2017年全国大学生电子设计竞赛试题 设计报告

第一篇：2017年全国大学生电子设计竞赛试题 设计报告

2017年全国大学生电子设计竞赛试题

设计报告

四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题）

【本科组】 廖聪，吴雨航，张锦华

摘要：根据四旋翼飞行器飞行原理，首先根据设计方案采购了飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。根据系统动力学模型设计控制算法，设计控制系统控制规律，主要包括两个控制回路姿态控制回路、位置控制回路。在仿真软件平台上，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。最后，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作，最终设计出能够实现一键飞行探测跟踪的四旋翼自主飞行器。

关键词：ATMEGA2560 瑞萨R5F523T5ADFM MPU6000陀螺仪 超声传感器

一、系统方案

根据设计任务的要求，本系统包括飞行控制模块、驱动模块、飞行导航模块、测距模块等。

1、飞行控制模块的选择

飞行控制模块是四旋翼自主飞行器的核心。按照题目要求，飞行控制模块由ATMEGA2560处理器的开发板专门实现飞行控制算法。

为了实现自主飞行探测跟踪，必须要形成控制的闭环回路，必须要有检测和反馈系统状态的传感器，包括四旋翼的姿态、经纬度、航向、高度、空速、角速率等信号。目前看来，国内外普遍应用MEMS器件来获取姿态、高度、空速、经纬度等信息。此外这中间还需要有A/D采样电路、信号调理电路对采集的电信号进行必要的转换和简单的滤波。

针对四旋翼飞行器，控制方法有PID控制、反步法、滑模控制等飞行控制算法，我们采用经典的PID控制算法。

2、驱动模块的选择

方案一：采用普通直流电机。普通直流电机有价格低廉、使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高、速度快、且质量要小，所以直流电机一般不能满足要求。

方案二：采用无刷直流电机，其具有响应速度快、较大的启动转矩，从零转速至额定转速具备可提供定转矩的性能。因系统精度较高，足够精确控制飞机的速度。

综合以上方案，采用方案二。

3、飞行导航模块的选择

方案一：惯性导航系统能在世界任何地方，不依赖环境条件，但是，惯性导航不适合在小空间内精确制导。

方案二：GPS导航可以全球定位、被动定位，安全隐蔽，无限服务，可以同时为无限数量接收机提供定位信息。但是GPS导航不适合室内环境。

方案三：红外导航比较适合小车这种速度慢且接近地面的物体，不适合我们飞行器在高度一米以上的情况下的导航。

方案四：图像导航具有隐蔽性好、自主性强、测量快速、准确、以及廉价、可靠等优点。在飞机，无人飞行器、巡航导弹等得到广泛应用。综合以上四种方案，我们选择方案四，图像导航实现飞行器跟踪小车。采用摄像头拍摄小车的运动情况，从而指导飞行器前行的方向及悬停的位置。图像采集模块有OV7725照相模组完成。

4、测距模块的选择

方案一：红外测距具有便宜、易制、安全、等优点，但是精度低、距离近，方向性差。

方案二：激光测距具有精确度高和测距远的优点，但是制作难度大、成本较高，一般用于远距离测距。

方案三：超声波测距结果简单、成本低廉、等优点，经常用一般的距离的测量，如深井、管道长度等封闭场合。

综上三种方案考虑，由于飞行器在封闭空间内飞行，同时又要在一米以上的空中悬停，因此可以采用超声波测量飞行器的高度。如图（1）所示。我们采用HCSR04超声波图

二、系统理论分析与计算

1、四旋翼飞行器产生基本动作的原理

四旋翼飞行器结构形式如图（2）所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。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个自由度图（2）四旋翼自主飞行器的结构形式 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。

2、PID飞行控制算法

如图（3）所示：由于四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推力,所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比例关系是飞行器按照照期望姿态飞行的关键。所以这里我们采用到pid控制理论把飞机的当前姿态调整到期望姿态。

图（3）PID算法图

如图（4）所示：PID控制是通过姿态采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对,如果存在误差,就对误差进行比例、积分、微分的调整,再将调整后的值加到当前电机上,从而达到调整的目的。比例调节的反应速度较快,而且调节作用明显,飞机

出现俯仰和翻滚时能快速 图（4）PID调节图

调节回来,但是稳定性较差,往往会调节过火;积分调节可以消除长期误差,排除外界因素的干扰,但是同样会降低系统整体的稳定性,使飞机发生震荡;微分调节可以预测被控设备的将来状态,及时的进行调整,而且对比例调节有抑制作用,加强单比例调节的稳定性,排除调节过度的问题。所以通过pid控制可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来,以使系统达到稳定。

