车机协同编队分为无人机编队以及智能小车编队，无人机使用M4内核stm32F4单片机，同时外置惯性测量模块、无线通讯模块、电机驱动模块、电源管理模块等组成系统。惯性测量模块(IMU)测量出飞机的三轴加速度与三轴角速度并传送给单片机处理，由单片机进行基于四元数的姿态解算，然后根据角度经过PID控制运算，输出四路PWM控制四个直流有刷电机的加减速从而达到飞机的平衡悬停。智能小车编队由两个部分组成，一辆搭配全场调控模块的智能小车，以及多辆搭配openmv的智能小车，全体小车控制单片机均使用国产GD32F103C8T6。全场调控小车（领航车）搭载RA4L1-KB高性能瑞萨开发板开发板，接收无人机zigbee模块和从车zigbee模块发出的自身角度和位置信息，在内部使用基于领航者-跟随者的编队控制方法计算出从车和无人机的坐标偏差和姿态角偏差，根据偏差值计算出下一时刻从车（跟随的Openmv小车）和跟随无人机应该行驶的距离和角度，并通过自身zigbee模块将调整指令发送给从车和无人机，从车和无人机接收调整指令后，依据领航车计算出的调整命令进行实时位置调整。最后通过蓝牙AOA定位算法，在无人机以及小车上放置信标模块，作为beacon发射机，发送无线信号，部署在固定方位的接纳机在接纳到无线信号后即可断定该信标进入该区域规模，九轴陀螺仪收集角度信息，将信息发送给全程调控小车以此实现车机协同。

2、项目属性

项目为原创，首次公开，曾参加比赛获奖

3、开源协议

BCD Licensehttps://opensource.org/licenses/BSD-2-Clause

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*4、硬件部分

本系统硬件以瑞萨 RA4L1-KB 开发板为核心中枢，围绕 “定位 - 通信 - 控制” 三大核心链路搭建，适配无人机与智能小车的协同需求，依托 RA4L1-KB 丰富的外设接口与低功耗特性，实现高精度定位与稳定编队，同时兼顾硬件成本与实际部署可行性。

在核心定位与主控协同层面，瑞萨 RA4L1-KB 开发板承担各智能体的控制与数据处理任务，其 Cortex-M4 内核具备单周期乘法与硬件浮点运算能力，可高效处理定位解算与编队控制逻辑。蓝牙 AOA 定位模块选用文档指定的 EFR32BG22 蓝牙 5.2 模块，通过 SPI 接口与 RA4L1-KB 连接，EFR32BG22 搭载天线阵列采集信号相位差数据，实时传输至 RA4L1-KB；RA4L1-KB 根据相位差、信号波长、天线间距等参数，通过 AOA 算法解算智能体位置，满足平均定位误差小于 10cm 的需求。无人机与跟随车均以该组合作为信标发射机，固定部署的接收机同样以 RA4L1-KB 为核心，接收信标信号后完成区域定位，同步将数据传输至领航车。

在智能体硬件分模块设计上，严格匹配文档功能需求。无人机部分：RA4L1-KB 控制惯性测量模块采集三轴加速度与角速度，通过四元数姿态解算后输出 PWM 信号，经四路电驱模块控制四个直流有刷电机，实现平衡悬停；电源管理模块采用 LM2596 开关电压调节器，输出适配电压为 RA4L1-KB、EFR32BG22、惯性测量模块供电，大电流放电电池提供持续能量，续流二极管并联电机两端，避免电机启停时产生的反向电动势损坏硬件。智能小车部分：领航车以 RA4L1-KB 为基础，额外扩展 Jetson Nano 开发板承载编队算法运算，ZigBee 模块通过 UART 接口与 RA4L1-KB 连接，接收从车与无人机的位置、角度信息；从车搭载 RA4L1-KB 与九轴陀螺仪，陀螺仪通过 I2C 接口将角度数据传输至 RA4L1-KB，电机驱动选用 L298N 模块，RA4L1-KB 通过 GPIO 输出控制信号调整小车位置，同时预留机械臂扩展接口，满足多样化任务需求。

