四旋翼自主飛行器探測跟蹤系統

買彩鳳

摘 要：以四旋翼自主飛行器為基礎，基于視覺的目標識別與跟蹤問題，完成了系統設計、識別跟蹤算法設計和實驗驗證這一整套流程。飛行器通過電子調速器控制來驅動飛行器的四個直流電機，利用三軸角速度傳感器與三軸加速度傳感器集成的MPU6050芯片以及姿態解算實現飛機平穩上升，利用超聲波測取當前高度達到目標高度并完成懸停要求。通過遙控器來發射信號，當遙控小車的接收模塊接收到信息并將其傳遞給STM32單片機，再根據內部程序輸出PWM波，電機驅動接收PWM波后將順利完成四個基本動作：前進、后退、左轉、右轉；采用攝像頭傳感器追蹤目標車的顏色，以此達到飛行器探測追蹤要求。

關鍵詞：四旋翼；瑞薩單片機；OV7670攝像頭；PID算法；

一、系統方案

本系統主要由控制系統模塊、電機驅動模塊、飛行姿態檢測模塊、超聲波測距模塊、攝像頭模塊、電源模塊組成。本設計以瑞薩（Renesas）單片機RX23T作為主控芯片為其控制系統模塊。此控制器是一款功能強大的處理器，且運算速度快，非常適用于處理較復雜的任務。利用其單片機輸出PWM波通過電子調速器來驅動四個直流電機構成電機驅動模塊。利用3軸MEMS陀螺儀傳感器，3軸MEMS加速度計傳感器以及氣壓計傳感器集成的芯片和STM32 F103芯片作為飛行姿態檢測模塊，通過三個16位的ADC將其測量到的模擬量轉化為輸出且能夠被單片機直接處理的數字量，從而減輕單片機的工作量。利用超聲波的反射特性來測距離從而控制飛行器的高度來構成超聲波測距模塊。利用攝像頭采集圖像通過腐蝕算法處理采集到信息找到目標信號構成其攝像頭模塊。

1、控制系統模塊器件的論證與選擇

主控模塊的選擇：主控模塊作為整個控制系統的核心，其處理器的選型顯得尤為重要。在本系統中，對處理器的選型需要考慮一下幾點：

（1）處理器必須具有足夠運算能力，能實時的對飛行器的姿態進行修正；

（2）在姿態解算過程中需要處理器進行大量的浮點運算。因此要求處理器具有一定的浮點運算能力；

（3）考慮到處理器和內存進行數據交換比較頻繁，所以選用處理器芯片內部必須有足夠的空間對數據進行存儲；

（4）要有足夠的外設，不僅考慮到當前用到的外設，而且還要考慮以后升級需要的外設，所以選用外設較多的處理器；

（5）由于對電機進行控制主要是靠控制 PWM 波的占空比來實現的，所以應該選用帶有增強型的 HRPWM 控制器的處理器。

1.1.單片機的選擇

采用RX23T型號的瑞薩單片機，RX23T的瑞薩單片機具有新高性能CPU：RXV2CORE；其最大工作頻率為40MHZ，電源電壓為單一電源2.7-5.5V；擁有64-128KB的Flash、12KB的RAM內置存儲器、32MHz（精度± 1%： --20℃+85℃時）的內置發振電路。

1.2控制系統方案選擇

利用實驗室已有的單片機最小系統板，直接搭建控制系統，單片機最小系統可以直接使用，減少搭建硬件的難度，而且具有穩定性強，所占空間小等優點。

2、飛行姿態檢測模塊器件的論證與選擇

利用陀螺儀和加速度傳感器集成的MPU-6050

檢測飛行姿態需要采用陀螺儀和加速度傳感器來測量傾角，不斷地檢測自身的飛行狀態，根據自身姿態來調節自身平衡，從而達到穩定飛行。為了避免陀螺儀和加速度傳感器安裝中可能出現的機械偏差。本設計采用3軸陀螺儀和3軸加速度計所集成兩者的MPU6050傳感器模塊。

3、超聲波測距模塊器件的論證與選擇

由于要求四旋翼飛行器近地飛行，且控制飛行在不低于1m高度懸停，因此決定采用超聲波來測距。其具有測量準確，無接觸，防水，防腐蝕，低成本等優點。本設計的超聲波測距模塊將采用HC-SR04超聲波測距傳感器，這是一種集發射與接收于一體的超聲波模塊，該模塊性能穩定，測度距離精確，模塊高精度，盲區小，且非常適合近地飛行測距。

