1 系统方案与选择
本系统主要由带防撞圈的四旋翼飞行器、飞控板、传感器模块、无线调试系统组成。
1.1主控芯片的方案与选择
方案一：使用TI公司的TMS320F2812作为主控制器。DSP是专门为运算而生的芯片，它以运行速度快以及性能稳定可靠而被广泛应用于一些需要复杂运算的工程中，但是价格比较昂贵。
方案二：使用ST公司的STM32F103CBT6作为主控制器。STM32采用ARM Cortex-M3内核，运行速度快，片上资源丰富，具有很多外围接口，可拓展性强，灵活性高，多用在工业控制领域。
方案三：使用RENESAS公司的RL78/G13系列单片机。R5L100LE单片机，价格便宜，功耗低，且程序编写模块化生成，运行速度较快，足够应付进行复杂的运算。
综合比较，由于是电池供电，对功耗要求比较高，且根据题目要求，从而飞控主板选择方案三。
1.2四轴模式的方案与选择
方案一：使用十字模式。十字模式前进方向与四轴其中电机旋转方向一样，十字模式要好飞一点，但是灵活性较差，且不方便挂载其他传感器模块。
方案二：使用X模式。X模式飞控的箭头指的方向则是两个电机的的中间的方向，X模式下飞行器控制难度增大，但灵活性很高，可任意改变其飞行方向，并且在挂载其他传感器模块时不会影响飞行器的数据采集。
综合比较，X模式更有利于本题目，故选择方案二。 1.3电机的方案与选择
方案一：使用有刷电机。有刷电机是传统产品，控制简单，性能稳定，力量大，爬坡能力强，启动性能优于无刷电机，但是齿轮的齿很小，易磨损，要更换碳刷。
方案二：使用无刷电机。无刷电机靠数字式电路控制电机换相和减速、调速。无刷电机不再使用机械式碳刷换相器，解决了有刷电机无法逾越的寿命问题，同时也没有使用齿轮减速器，避免了齿轮传动中的效率损失，使效率可达80-85%，
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并较大幅度减小了噪音，但价格比有刷电机贵。
综合比较，由于要长时间不断调试飞行器的飞行状态，对电机的驱动能力和使用寿命要求比较高，从而选择方案二。
1.4姿态传感器的方案与选择
方案一：使用陀螺仪。可以测量角速度，具有高动态特性，它是一个间接测量器件，它测量的是角度的导数角速度，要将角速度对时间积分才能得到角度。但是由于陀螺仪不是理想的，累积误差的引入，使得积分出现了问题。陀螺仪只能在短时间内有很大的参考价值，当时间边长后，得出的数据就不能再使用。 方案二：使用加速度计。可以测量加速度，包括重力加速度，于是在静止或匀速运动的时候，加速度计仅仅测量的是重力加速度，而重力加速度与地轴坐标系的关系是固连的，通过这种关系，可以得到加速度计所在平面与地面的角度关系.但是加速度计若是绕着重力加速度的轴转动，则测量值不会改变，也就是说加速度计无法感知水平旋转。
方案三：使用磁传感器。可以测量磁场，在没有其他磁场干扰的情况下，仅仅测量的是地球的磁场，而地磁也是和地轴坐标系固连的。通过这种关系，可以得到平面A和地平面的关系（平面A：和磁场方向垂直的平面)，同样的，若飞行器是沿着磁场方向的轴旋转，测量值不会改变，无法感知这种旋转。
综合比较，加速度计和磁传感器都是极易受外部干扰的传感器，都只能得到2维的角度关系，但是测量值随时间的变化相对较小。陀螺仪可以积分得到三维的角度关系，动态性能好，受外部干扰小，但测量值随时间变化比较大。陀螺仪只能在短时间内使用，且隔一段时间后要利用加速度计的值来对陀螺仪进行校准，所以采用方案一和方案二结合的方式来控制飞行器的飞行姿态。
1.5定高模式的方案与选择
方案一：使用超声波定高。超声波定高是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物后所反射的回波，从而测出发射和反射回波的时间差t，从而求出高度h=2v/t，v为超声波波速。用超声波模块，价格便宜，且程序算法简单。但是由于超声波也是一种声波，容易受天气温度的影响，得出的数据会有很小的偏差。
方案二：使用气压高度计定高。大气压是由地表空气的重力所产生的，随着海拔高度的上升，地表的空气厚度减少，气压下降。于是可以通过测量所在地的