在通信与抗干扰设计上，保障数据传输稳定性与定位精度。ZigBee 通信模块采用主从式网络结构，领航车的 RA4L1-KB 作为协调器，从车与无人机的 RA4L1-KB 作为终端节点，通过 ZigBee 协议实现位置、角度数据的双向传输，支持自动路由与故障路径切换，确保编队过程中通信不中断。PCB 布局遵循 “模拟 - 数字隔离” 原则，将 EFR32BG22 蓝牙模块、惯性测量模块的模拟地与 RA4L1-KB 的数字地通过磁珠单点连接，定位与通信信号路径采用屏蔽层包裹；电源端并联 100μF 电解电容与 100nF 陶瓷电容滤波，抑制工频干扰与数字信号串扰，进一步保障 AOA 定位与 ZigBee 通信的可靠性。

*5、软件部分

软件基于瑞萨灵活软件包开发，围绕 RA4L1-KB 的硬件特性构建 “底层驱动 - 核心算法 - 功能逻辑” 三级架构，实现定位、通信、编队的全流程自动化，兼顾实时性与协同精度，满足文档规定的一车一机跟随、多车单机人字形编队需求。

在底层外设驱动与初始化层面，依托灵活软件包的模块化 API 实现高效配置。SPI 驱动初始化 RA4L1-KB 的 SPI1 接口，用于与 EFR32BG22 蓝牙模块通信，读取信号相位差数据，时钟频率设置为 10MHz 以保障数据传输速率；UART 驱动配置 UART0 接口，波特率设为 115200，对接 ZigBee 模块实现领航车与从车、无人机之间的位置、角度数据收发，自定义数据帧格式包含帧头、数据段、校验位、帧尾，通过异或校验保障数据完整性；I2C 驱动初始化 I2C0 接口，读取惯性测量模块与九轴陀螺仪的姿态数据，采样率设置为 100Hz 为姿态解算提供高频数据支撑；定时器驱动启用 Timer0，定时 1ms 生成 PWM 信号控制无人机电机与小车电机，脉冲精度控制在 1μs 以内确保电机调速稳定。

在核心算法实现层面，针对 RA4L1-KB 算力优化处理逻辑。蓝牙 AOA 定位算法环节，RA4L1-KB 接收 EFR32BG22 传输的天线阵列相位差数据，结合信号波长与天线间距，通过公式计算到达角并解算智能体相对接收机的位置坐标，每 50ms 更新一次定位数据，通过滑动窗口滤波优化误差，确保平均定位误差小于 10cm；ZigBee 通信协议栈基于 UART 模块封装，领航车 RA4L1-KB 作为协调器，每 100ms 向从车与无人机发送位置调整指令，从车与无人机接收指令后通过 RA4L1-KB 解析并执行位置修正，同时回传自身实时状态数据；编队控制算法采用文档中的领航者 - 跟随者算法，领航车的 RA4L1-KB 与 Jetson Nano 协同运算：RA4L1-KB 采集各智能体位置数据并传输至 Jetson Nano，Jetson Nano 根据预设编队队形计算从车与无人机的位置偏差、姿态角偏差，生成调整指令后通过 RA4L1-KB 的 ZigBee 模块下发，从车与无人机的 RA4L1-KB 接收指令后控制电机调整速度与方向，实现编队协同。

在功能逻辑与稳定性设计层面，构建闭环控制流程。无人机姿态控制环节，RA4L1-KB 实时读取惯性测量模块数据，通过四元数姿态解算得到当前姿态角，结合 PID 算法输出 PWM 信号调整电机转速，确保悬停稳定；小车位置控制环节，RA4L1-KB 根据 ZigBee 接收的调整指令，控制 L298N 电机驱动模块改变 PWM 占空比调整小车速度，同时结合九轴陀螺仪数据修正行驶方向，避免偏移；异常处理上，启用 RA4L1-KB 的看门狗定时器，定时 2s 监测系统状态，若通信中断或定位数据异常，自动触发蜂鸣器报警并控制智能体减速，保障编队安全。软件整体采用 FreeRTOS 进行任务调度，将 “蓝牙 AOA 定位”“ZigBee 通信” 设为高优先级采用抢占式调度，“姿态解算”“电机控制” 设为中优先级，“数据日志记录” 设为低优先级，确保核心功能的实时响应。

