举办的全国决赛中，几乎没有一支队伍能够完成所有指标。大家对这款单片机不熟悉是一方面的原因，更核心的问题是不能熟练应用控制算法，当然，这个题本身也有问题（黑线的识别没有很好的办法）。今年飞行器是否还会指定瑞萨单片机呢？我个人觉得可能性很大，原因如下：一、R5F100LEA型单片机硬件资源丰富，为16 为高性能MCU，独特的开发环境使得硬件配置只需点击鼠标便可以解决，完全适用于多旋翼飞行器；二、2013 年的配套教学视频中专门讲述了与四旋翼飞行器有关的PWM、SPI、IIC硬件配置，大家已经对瑞萨有一定认识；而今年这款原来并不在国内零售的单片机

3、开始零售，有志于参加电赛的同学早有接触，且国内对四旋翼飞行器的研究如火如荼，各种电子设计类赛事中均有出现，早已不存在2013 年那样的技术壁垒，应该说真正意义上开展竞赛的时机已然成熟。综上，今年出现四旋翼飞行器的可能性不容忽视。1.1具有 AV 端子输出的彩色摄像头（彩色制式不限）看到摄像头，大家想首先想到的是航拍，可能用到四旋翼飞行器上。不过，强调摄像头必须是能输出彩色图像和具备AV端口的要求似乎暗示，摄像头可能并不是机载的。AV端子也称 AV 接口，音频（Audio）和视频（Video）的简称，涉及视频和音频，数据量瞬间上升，这不是一般单片机能够处理的！即便是飞思卡尔智能车比赛中用到的摄像

4、头也只是数据量较小的CCD，并非 AV制式。如果摄像头不是机载的，还能有什么用呢？一种可能是用于超视距控制，即，控制者通过摄像头（安装在室内某个位置）返回的图像在光电传感器的辅助下无线控制飞行器完成指定任务。另一种可能是，摄像头返回的数据（有线连接）经过下位机的处理，识别特定的目标物，在无线收发装置和光电传感器的引导下完成指定任务。鉴于图像处理相当复杂，并且不属于控制领域（属于计算领域），第二种情况出现的可能较小。2013 年以来，飞行器的源代码已经有很多开源，制作一架可控制的飞行器不再是难事，因此今年的飞行器题目应该不会局限于简单地蔽障、巡线，而是和图像结合起来完成一些可能令人“脑洞大开”的

5、任务。1.2无线收发模块这个相当笼统，常见的无线收发模块很多啊，最常见的NRF24L01估计大家都见过、用过。至于它的用途，我觉得最大的可能就是控制无线控制或者引导飞行器，2013 年之所以没有出现很亮眼的作品，飞行器在空中识别黑线的难题是主要原因。因此，今年增加一个无线引导模块对飞行器进行引导是最极有可能的。准备做飞机的同志可以入手无线收发元器件了。2机械控制类装置除了飞行器，按照惯例，另一个控制类赛题侧重于机械控制。今年很明显还是这样，何以见得？我们先来看一下元器件：小型轴流风机（直径510cm，512V DC），万向节（连接杆直径10mm 以下）、三维角度传感器或电子陀螺仪，这三个元器件

6、一看便是机械控制必备。2.1 小型轴流风机（直径510cm，512V DC）如图为所谓的轴流风机：轴流风机，用途非常广泛，就是与风叶的轴同方向的气流，如电风扇，空调外机风扇就是轴流方式运行风机。之所以称为“轴流式”，是因为气体平行于风机轴流动。轴流式风机通常用在流量要求较高而压力要求较低的场合。轴流式风机固定位置并使空气移动。轴流风机主要由风机叶轮和机壳组成，结构简单但是数据要求非常高。说白了，轴流就是使得空气向旋转轴的方向流动，产生具备一定推力的、方向性的空气动力，这种动力应该是用来推动某种机械装置或者物体的，比如：类似11 年专科的帆板系统，小型风洞装置。不过看了下面的元器件，这种可能就被

7、排出了。2.2 万向节（连接杆直径10mm 以下）万向节即万向接头，英文名称universal joint，是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的“关节”部件。万向节的结构和作用有点像人体四肢上的关节，它允许被连接的零件之间的夹角在一定范围内变化。为满足动力传递、适应转向和汽车运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化，前驱动汽车的驱动桥，半轴与轮轴之间常用万向节相连。但由于受轴向尺寸的限制，要求偏角又比较大，单个的万向节不能使输出轴与轴入轴的瞬时角速度相等，容易造成振动，加剧部件的损坏，并产生很大的噪音，所以广泛采用各式各样的等速万向节。在前