三、电路与程序设计

1、系统组成

整个系统的组成如图（5）所示：系统核心主控MPU5611等。可以完成飞行控制算法和完成飞行器的导航控制算法，它需要外接OV7725照相模组、HCATMEGA2560、OV7725照相模组、HC-SR04超声波测距模块、微波检测模块等构成。根据小车的运动情况，确定飞行器的飞行速度和飞行方向，从而完成指定的任务。

图（6）飞行控制电路

3、主要模块程序设计 图（7）

四、竞赛工作环境条件

1、仪器设备硬件平台：PC机等。

2、配套加工安装条件：电烙铁、钻孔机、制版机、打印机等。

3、开发环境：飞控ATMEGA2560 瑞萨R5F523T5ADFM。

五、测试方案与测试结果

1、测试方案

通过模拟考场，进行模拟比赛。

2、测试结果

(1)、飞行器放在A区通过按键可以实现一键平稳起飞，并且能 图（7）飞控流程图

够在1米以上悬停5秒后平稳降落并准确的停在A区，悬停期间激光笔可以照在A区。

(2)、手持飞行器靠近小车，当两者距离1米左右时，飞行器和小车发出了响声和光。

(3)、当小车摆放在位置8，飞行器在A区，一键启动飞行器，飞行器可以以接近直线的路径飞至小车上方并悬停5秒，然后降落在小车左侧，悬停期间，激光笔可以照射在A区内，并且不止一次照在小车上。从起飞到降落用时24。8秒。

(4)、发挥部分，飞行器基本上可以探测跟踪小车飞行，只是跟踪的路径有些曲折。到此，竞赛要求绝大部分可以完成。

六、参考资料

[1].黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程。电子工业出版社，2010 [2].张淑清.嵌入式单片机STM32设计及应用技术。国防工业出版社，2015 [3].王广雄.控制系统设计[M]。宇航出版社，1992 [4].王彤.PC机在测量和控制中的应用[M]，哈尔滨工业大学出版社。1995 [5].刘豹.现代控制理论，机械工业出版社.2004 [6].秦永元.惯性导航[M]第一版，北京科学出版社。2005 [7].王冬来，吕强，刘峰.小型四轴飞行器动力学参数测定方法设计[J]，科技出版社。2011

09204C

第二篇：全国大学生电子设计竞赛报告格式

全国大学生电子设计大赛论文报告格式

设计报告内容：

1．封面：单独1页（见样件）

2．摘要、关键词：中文（150～200字）、英文；单独1页

3．目录：内容必要对应页码号

4．设计报告正文：

一、前言：

二、总体方案设计：包括方案比较、方案论证、方案选择（以方框图的形式给出各方案，并简要说明）

三、单元模块设计：

①各单元模块功能介绍及电路设计；

②电路参数的计算及元器件的选择；

③特殊器件的介绍；

④各单元模块的联接，以一个模块为一个框，画出框的联接图并简要说明。

四、系统调试：说明调试方法与调试内容，软件仿真放这里。

五、系统功能、指标参数：

①说明系统能实现的功能；

②系统指标参数测试，说明测试方法，要求有测试参数记录表；

③系统功能及指标参数分析（与设计要求对比进行）。

六、设计总结：包括：

①对设计的小结；

②设计收获体会；

③对设计的进一步完善提出意见或建议。

5．参考文献：

如：[1]陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01.[2]

[3]

6．附：①系统原理图；

设计报告格式：设计报告统一用A4纸打印，设计报告正文大标题用小三号宋体、小标题用四号宋体、内容用小四号宋体。报告从正文开始统一编页码、左侧装订。设计报告要求20页左右。

竞赛结束时，参赛队需要上交的材料包括：

（1）《设计报告》；

（2）制作实物；

（3）《全国大学生电子设计竞赛登记表》。

上述材料使用赛区统一制作的封条，封入由各校自备的纸箱。密封后的纸箱外部不得出现任何校名、参赛队代号、参赛队员姓名及其它暗记，否则视为无效。纸箱封条由赛区组委会自备，各参赛学校必须按照赛区组委会要求的时间、地点上交参赛作品。

