四旋翼自主飞行器跟踪系统设计

0 引言

如今无人机已经渗入很多领域，如拍摄电影、科学研究、空中救援、空中巡检和快递投送等，无人机在很多方面影响着人们的生活。民用领域要求无人机飞行速度在100 km/h以下，飞行高度低于3 000 m。无人机具有经济、安全和易操作的优点，因此在很多领域都有着广泛的需求，小型无人机可在防火、搜救、核辐射探测、交通监管、国土勘探监测、野外巡逻等领域具有极高的应用价值。随着无人机技术的普及和现代社会衍生的新型行业需要，无人机应用领域由原来的军事领域扩展到民用领域。另外，飞控系统在稳定和实用性方面的不断完善，推进了无人机市场应用需求。因此，无人机行业将迎来发展的黄金时代。本设计是基于自主飞行的四旋翼飞行器跟踪系统，全程飞行不需要遥控器控制。飞行器能够一键启动并根据目标的颜色自动识别目标和追踪目标，这在无人机智能飞行领域具有实际的应用意义。

1 系统方案设计

四旋翼自主飞行器跟踪系统主要由主控RX23T最小系统部分、STM32F407姿态采集与处理部分、电源供给部分、外围传感器模块等组成，下面将论证这些主要的模块选择与程序设计。

1.1 主控芯片选择方案

方案1：主控器的芯片采用STM32F407。STM32F407是基于超低功耗的ARM Cortex-M4处理器内核并整合增强的技术和功能，主要瞄准中低成本预算的应用。该系列微控制器能够在经济型用户终端产品上实现先进且复杂的功能。如果单独采用STM32F407，完全实现系统各项功能包括飞行控制、图像采集与处理、飞行器定高等非常困难，而且其处理功能相对于瑞萨RX23T不是很强。

课堂教学是数学史渗透的主要途径，数学教师要充分挖掘教材内容的科学性和思想性，根据教材编排体系，采用多样化渗透方法。

方案2：主控采用瑞萨RX23T和STM32F407。STM32F407和瑞萨RX23T都是基于32位带有超强的模拟量处理功能，它们使客户能够以较低的成本建立高集成度和高效节能的应用平台。两者结合使用具有低功耗、高性能的出色表现，因此它们是四旋翼姿态数据接收和飞行姿态控制的最佳主控芯片组合，结合这两款单片机分配不同的任务，不仅降低开发难度，而且没有大幅度提高成本。

系统总体框图如图1所示，系统具有超声波定高模块、飞行自稳模块和摄像头跟踪模块以及电源和电调模块。

MPU6050是一种应用非常广泛的6轴加速度计，其测量数据受外界影响很大，如电机振动或外界噪声等，故采用非矩阵卡尔曼滤波算法，这种算法的优点非常明显，特别是在白噪声数据处理方面有明显效果，故本文采取该算法进行计算。

1.2 姿态采集模块选择

与其他姿态采集模块相比，MPU6050是三轴陀螺仪模块，它可实时测量飞行器的X轴、Y轴、Z轴加速度以及X轴、Y轴、Z轴旋转角度。MPU6050结构简单体积小、可靠性强，而且具有自动姿态解算功能。虽然输出数据需要浮点运算来保证精度，但利用STM32F407运算速度快的优势可以容易解决这些问题。综上所述，姿态采集计选择MPU6050。

1.3 电机驱动方式选择

四旋翼飞行器电机通常使用空心杯电机和无刷电机，使用空心杯电机的飞行器不需要电调驱动，但荷载能力差。电调驱动电机具有控制方便、质量轻、效率高等优点。电调驱动无刷电机是四旋翼飞行器普遍选择的驱动方式，通过电调的通断，达到放大驱动电流控制电机的转速，电调调节要根据不同的机架进行，针对F450机架又考虑到荷载能力，此四旋翼飞行器采用电调驱动无刷电机。[1]

2 系统理论分析与计算

2.1 MPU6050分析与计算

地表覆被是指地球陆地表层和近地面层的自然状态，它是自然过程和人类活动共同作用的结果[5]。地表覆被信息包括地球表面由于自然和人为影响而形成的所有覆盖物，例如植被、水体、建筑物、道路、岩石和沙丘等。这些信息对于地表、近地面系统、地球各圈层之间的相互作用、环境监测、环境变化等方面研究具有重要作用，导致地表覆被信息的获取成为当前研究的热点之一。

2.2 姿态解算的分析与计算

姿态解算是飞行器自稳功能的核心，陀螺仪在飞行器静止时会产生漂移误差。因此，首先需要获得陀螺仪的数据，并根据此数据换算得到四元数姿态，这些姿态参数就是卡尔曼滤波中姿态的估计值，然后通过加速度计和罗盘计算出的数据得到另外一组姿态参数，将这组参量作为测量值，就可以得到相对准确的姿态数据。[2]

2.3 串级PID分析与计算

完整的四旋翼自主飞行器跟踪系统包含系统总体设计、电源设计以及程序设计等，其中程序设计是其核心，程序设计的优劣直接关系到系统能否安全稳定运行。

建筑工程项目是由多个复杂的环节构成的，容易出现一些不规范的现象。比如公司的流动资金去向不明，报账与实际花销不符，项目工程在结算方面容易被忽视，各个部门联系不够密切而导致财务数据滞后，等等[2]。