*6、BOM清单

No.	Quantity	Comment	Designator	Footprint	Value	Manufacturer Part	Manufacturer	Supplier Part
1	1	2.3kHz	BUZZER1	BUZ-TH_BD12.0-P7.60-D0.6-FD	2.3kHz	TMB12A05	华能	C96093
2	4	220uF	C1,C4,C7,C8	CAP-SMD_BD6.3-L6.6-W6.6-FD	220uF	RVT220UF16V67RV0015	KNSCHA(科尼盛)	C2887273
3	4	100nF	C2,C3,C5,C6	C0805	100nF	CL21B104KBCNNNC	SAMSUNG(三星)	C1711
4	4	ZX-XH2.54-2PZZ	CN1,CN2,CN3,CN4	CONN-TH_2P-P2.50_HX25003-2A		ZX-XH2.54-2PZZ	Megastar(兆星)	C7429632
5	1	12V外接电源插孔	DC1	DC-IN-TH_DC005		DC005	SHOU HAN(首韩)	C431533
6	4	NCD0805G1	LED1,LED2,LED3,LED4	LED0805-R-RD		NCD0805G1	国星光电	C84260
7	1	MMSS8050-L-TP	Q1	SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR		MMSS8050-L-TP	MCC(美微科)	C194044
8	9	10kΩ	R16,R17,R18,R27,R28,R29,R30,R31,R32	R0805	10kΩ	0805W8F1002T5E	UNI-ROYAL(厚声)	C17414
9	1	1kΩ	R26	R0805	1kΩ	RS-05K1001FT	FH(风华)	C115316
10	4	M3螺丝	SCREW1,SCREW2,SCREW3,SCREW4	M3螺丝
11	1	SP-2212	SW3	SW-TH_6P-L7.2-W7.2-P2.00-LS5.0		SP-2212	RISHENG(日昇)	C589287
12	1	Test-Point	TP1	Test-Point-0.5mm
13	1	0.96OLED模块_4P	U1	0.96OLED_4P
14	1	ESP32主控宽度26MM	U3	HDR-TH_19P-P2.54-V-F		PM254-1-19-Z-8.5	HCTL(华灿天禄)	C2897382
15	1	PM254-1-19-Z-8.5	U4	HDR-TH_19P-P2.54-V-F		PM254-1-19-Z-8.5	HCTL(华灿天禄)	C2897382
16	1	LM1117S-5.0	U5	SOT-223-3_L6.5-W3.4-P2.30-LS7.0-BR		LM1117S-5.0	HTC	C126028
17	2	4.7uH	U6,U8	IND-SMD_L2.5-W2.0-VLS252012CX-150M	4.7uH	FTC252010S4R7MBCA	cjiang(长江微电)	C5832360
18	1	LM1117S-3.3	U7	SOT-223-3_L6.5-W3.4-P2.30-LS7.0-BR		LM1117S-3.3	HTC	C126027
19	3	ZX-XH2.54-8PWZ	U12,U13,U14	CONN-TH_8P-P2.50_ZX-XH2.54-8PWZ		ZX-XH2.54-8PWZ	Megastar(兆星)	C7429647
20	1	ZX-XH2.54-5PZZ	U15	CONN-TH_5P-P2.50_ZX-XH2.54-5PZZ		ZX-XH2.54-5PZZ	Megastar(兆星)	C7429635

*7、大赛LOGO验证

大赛logo的项目图片，logo以丝印形式印刷在PCB上面。

点击zip下载大赛logo标识！（大赛标识）.zip

* 8、演示您的项目并录制成视频上传

视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内；

视频标题：立创电赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如立创电赛：《自动驾驶》-团队介绍。

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设计图

未生成预览图，请在编辑器重新保存一次

BOM

暂无BOM

3D模型

序号	文件名称	下载次数
暂无数据

附件

序号	文件名称	下载次数
1	BOM_电源，主控层电路板_电源，主控层电路板_2025-10-22.xlsx	0
2	BOM_电机驱动板_电机驱动电路板_2025-10-22.xlsx	0
3	Gerber_PCB_四旋翼无人机_2_2025-10-19.zip	0

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#第十届立创电赛#基于蓝牙AOA定位的车机编队协同系统

工程标签

简介

车机协同编队分为无人机编队以及智能小车编队，同时外置惯性测量模块、无线通讯模块、电机驱动模块、电源管理模块等组成系统。

开源协议

BSD License

描述

1、项目功能介绍