《设计报告》写作与装订要求

《设计报告》正文的图文篇幅限制为6页，第一页含300字以内的设计中文摘要，正文采用小四号宋体字，单倍行距，标题字号自定，一律采用A4纸，页面纵向打印、装订，装订时第一页为空白页。电路图可另附，报告格式按照竞赛题目中的报告要求撰写。《设计报告》每页上方必须留出3cm空白，空白内不得有任何文字，每页右下角注明页码。报告用纸由各参赛校自行解决。

《设计报告》的密封方法

竞赛结束时，参赛队应将设计报告密封纸在距设计报告上端约2厘米处装订，然后将参赛队的代码（代码由赛区组委会统一编制，在发放题目时通知各参赛队）写在设计报告密封纸的最上方。设计报告装订好后将密封纸掀起并折向报告背面，最后用胶水在后面粘牢。设计报告上不允许出现参赛队的学校、姓名等文字。

第三篇：全国大学生电子设计竞赛

全国大学生电子设计竞赛

全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技活动，目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革，有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文精神和理论联系实际的学风；有助于学生工程实践素质的培养、提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力；有助于吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才的脱颖而出创造条件。

全国大学生电子设计竞赛的特点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内容改革密切结合，以推动其课程教学、教学改革和实验室建设工作。竞赛的特色是与理论联系实际学风建设紧密结合，竞赛内容既有理论设计，又有实际制作，以全面检验和加强参赛学生的理论基础和实践创新能力。

全国大学生电子设计竞赛每逢单数年的9月份举办，赛期四天（具体日期届时通知）。在双数的非竞赛年份，根据实际需要由全国竞赛组委会和有关赛区组织开展全国的专题性竞赛，同时积极鼓励各赛区和学校根据自身条件适时组织开展赛区和学校一级的大学生电子设计竞赛。

竞赛采用全国统一命题、分赛区组织的方式，竞赛采用“半封闭、相对集中”的组织方式进行。竞赛期间学生可以查阅有关纸介或网络技术资料，队内学生可以集体商讨设计思想，确定设计方案，分工负责、团结协作，以队为基本单位独立完成竞赛任务；竞赛期间不允许任何教师或其他人员进行任何形式的指导或引导；竞赛期间参赛队员不得与队外任何人员讨论商量。参赛学校应将参赛学生相对集中在实验室内进行竞赛，便于组织人员巡查。为保证竞赛工作，竞赛所需设备、元器件等均由各参赛学校负责提供。

为保证竞赛工作的顺利进行，应严格遵守全国竞赛组委会届时颁布的《全国大学生电子设计竞赛竞赛规则与赛场纪律》。竞赛期间，各赛区组织巡视人员，严格执行巡视制度。

竞赛题目是保证竞赛工作顺利开展的关键，应由全国专家组制定命题原则，赛前发至各赛区。全国竞赛命题应在广泛开展赛区征题的基础上由全国竞赛命题专家统一进行命题。全国竞赛命题专家组以责任专家为主体，并与部分全国专家组专家和高职高专学校专家组合而成。

全国竞赛采用两套题目，即本科生组题目和高职高专学生组题目，参赛的本科生只能选本科生组题目；高职高专学生原则上选择高职高专学生组题目，但也可选择本科生组题目，并按本科生组题目的标准进行评审。只要参赛队中有本科生，该队只能选择本科生组题目，并按本科生组题目的标准进行评审。凡不符合上述选题规定的作品均视为无效，赛区不予以评审。

时间：每逢单数年的9月份举办，赛期四天（具体日期届时通知）

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第四篇：全国大学生电子设计竞赛

全国大学生电子设计竞赛

促进和深化了高校的创新实践教育

冯林 吴振宇 毛德祥 刘华毅 马幼军

（大连理工大学大学生创新院）

全国大学生电子设计竞赛已成功举办了六届。从1994年的首届三个赛区、44所高校、220个队、660名学生参赛，到2003年的第六届24个赛区、426所高校、3029个队、近万名大学生参赛。无论是参赛规模，还是竞赛质量，对高等教育的影响力，可以说逐年提高，方兴未艾，形势喜人。作为每届都积极参与的大连理工大学，对这个全国性赛事一直非常重视。深刻的体会到全国大学生电子设计竞赛对推动我国高校的创新实践教育意义重大。我们大连理工大学的创新实践教育活动，起步较早，也取得了不少成果，积累了一定的经验。而这些成果和经验，可以说在许多方面是同这个全国性竞赛活动紧密联系在一起的。下面就高校的创新实践教育与全国大学生电子设计大赛之间的互相促进、相辅相成关系，谈几点认识和体会。

