一、任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作四旋翼自主飛行器探測(cè)跟蹤系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)制作一架四旋翼自主飛行器，飛行器上安裝一向下的激光筆；制作一輛可遙控小車作為信標(biāo)。

飛行器飛行和小車運(yùn)行區(qū)域俯視圖和立體圖分別如圖 1 和圖 2 所示。

二、要求

1. 基本要求

（1）四旋翼自主飛行器（以下簡(jiǎn)稱飛行器）擺放在圖 1 所示的 A 區(qū)，一鍵式啟動(dòng)飛行器，起飛并在不低于 1m 高度懸停， 5s 后在 A 區(qū)降落并停機(jī)。
懸停期間激光筆應(yīng)照射到 A 區(qū)內(nèi)。

（2）手持飛行器靠近小車,當(dāng)兩者距離在 0.5～1.5m 范圍內(nèi)時(shí)，飛行器和小車發(fā)出明顯聲光指示。

（3）小車擺放在位置 8。
飛行器擺放在 A 區(qū)，一鍵式啟動(dòng)飛行器，飛至小車上方且懸停 5s 后擇地降落并停機(jī)；
懸停期間激光筆應(yīng)照射到位置 8區(qū)內(nèi)且至少照射到小車一次，飛行時(shí)間不大于 30s。

2. 發(fā)揮部分

（1）小車擺放在位置 8。
飛行器擺放在 A 區(qū)，一鍵式啟動(dòng)飛行器，飛至小車上方后，用遙控器使小車到達(dá)位置 2 后停車，期間飛行器跟隨小車飛行；
小車靜止 5s 后飛行器擇地降落并停機(jī)。
飛行時(shí)間不大于 30s。

（2）小車擺放在位置 8。
飛行器擺放在 A 區(qū)，一鍵式啟動(dòng)飛行器。
用遙控器使小車依次途經(jīng)位置 1～9 中的 4 個(gè)指定位置，飛行器在距小0.5～1.5m 范圍內(nèi)全程跟隨；
小車靜止 5s 后飛行器擇地降落并停機(jī)。
飛行時(shí)間不大于 90s。

（3）其他

三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

四、說明

1．參賽隊(duì)所用飛行器應(yīng)遵守中國(guó)民用航空局的管理規(guī)定（《民用無人駕駛航空器實(shí)名制登記管理規(guī)定》，編號(hào)：AP-45-AA-2017-03）。

2．飛行器槳葉旋轉(zhuǎn)速度高，有危險(xiǎn)！請(qǐng)務(wù)必注意自己及他人的人身安全。

3．除小車、飛行器的飛行控制板、單一攝像功能模塊外，其他功能的實(shí)現(xiàn)必須使用組委會(huì)統(tǒng)一下發(fā)的 2017 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 RX23T 開發(fā)套件中 RX23T MCU 板（芯片型號(hào) R5F523T5ADFM，板上有“NUEDC”標(biāo)識(shí)）。
RX23T MCU 板應(yīng)安裝于明顯位置，可插拔，“NUEDC”標(biāo)識(shí)易觀察，以便檢查。

4．四旋翼飛行器可自制或外購(gòu)，帶防撞圈，外形尺寸（含防撞圈）限定為：長(zhǎng)度≤50cm，寬度≤50cm。飛行器機(jī)身必須標(biāo)注賽區(qū)代碼。

5．遙控小車可自制或外購(gòu)，外形尺寸限定為：長(zhǎng)度≤20cm，寬度≤15cm。
小車車身必須標(biāo)注賽區(qū)代碼。

6．飛行區(qū)域地面為白色；A 區(qū)由直徑 20cm 黑色實(shí)心圓和直徑 75cm 的同心圓組成。
位置 1～9 由直徑 20cm 的圓形及數(shù)字 1～9 組成。
位置 8 區(qū)是指位置 8 的直徑 75cm 同心圓。
圓及數(shù)字線寬小于 0.1cm。
飛行區(qū)域不得額外設(shè)置任何標(biāo)識(shí)、引導(dǎo)線或其他裝置。

7．飛行過程中飛行器不得接觸小車。

8．測(cè)試全程只允許更換電池一次。

9．飛行器不得遙控，飛行過程中不得人為干預(yù)。
小車由一名參賽隊(duì)員使用一個(gè)遙控器控制。
小車與飛行器不得有任何有線連接。
小車遙控器可用成品。

10．飛行器飛行期間，觸及地面或保護(hù)網(wǎng)后自行恢復(fù)飛行的，酌情扣分；
觸地觸網(wǎng)后 5s 內(nèi)不能自行恢復(fù)飛行視為失敗，失敗前完成的部分仍計(jì)分。