8、驱动汽车上，每个半轴用两个等速万向节，靠近变速驱动桥的万向节是半轴内侧万向节，靠近车轴的是半轴外侧万向节。在后驱动汽车上，发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上，而驱动桥通过弹性悬挂与车架连接，两者之间有一个距离，需要进行连接。汽车运行中路面不平产生跳动，负荷变化或者两个总成安装的位差等，都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化，因此在后驱动汽车的万向节传动形式都采用双万向节，就是传动轴两端各有一个万向节，其作用是使传动轴两端的夹角相等，从而保证输出轴与输入轴的瞬时角速度始终相等。动态图连接：http:/ 的控制下，结合三维角度传感器或电子陀螺仪 采集得到的受

9、风面姿态数据，产生合适的风速（推力），使万向节所连接的受风面呈现出指定的姿态。这是一种典型的三维控制，元器件中要求万向节的直径在10mm 以下，原因在于，万向节越粗则所连接的受风面稳定性越好，故而进行约束。相信在题目中还会出现更细致的规定：万向节旋转处于受风面之间的距离，受风面的面积、形状、质量都将是极为重要的数据。以此分析，今年的控制题较2013 年而言要困难很多，需要注意的事项：a、万向节的质量：作为机械控制类赛题，良好的机械结构是成功的一半，希望大家尽量购买质量过硬的万向节，金属材料为好。b、三维角度传感器或电子陀螺仪:作为采集机械装置姿态数据的传感器，其测量精度，数据稳定性关系到作品的

10、控制效果。建议购买高精度型号。2.3 三维角度传感器或电子陀螺仪需要说明一下，为什么我个人认为，三维角度传感器或电子陀螺仪是在机械控制类赛题中用到而不是飞行器。原因如下：飞行器多采用类似MPU9150、MPU6050 之类的集成9 轴传感器（倾角、陀螺仪、电子罗盘），不太可能使用分立的元器件来搭建。况且对于飞行器使用的传感器，大家早已明确（玩飞行器的人都知道），无需多此一举。既然明确说明三维角度传感器，结合万向节，很容易想到，该传感器更可能用于机械控制类赛题。致力于做机械控制类赛题的同志们，速速行动起来吧！千万不要问我买什么型号的传感器，为什么呢？每个人的情况不一样，买一个在自己可承受范围内最

11、好的就行了。结合自己水平和MCU，跟卖家好好勾兑，确保有可参考的优良程序（结合自己的MCU），这点务必记住，因为很多传感器并不容易调试，有参考代码（生产厂商提供的代码自然是最好的）可以事半功倍。好啦，时间仓促，未尽事宜关于 2015 年高职高专组控制类赛题分析本人对专科组实在是不了解，以下均是个人看法首先还是从元器件的角度出发：和本科组共同之处在于，都有直流风机，不过差别还是很明显，专科组没有强调是“轴流风机”，这说明对风动力的方向性要求有所降低，也可能是受风面比较大，无需方向性、集中性做出过高要求。鉴于专科组11、13 年出现帆板系统、小型风洞装置，今年出现类似题目的可能性仍然很大。1、光电

12、传感器2、角度传感器3、电动机（20W 以内，步进电机或带减速器直流电机）小型直流风机1.1 角度传感器不过，角度传感器没有强调维度（单轴，两轴，三轴），可能今年还是在二维空间内进行控制，没有出帆板系统的模式。需要注意贮备高精度的传感器：如SCA1600，或者飞行器用的 MPU6050，MPU9050，至于 MMA7361 建议不要用。1.2 电动机（20W 以内，步进电机或带减速器直流电机）电动机，居然是步进电机和直流减速电机均可，这说明对扭矩、和转速要求不高；而强调直流电机必须带减速箱（一般减速后转速为400r/min），似乎说明所需要动力的部分是低速的，这完全符合姿态控制的情况。建议：若选择步进电机，则最好购买相应的步进电机专业驱动器，控制效率较高，事半功倍，驱动器如下图类似：如果选择直流减速电机，最好购买金属减速箱的直流减速电机，配套霍尔片转速反馈，同时，还要注意的是电机的供电问题，电源模块尽量自行设计。直流减速电机类似下图这种带有霍尔片的：1.3 小型直流风机这个和本科组很类似，不过上面已经分析过，区别很明显，不再赘述。1.3光电传感器这个传感器定义很模糊，光电传感器类型很多，循迹使用的光电对管就是其中一种，还有光电接近开关，个人觉得光电传感器用来粗略检测距离（光电接近开关）或者角度阈值提示的可能性比较大。