3 电路与程序设计

经四元数转换以后所获得的欧拉角和陀螺仪测量获得的角速度融合，然后进行串级PID控制，串级PID控制中外环为欧拉角，一般为5 ms循环执行一次；内环作为陀螺仪实时获得的角速度，一般为2.5 ms循环执行一次。外环设定值为STM32F407的指令值，内环的设定值是外环的输出值。通常内环的角速度控制无静差，因此内环常常采用PID控制，以防测量误差对自稳系统造成较大影响。[3]

3.1 系统总体设计框图与主要模块电路图

结合上述两种方案的优缺点，本文设计的飞行器主控器选择方案2。

  

图1 系统总体框图

（2）四旋翼飞行器电源部分。四旋翼飞行器电源部分由，整流变压，滤波和稳压这几部分构成。电源为系统提供3.3 V、5 V、12 V电压，确保主控制电路、飞行控制电路和电机控制电路的正常稳定工作。[4]源电路采用三端稳压管实现，而且电路设计比较简单，故不作详细介绍。

  

图2 电子罗盘AK8975电路图

  

图3 陀螺仪MPU6050电路图

  

图4 气压计MS5611电路图

（1）飞行器主要模块电路图。四旋翼飞行器主要模块电路中，电子罗盘AK8975电路图如图2所示，陀螺仪MPU6050电路图如图3所示，气压计MS5611电路图如图4所示，

3.2 四旋翼飞行器系统的程序设计

此四旋翼系统采用C程序设计，编译环境在E2STUDIO下实现软件调试。程序设计采用模块化设计，各功能模块都经过主程序进行调用，程序首先是初始化，当启动键按下后通过调用执行相应功能模块的程序。根据四旋翼系统程序设计要求，使软件设计实现飞行器的一键起飞、悬停、定位和追踪等功能。[5]

四旋翼飞行控制系统的程序设计思路为控制器上电、延时启动、电源电压检测等，延时启动减少电源波动对系统的干扰，然后定时器设定飞行器的四个电机接收的PWM周期、串行通信口初始化，并在中断服务程序中接收MPU6050模块发送的数据。序初始化结束后，自稳功能模块可自动设定目标姿态、循环检测MPU6050数据是否完成接收，如果有效的姿态数据接收到，程序就进入姿态控制函数。[6]在姿态控制函数中可利用飞行器的Roll（翻滚）、Pitch（俯仰）数据，结合模糊控制算法，计算出不同姿态时，每个无刷电机需要的调整量以补偿PWM波形偏差，这样不断地接受姿态数据，解算数据，调整量输出，使四轴飞行器稳定的飞行。PID控制程序流程可描述如下：首先，将当前欧拉角与设定欧拉角相减；第二，检查油门量是否过超；第三，计算Roll和Pitch轴的P分量，如果满足计算I分量的计算条件，则计算Roll和Pitch轴的I分量，然后进入第四步，如果不满足计算I分量的计算条件，则直接进入第四步；第四，计算Roll和Pitch轴的D分量；第五，计算Yaw周的PD分量；第六，合成Roll、Pitch、Yaw的PID分量；最后，按照V模式将控制量输出给四个电机。

4 测试方案与测试结果

参考文献：

5 结束语

本设计系统在实现过程中经过多次方案调整，飞行控制系统由最初的单个16位控制器改为两个32位控制器控制，虽然控制算法和程序编写上更加复杂，但是飞行控制系统的稳定性和冗余性得到了改善。经过数次调试和程序优化，最终实现了飞行器一键起动，目标追踪以及飞行姿态控制和飞行器定高飞行等各项要求。

硬件测试利用遥控器检测电机转速以及姿态调整，按电调解调的步骤对四个电调校准。软硬件的联调是通过RX23T模拟遥控器的不同通道输入波形控制STM32，使飞行器能按着不同的姿态做飞行动作。根据动作的偏差不断调节姿态和加速度的参数值，最终使之达到预想的飞行状态。通过瑞萨单片机编程，模拟遥控器对应功能的输出PWM，利用PWM波控制stm32f407单片机，使stm32f407单片机实现其控制飞控的功能。另外，由于飞行器在室内飞行，为保证安全性，可以通过超声波使飞行器定高飞行，通过程序设计使飞行器悬停在1 200 mm的空中。最后进行前进后退的校准，使其飞行足够准确。

[1]明光,张欣.传感器电路基本应用[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2008.

推行适期适量播种，科学肥水运筹，防止小麦群体过大、田间郁闭。及时清沟理墒，降低田间湿度。推行秸秆粉碎、定期深翻还田，有条件的提倡秸秆回收利用。推行品种适区种植，避免在常年流行区种植高感品种。

[3]薛定宇.反馈控制系统设计与分析[M].北京:清华大学出版社,2000.

成年人平均每天需要8个小时的睡眠，而正处于生长发育期的青少年每天则至少需要9个小时的睡眠。但是由于繁重的课业负担，很多青少年的睡眠时间根本达不到要求，这会严重影响其身心的健康发展。

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[4]李树荣.一类非线性系统的全局反馈镇定[J].中国石油大学学报(自然科学版),1997,(4):74-77.

[5]卢强,孙元章.计算机程序算法导论[M].北京:科学出版社,1993.

因为朋友圈不再是那个可以随时抒发心情的地方，就算实在想发，也要设置分组，认真思考，仔细筛选。如此麻烦，不如不发。

[6]Analog Device.ADuC841_2_3_a data sheet[M].Albany:Analog Device,2011.