11．一鍵式啟動(dòng)是指飛行器擺放在 A 區(qū)后，只允許按一個(gè)鍵啟動(dòng)。
如有飛行模式設(shè)置應(yīng)在飛行器擺放在 A 區(qū)前完成。

12．基本要求（3）和發(fā)揮部分（1）、（2）中擇地降落是指飛行器穩(wěn)定降落于場(chǎng)地任意地點(diǎn)，避免與小車碰撞。

13．基本要求（3）和發(fā)揮部分（1）、（2）飛行時(shí)間超時(shí)扣分。

14．發(fā)揮部分（1）、（2）中飛行器跟隨小車是指飛行器飛行路徑應(yīng)與小車運(yùn)行路徑一致，出現(xiàn)偏離酌情扣分。
飛行器飛行路徑以激光筆照射地面位置為準(zhǔn)，照射到小車車身或小車運(yùn)行路徑視為跟隨。

15．發(fā)揮部分（2）中指定位置由參賽隊(duì)員在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)抽簽決定。

16．為保證安全，可沿飛行區(qū)域四周架設(shè)安全網(wǎng)（長(zhǎng) 600cm，寬 500cm，高300cm），頂部無需架設(shè)。
若安全網(wǎng)采用排球網(wǎng)、羽毛球網(wǎng)時(shí)可由頂向下懸掛不必觸地，不得影響視線。安裝示意圖如圖 3 所示。

論文

摘 要

此飛行器跟蹤系統(tǒng)是針對(duì)四旋翼飛行器具有圖像采集處理、目標(biāo)追蹤、姿態(tài)控制以及定高飛行的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

該系統(tǒng)采用 RX23T 和 STM32f407VG 作為系統(tǒng)的主控芯片，MPU6050 三軸陀螺儀作為飛行姿態(tài)反饋機(jī)構(gòu)。

定高飛行是通過超聲波模塊實(shí)時(shí)采集的對(duì)地高度數(shù)據(jù)，并由 STM32f407VG 進(jìn)行處理，然后根據(jù)程序設(shè)定的高度值實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，圖像通過 RX23T 對(duì)目標(biāo)的顏色進(jìn)行識(shí)別反饋給 STM32f407VG 進(jìn)行處理，最后調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到目標(biāo)追蹤。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)定性與準(zhǔn)確性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；飛行姿態(tài)；圖像；目標(biāo)追蹤

0 引言

如今無人機(jī)已經(jīng)滲入很多領(lǐng)域，如拍攝電影、科學(xué)研究、空中救援、空中巡檢和快遞投送等，無人機(jī)在很多方面影響著人們的生活。

民用領(lǐng)域要求無人機(jī)飛行速度在 100 km/h 以下，飛行高度低于 3 000 m。

無人機(jī)具有經(jīng)濟(jì)、安全和易操作的優(yōu)點(diǎn)，因此在很多領(lǐng)域都有著廣泛的需求，小型無人機(jī)可在防火、搜救、核輻射探測(cè)、交通監(jiān)管、國(guó)土勘探監(jiān)測(cè)、野外巡邏等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

隨著無人機(jī)技術(shù)的普及和現(xiàn)代社會(huì)衍生的新型行業(yè)需要，無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域由原來的軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到民用領(lǐng)域。

另外，飛控系統(tǒng)在穩(wěn)定和實(shí)用性方面的不斷完善，推進(jìn)了無人機(jī)市場(chǎng)應(yīng)用需求。

因此，無人機(jī)行業(yè)將迎來發(fā)展的黃金時(shí)代。

本設(shè)計(jì)是基于自主飛行的四旋翼飛行器跟蹤系統(tǒng)，全程飛行不需要遙控器控制。

飛行器能夠一鍵啟動(dòng)并根據(jù)目標(biāo)的顏色自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)和追蹤目標(biāo)，這在無人機(jī)智能飛行領(lǐng)域具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

四旋翼自主飛行器跟蹤系統(tǒng)主要由主控 RX23T 最小系統(tǒng)部分、STM32F407 姿態(tài)采集與處理部分、電源供給部分、外圍傳感器模塊等組成，下面將論證這些主要的模塊選擇與程序設(shè)計(jì)。

1.1 主控芯片選擇方案

方案 1：主控器的芯片采用 STM32F407。

STM32F407 是基于超低功耗的 ARM Cortex-M4 處理器內(nèi)核并整合增強(qiáng)的技術(shù)和功能，主要瞄準(zhǔn)中低成本預(yù)算的應(yīng)用。

該系列微控制器能夠在經(jīng)濟(jì)型用戶終端產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)且復(fù)雜的功能。

如果單獨(dú)采用 STM32F407，完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能包括飛行控制、圖像采集與處理、飛行器定高等非常困難，而且其處理功能相對(duì)于瑞薩 RX23T 不是很強(qiáng)。