4、攝像頭模塊器件的論證與選擇

OV7670傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。且擁有獨有的傳感器技術，通過減少或消除光學或電子缺陷如固定圖案噪聲、拖尾、浮散等，提高圖像質量，得到清晰的穩定的彩色圖像。為了完成探測跟蹤，使其追擊到目標信號，本次設計將使用STM32驅動ALIENTEK OV7670攝像頭模塊，實現攝像頭功能。

二、系統理論分析與計算

1、數字PID位置型控制算法

PID控制是迄今為止最為廣泛應用的控制算法，大多數反饋回路都是通過該方法或其變形來實現控制。并且由于PID控制算法結構簡單，對誤差和擾動模型的建立具有穩定性且容易操作。在四旋翼自主飛行器的控制中，雖然文獻[2]中都對四旋翼飛行器的控制都建立的數學模型，但由于被控制過程中有許多未知干擾和擾動影響飛行器的飛行，因此本設計采用PID控制。按偏差的比例、積分、微分進行控制的控制器成為PID控制器，用來調節其穩定性、回復性、阻尼性，控制俯仰角、翻滾角、航向角的速度。

輸出值=P的調節值+ I的調節值+ D的調節值

ki_out= ki * increment；

kd_out=kd * （sensor.gyro.histor.y - sensor.gyro.averag.y）*33；

kp_out= kp * E_pitch；

俯仰角：kp=1.5，ki=0.07，kd=0.35、翻滾角：kp=5.8，ki=0.04，kd=0.35、航向角：kp=1.8，ki=0，kd=0.1。

2、定高部分控制算法

定高控制算法采用的是位置式 PID 控制，定高控制的輸出最后與姿態控制的輸出疊加到四個電機的控制中[4]。對超聲波的數據濾波使用的是低通濾波，采用近三次的平均值。為減小高度控制對姿態控制的干擾，通過PID算法確定結果，再輸出高度PWM波。HightPwm=Rc_data.THROTLO+（g_HightControl-g_HightControlold）*kp；一鍵起飛是當遙控器發出該指令時，高度設定為0.5m，定高控制PID起作用，直到四軸飛行器達到設定高度后，飛行器進行自主定高飛行。

kp=0.25，Rc_data.THROTLO=1650，g_HightControlold=0.5，g_HightControl為當前高度。

三、電路與程序設計

1、電路的設計

（1）系統總體框圖

（2）飛行控制子系統框圖與電路原理圖

1、飛行控制子系統框圖

2、程序的設計

四旋翼飛行器飛行控制系統軟件設計的主要任務是對以DSP處理器為核心的控制系統進行軟件開發。軟件設計應用模塊化設計思想，易于擴展和升級.

（1）主程序功能描述與設計思路

整個軟件設計可以分為兩部分。其中中斷處理部分可以將采集的傳感器的數據通過外設與 DSP 進行數據交換。主程序主要完成對系統內各部分進行控制。四旋翼飛行器控制系統完成自檢后，系統進入等待狀態。若有控制命令，則中央控制單元對命令進行解析，執行相關操作。控制系統執行完命令后再次進入等待狀態，等待接收新的命令。系統上電后，先執行自檢過程，包括通訊狀態檢測、傳感器偏置檢測和電機執行模塊的檢測等。執行命令的過程就是四旋翼飛行器接收姿態解算角度值送入設計的

（2）子程序功能描述與設計思路

姿態解算模塊軟件設計在本系統中選用了微機電數字傳感器，該傳感器內部集成了濾波電路，所以控制器讀取到數據后不需要花費時間進行濾波，同時也節省了 DSP處理器的資源。姿態解算模塊軟件設計主要完成的工作包括數據的采集、數據的預處理和姿態的解算三個方面的工作。通過串級PID控制器，完成對飛行器姿態的調整，以達到設計要求給定的飛行任務。

參考文獻：

[1]夏長亮，楊曉軍，史婷娜等，基于魯棒調節器的無刷直流電機速度控制研究[J]，電工電能新技術，21（3）：5-8，2008.

[2] 曾小勇，彭輝，吳軍.四旋翼飛行器的建模與姿態控制[J].中南大學學報（自然科學版），2013，44（9）：3693-3700.

[3] 張濤.基于QFT的四旋翼飛行器飛行控制算法研究[J].科技創新導報，2012，（24）：10-11.