一、创新实践教育必须把电子信息技术作为主要内容，作为龙头学科。

创新实践教育的根本目的在于培养学生的创新意识和创新能力。因此创新实践教育内容和方法至关重要。理论上讲，一个学校的创新实践教育内容，应该涵盖该校的主要学科，并且以高新技术为主导（这一点是必然的，否则就谈不上创新）。但在诸多高新科学技术中，电子信息学科则应列为首当其冲的龙头学科。我们大连理工大学的创新实践教育从起步阶段，直至现在全面展开、创新实践教育已成为我校本科教育的办学特色之一的今天，电子信息学科一直是创新实践教育的主导内容。以其为切入点，结合和带动其他相关学科，共同提高和发展。我校之所以选择电子信息学科作为创新实践教育的主导内容，原因有二点：

第一，电子信息技术在诸多高新技术中是发展最快、最具活力、而且对自然科学的其它领域、对人类社会的发展乃至人们的日常生活影响最大的学科。在二十世纪后期，电子信息技术对自然科学的发展、对人类社会的进步和社会发

展产生巨大推动作用，故二十一世纪则被人们称为电子信息时代。作为在高校学习的大学生们，无论是电类的，还是非电类的，也无论是理科的还是工科的，都必须对电子信息技术（包括模拟技术及数字技术、电子视听技术、电子测量技术、自动控制技术、近代通信技术、计算机科学及应用技术、光电技术等），有一定程度的了解，都必须掌握和具有一定的电子信息技术方面的应用能力。我们所说的创新能力，当然而且必须包括电子信息方面的应用能力。

第二，二十一世纪既是电子信息时代，同时也是自然科学各个领域（学科）相互交叉渗透、相互融合的时代。学科间的交叉渗透，相互促进相互融合，从而带来科学技术发展的高速度。这是当今科学技术发展最鲜明特点之一。电子信息科学的发展是以近代物理学（特别是原子物理学），材料科学等基础学科为基础发展起来的，而电子信息技术（理论、方法、手段）又被各相关学科采用来为本学科的发展服务（如提高测量精度、提高自动化程度等）。当前，电子信息学科已成为学科间相互交叉渗透的焦点，几乎找不到不采用电子信息技术为本学科服务的学科，这已是不争的事实和规律。很多非电学科都在大量采用电子信息技术来提高本学科的自动化程度，以电测技术来提高本学科的测量速度、范围和精度，从而促进本学科的发展。很多学科已把采不采用电子信息技术作为衡量其是否先进，是否现代化的尺度。这种龙头作用在本世纪将更加明显和突出，故把二十一世纪称为电子信息时代是恰如其分的。

因此，将电子信息技术列为创新实践教育的主导内容也就是理所当然的了。全国大学生电子设计竞赛活动的成功举办，正说明了这种竞赛活动符合当今高校创新实践教育发展的客观要求，顺应了高等教育的发展潮流，因而受到各高校的重视，受到大学生的热烈欢迎。

我校是一所以理工为主的多学科大学，创新实践教育开展以来，由于主导内容选择正确，对大学生有着强烈的吸引力，不仅电类的，而且那些学有余力的非电类专业的学生都渴望获取有关电子信息技术方面的知识和能力。为将创新实践教育更深入、有效地开展下去，2003年，学校设立了“大学生创新院”，全面组织和指导全校的创新实践活动。在创新院下设的各创新实践班中，大都以电子信息技术为主导内容，参加的大学生中，非电专业学生约占50%。这些非电类专业学生通过在创新实践基地的培训，紧密结合自己的主学专业，使他们的创新意识

和创新实践能力显著提高，可谓如虎添翼。在2003年的全国电子设计竞赛中，获得E题第一名的3名学生中，有二名是非电专业学生，这在学生中反响很大。

二、全国大学生电子设计竞赛活动，为高校的创新实践教育提供了一个难得的好平台。

近年来，全国性的高校间的大学生科技竞赛活动很多，但其中尤以电子设计竞赛规模最大，影响最深。我们大连理工大学对这些赛事都比较重视，积极参与。尤其是全国大学生电子设计竞赛，我们切身感受到确实起到了促进和深化创新实践教育的作用，效果明显。笔者作为多次参与竞赛的指导老师，对下述两点感触颇深。