方案 2：主控采用瑞薩 RX23T 和 STM32F407。

STM32F407 和瑞薩 RX23T 都是基于 32 位帶有超強(qiáng)的模擬量處理功能，它們使客戶能夠以較低的成本建立高集成度和高效節(jié)能的應(yīng)用平臺(tái)。

兩者結(jié)合使用具有低功耗、高性能的出色表現(xiàn)，因此它們是四旋翼姿態(tài)數(shù)據(jù)接收和飛行姿態(tài)控制的最佳主控芯片組合，結(jié)合這兩款單片機(jī)分配不同的任務(wù)，不僅降低開發(fā)難度，而且沒有大幅度提高成本。

結(jié)合上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的飛行器主控器選擇方案 2。

1.2 姿態(tài)采集模塊選擇

與其他姿態(tài)采集模塊相比，MPU6050 是三軸陀螺儀模塊，它可實(shí)時(shí)測(cè)量飛行器的 X 軸、Y 軸、Z 軸加速度以及 X 軸、Y 軸、Z 軸旋轉(zhuǎn)角度。

MPU6050 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小、可靠性強(qiáng)，而且具有自動(dòng)姿態(tài)解算功能。

雖然輸出數(shù)據(jù)需要浮點(diǎn)運(yùn)算來保證精度，但利用 STM32F407 運(yùn)算速度快的優(yōu)勢(shì)可以容易解決這些問題。

綜上所述，姿態(tài)采集計(jì)選擇 MPU6050。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式選擇

四旋翼飛行器電機(jī)通常使用空心杯電機(jī)和無刷電機(jī)，使用空心杯電機(jī)的飛行器不需要電調(diào)驅(qū)動(dòng)，但荷載能力差。

電調(diào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有控制方便、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

電調(diào)驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)是四旋翼飛行器普遍選擇的驅(qū)動(dòng)方式，通過電調(diào)的通斷，達(dá)到放大驅(qū)動(dòng)電流控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電調(diào)調(diào)節(jié)要根據(jù)不同的機(jī)架進(jìn)行，針對(duì) F450 機(jī)架又考慮到荷載能力，此四旋翼飛行器采用電調(diào)驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 MPU6050 分析與計(jì)算

MPU6050 是一種應(yīng)用非常廣泛的 6 軸加速度計(jì)，其測(cè)量數(shù)據(jù)受外界影響很大，如電機(jī)振動(dòng)或外界噪聲等，故采用非矩陣卡爾曼濾波算法，這種算法的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，特別是在白噪聲數(shù)據(jù)處理方面有明顯效果，故本文采取該算法進(jìn)行計(jì)算。

2.2 姿態(tài)解算的分析與計(jì)算

姿態(tài)解算是飛行器自穩(wěn)功能的核心，陀螺儀在飛行器靜止時(shí)會(huì)產(chǎn)生漂移誤差。

因此，首先需要獲得陀螺儀的數(shù)據(jù)，并根據(jù)此數(shù)據(jù)換算得到四元數(shù)姿態(tài)，這些姿態(tài)參數(shù)就是卡爾曼濾波中姿態(tài)的估計(jì)值，然后通過加速度計(jì)和羅盤計(jì)算出的數(shù)據(jù)得到另外一組姿態(tài)參數(shù)，將這組參量作為測(cè)量值，就可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3 串級(jí) PID 分析與計(jì)算

經(jīng)四元數(shù)轉(zhuǎn)換以后所獲得的歐拉角和陀螺儀測(cè)量獲得的角速度融合，然后進(jìn)行串級(jí) PID 控制，串級(jí) PID控制中外環(huán)為歐拉角，一般為 5 ms 循環(huán)執(zhí)行一次；內(nèi)環(huán)作為陀螺儀實(shí)時(shí)獲得的角速度，一般為 2.5 ms 循環(huán)執(zhí)行一次。

外環(huán)設(shè)定值為 STM32F407 的指令值，內(nèi)環(huán)的設(shè)定值是外環(huán)的輸出值。

通常內(nèi)環(huán)的角速度控制無靜差，因此內(nèi)環(huán)常常采用 PID 控制，以防測(cè)量誤差對(duì)自穩(wěn)系統(tǒng)造成較大影響。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

完整的四旋翼自主飛行器跟蹤系統(tǒng)包含系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)以及程序設(shè)計(jì)等，其中程序設(shè)計(jì)是其核心，程序設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖與主要模塊電路圖

系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示，系統(tǒng)具有超聲波定高模塊、飛行自穩(wěn)模塊和攝像頭跟蹤模塊以及電源和電調(diào)模塊。

（1）飛行器主要模塊電路圖。四旋翼飛行器主要模塊電路中，電子羅盤 AK8975 電路圖如圖 2 所示，陀螺儀 MPU6050 電路圖如圖 3 所示，氣壓計(jì) MS5611 電路圖如圖 4 所示，