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大气压，与标准值比较而得出高度值。由气压计测得的高度比较准确，但是由于气候变化造成的空气密度差异而带来的测量高度误差就无法消除，并且价格也比较昂贵。
方案三：使用红外对管。红外测距原理和雷达测距原理相似，是发射管发射红外线然后测量接收管的回波时间，光速乘以时间再除以2就得到距离。但是光速很快，用常规的脉冲法（发射一个脉冲然后计算收到反射脉冲的时间）常常因为时间过短而无法测量，并且红外测距仪一般测量距离比较短。
综合比较，超声波传感器测高距离大，且有使用经验，故选择方案一。 1.6寻迹传感器的方案与选择
方案一：使用红外传感器。黑线的检测原理是红外发射管发射光线到路面，红外光遇到白底则被反射，接收管接收到反射光，经施密特触发器整形后输出低电平；当红外光遇到黑线时则被吸收，接收管没有接收到反射光，经施密特触发器整形后输出高电平，通过高低电平信号来控制飞行器的航向。但是红外传感器能检测到的高度很低。
方案二：使用线性CCD。CCD 主要由感光部分、转移存储和移位输出控制等部分组成。通过CCD感光部分对明暗程度的区分而得出的线性电压值，来控制飞行器的姿态。
综合比较，红外传感器检测黑线的高度不够，从而选择方案二。 1.7 拾取铁片的方案与选择
方案一：使用吸盘电磁铁。吸盘式电磁铁是根据电磁转换的原理，在通电状态下产生强大的电磁吸力，以控制物件的前进或停止状态，断电后，磁吸引力便消失。该电磁铁结构合理紧凑，线圈置于软磁材料外壳之中并以环氧浇封，具有体积小，吸力大，牢固，可靠，动作简单灵敏，功能稳定可靠等优点，但价格昂贵。
方案二：使用普通电磁铁。普通电磁铁价格便宜，但不容易动态控制。 综合比较，吸盘电磁铁虽然需要耗费电能，但可控制，故选择方案一。 1.8 系统调试的方案与选择
方案一：使用电脑调试。不断在电脑编译环境修改程序的参数，然后烧写到目标板，依次重复。
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方案二：使用无线模块调试。通过飞行器的飞行姿态，利用无线给飞控板发送需修改的参数。
综合比较，由于飞控板有大量的参数需调节（PID参数、CCD的曝光时间等），采用方案一，比较繁琐，且浪费时间，而方案二，可以随时动态调节参数，简单有效，实时性高。故采用方案二。
2 系统理论分析与计算
2.1飞行姿态的分析与计算
控制飞行器在空中飞行，有以下需要注意的地方，首先，在飞行过程中，飞行器不仅受到各种自身硬件物理效应的作用，而且还容易受到气流风速等外界环境的干扰，很难在短时间内获得准确的性能参数；其次，飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统，它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，从而使得飞行控制系统的硬件设计和软件算法变得非常困难；最后，利用陀螺仪和加速度计进行物体姿态检测需要进行累积误差的消除，怎样建立误差模型以及通过怎样的融合算法来修正累积误差也是一个工程难题。下面逐个说明飞行器的飞行姿态。
垂直运动，如图1，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
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图1 四旋翼飞行器垂直运动
俯仰运动，如图2，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，且该变量相等时，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
图2 四旋翼飞行器俯仰运动
滚转运动，如图3，原理与图2相同，改变电机2和电机4的转速，一个增大一个减小，且变化量保持相等，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身
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