1． 电子设计竞赛为创新实践教育提供了难得的契机

二年一届的竞赛活动，不仅使我校的创新实践教育有了具体的活动内容，对大学生们也有着强烈的吸引力。从首届设计竞赛，我们就感到竞赛的选题很适用于我们的创新实践教育，选题中既有当今电子信息学科的前沿技术，也有必备的基础知识；不仅有理论与实践结合的难点，更有对各种应用能力的考核。特别是对多种知识的综合应用能力，软硬件综合应用能力以及电的、非电之间的综合应用能力等的考核。由于电子信息技术发展很快，故每届竞赛的选题类型、深度、难点调整更新也大，可以说一届一个台阶。这些都是我们创新实践教育急需的。这样我们就将对竞赛的备战活动纳入我校的创新实践活动中来。将二者紧密、有序地结合起来。在创新实践教育活动中，我们以备战竞赛、迎接竞赛为契机，对学生开设必要的技术讲座，指导学生对有关技术加深理解和认识；根据总体安排和学生兴趣，将学员分成若干专题组，每组安排1-2个技术专题，在教师指导下进行学习、实践和研究；在两届大赛间隙，还举办校内电子设计竞赛，这既是演练和备战，也是为大赛做人才选拔。这些措施深受学员欢迎，广大学生争相报名参赛，从而激发了广大学员的上进心和荣誉感，使我校的创新实践教育呈现出日益活跃、日益兴旺的局面。

2． 通过电子设计竞赛来检验创新实践教育效果

由于我校的创新实践活动与全国的电子设计竞赛活动有机的结合在一起，因此，竞赛的成绩就是对创新实践教育效果的检验。创新实践教育与传统的课堂教育不同，不能仅凭考卷来评定其教学效果。创新实践教育的效果是一个理论与实

践结合能力，软件与硬件综合应用能力及实际动手能力等的综合效果。电子设计大赛则是检验其效果的非常好的考评方式。参赛者从拿到选题，查阅资料，设计计算，备件到实际动手实验、调试（编程），到最后完成作品并写出论文，这些环节要在短短四天来完成。当方案选择不当，还可能部分调整甚至全部重来。这既是对参赛者综合素质的全面考核，也是对参赛者品质意志、团结协作精神的大检验。这些都需要实实在在的创新实践能力，来不得半点侥幸。因此，电子设计竞赛活动是对学生创新实践能力非常好的检测方式。通过竞赛活动，既可发现和选拔出拔尖人才，又可检验创新实践教育存在的不足和问题，找出该项工作中的差距。十年来，对这个问题的认识和体会愈来愈深刻。

三、全国电子设计竞赛有力的促进了高校的电子信息类专业的教学改革和实验室建设

电子设计竞赛除促进和深化了高校的创新实践教育外，也对高校电子信息类专业的教学改革和实验室建设大有裨益。每次竞赛，都有多名教师参与指导。教师的参与不仅有利于创新实践教育，而且通过指导学生，使他们能发现自己的教学工作存在的问题，进而对自己所承担课的教学内容、教学方法进行改革。作为承担实践教学环节的实验室，则通过竞赛活动，检验学生理论联系实践和创新实践能力，从而找出实验教学环节存在的问题及差距。参加指导的教师中，实验室老师比例较大，他们的体验尤其深刻。用一位指导竞赛的实验室教师的话来说，电子设计竞赛是“一次对实验教学的全面评估”，“对学校综合教学实力的检验”。笔者觉得这种看法，虽不够全面，但还是够深刻的。

综上，笔者认为，高校的创新实践教育的发展，促进了全国大学生电子设计竞赛（当然也包括其他的竞赛）的成功举办，而全国大学生电子设计竞赛的成功举办，则推动和深化了高校创新实践教育的发展。全国大学生电子设计竞赛必须继续举办下去，并不断总结竞赛的经验和不足。我们也一定会积极参与，充分利用这个平台，以促进和深化我校创新实践教学的发展。

第五篇：2009年全国大学生电子设计竞赛试题

2009年全国大学生电子设计竞赛试题

参赛注意事项

（1）2009年9月2日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；

高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。

（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。

（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。

（4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。

（5）参赛队必须在学校指定的竞赛场地内进行独立设计和制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。低频功率放大器（G题）

【高职高专组】

一、任务

设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。

二、要求

1．基本要求

（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载（一端接地）

上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。

（2）通频带为20Hz～20kHz。

（3）输入电阻为600Ω。

（4）输出噪声电压有效值V0N≤5mV。

（5）尽可能提高功率放大器的整机效率。

2.发挥部分

（1）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。

（2）在通频带内低频功率放大器失真度小于1%。

（3）在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,尽可能降低输

入信号幅度。

（4）设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为40～60Hz。在50Hz频率点输

出功率衰减≥6dB。

（5）其他。