（2）四旋翼飛行器電源部分。

四旋翼飛行器電源部分由，整流變壓，濾波和穩(wěn)壓這幾部分構(gòu)成。

電源為系統(tǒng)提供 3.3 V、5 V、12 V 電壓，確保主控制電路、飛行控制電路和電機(jī)控制電路的正常穩(wěn)定工作。

源電路采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，而且電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，故不作詳細(xì)介紹。

3.2 四旋翼飛行器系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

此四旋翼系統(tǒng)采用 C 程序設(shè)計(jì)，編譯環(huán)境在 E2STUDIO 下實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)試。

程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊都經(jīng)過主程序進(jìn)行調(diào)用，程序首先是初始化，當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后通過調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)功能模塊的程序。

根據(jù)四旋翼系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)要求，使軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)飛行器的一鍵起飛、懸停、定位和追蹤等功能。

四旋翼飛行控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思路為控制器上電、延時(shí)啟動(dòng)、電源電壓檢測(cè)等，延時(shí)啟動(dòng)減少電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，然后定時(shí)器設(shè)定飛行器的四個(gè)電機(jī)接收的 PWM 周期、串行通信口初始化，并在中斷服務(wù)程序中接收 MPU6050 模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

序初始化結(jié)束后，自穩(wěn)功能模塊可自動(dòng)設(shè)定目標(biāo)姿態(tài)、循環(huán)檢測(cè)MPU6050 數(shù)據(jù)是否完成接收，如果有效的姿態(tài)數(shù)據(jù)接收到，程序就進(jìn)入姿態(tài)控制函數(shù)。

在姿態(tài)控制函數(shù)中可利用飛行器的 Roll（翻滾）、Pitch（俯仰）數(shù)據(jù)，結(jié)合模糊控制算法，計(jì)算出不同姿態(tài)時(shí)，每個(gè)無刷電機(jī)需要的調(diào)整量以補(bǔ)償 PWM 波形偏差，這樣不斷地接受姿態(tài)數(shù)據(jù)，解算數(shù)據(jù)，調(diào)整量輸出，使四軸飛行器穩(wěn)定的飛行。

PID 控制程序流程可描述如下：

首先，將當(dāng)前歐拉角與設(shè)定歐拉角相減；

第二，檢查油門量是否過超；

第三，計(jì)算 Roll 和 Pitch 軸的 P 分量，如果滿足計(jì)算 I 分量的計(jì)算條件，則計(jì)算 Roll 和 Pitch 軸的 I 分量，

然后進(jìn)入第四步，如果不滿足計(jì)算 I 分量的計(jì)算條件，則直接進(jìn)入第四步；

第四，計(jì)算 Roll 和 Pitch 軸的 D 分量；

第五，計(jì)算 Yaw 周的 PD 分量；

第六，合成 Roll、Pitch、Yaw 的 PID 分量；

最后，按照 V 模式將控制量輸出給四個(gè)電機(jī)。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

硬件測(cè)試?yán)眠b控器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及姿態(tài)調(diào)整，按電調(diào)解調(diào)的步驟對(duì)四個(gè)電調(diào)校準(zhǔn)。

軟硬件的聯(lián)調(diào)是通過 RX23T 模擬遙控器的不同通道輸入波形控制 STM32，使飛行器能按著不同的姿態(tài)做飛行動(dòng)作。

根據(jù)動(dòng)作的偏差不斷調(diào)節(jié)姿態(tài)和加速度的參數(shù)值，最終使之達(dá)到預(yù)想的飛行狀態(tài)。

通過瑞薩單片機(jī)編程，模擬遙控器對(duì)應(yīng)功能的輸出 PWM，利用 PWM 波控制 stm32f407 單片機(jī)，使 stm32f407 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其控制飛控的功能。

另外，由于飛行器在室內(nèi)飛行，為保證安全性，可以通過超聲波使飛行器定高飛行，通過程序設(shè)計(jì)使飛行器懸停在 1 200 mm 的空中。

最后進(jìn)行前進(jìn)后退的校準(zhǔn)，使其飛行足夠準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中經(jīng)過多次方案調(diào)整，飛行控制系統(tǒng)由最初的單個(gè) 16 位控制器改為兩個(gè)32 位控制器控制，雖然控制算法和程序編寫上更加復(fù)雜，但是飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和冗余性得到了改善。

經(jīng)過數(shù)次調(diào)試和程序優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了飛行器一鍵起動(dòng)，目標(biāo)追蹤以及飛行姿態(tài)控制和飛行器定高飛行等各項(xiàng)要求。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的2017 年全国大学生电子设计竞赛试题——四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C 题）【本科组】2的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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