作者 王博1 钱家琛2 邱城伟1 肖建1 1.南京邮电大学 电子与光学工程学院(江苏 南京 210046) 2.南京邮电大学 微电子学院(江苏 南京 210046)
摘要：介绍了一种依据四旋翼飞翔器快速、安稳勘探和跟综地上上有色信标的体系。该体系由三部分组成：具有勘探和盯梢功用的四旋翼飞翔器、可遥控移动的有色信标小车和遥控终端(地上站)。四旋翼飞翔器、可遥控移动的有色信标小车和遥控终端均选用Cortex-M3内核处理器。四旋翼飞翔器能准确勘探到地上上的有色信标方位，并在信标停止的情况下能快速安稳悬停在信标的正上方。在遥控终端操控有色信标小车恣意方向移动，四旋翼飞翔器能快速盯梢信标的移动。当四旋翼飞翔器在有色信标小车上方必定间隔和范围内时，四旋翼飞翔器和小车一起宣布声光报警。
* 2017年“瑞萨杯”全国大学生电子规划比赛本科组最高奖“瑞萨杯奖”
王博(1995-)，男，硕士生，研讨方向：集成电路与嵌入式。
0 导言
四旋翼飞翔器具有体积小、重量轻、易拼装、灵敏度高、躲藏性好等特色，适用多种空间场所，能够在任何小渠道上灵敏起降。它方便带着，低空飞翔性好，能履行各种不适合人体环境的特种使命，可在杂乱环境下如窟窿地道等幽闭场所快速履行侦查、勘测使命。
依据四旋翼飞翔器的地上移动信标自主勘探和盯梢体系能有用快速、安稳地对地上方针实时盯梢，因此在军事侦查、交通监控、抗灾救援、民用范畴等都有着宽广的使用远景。该技能得到许多专家们的高度重视，成为当时该范畴下最活泼的研讨方向之一。
1 体系全体计划
体系全体功用框图如图1所示。本体系旨在规划并制造一架能安稳飞翔的四旋翼飞翔器，且具有方针物体勘探辨认、主动定位、自主盯梢地上上运动的信标小车等功用。该体系由三部分组成：具有勘探和盯梢功用的四旋翼飞翔器、可遥控移动的有色信标小车和遥控终端(地上站)。四旋翼飞翔器凭借pixhawk飞控渠道，担任飞翔姿势检测;飞翔操控以两块瑞萨RX23T单片机为中心，由openMV图画辨认模块、超声波测距模块、声光报警模块等几部分构成，飞翔过程中，经过瑞萨芯片处理各外设收集的包含飞翔器高度、色块方位、小车方位等数据，结合PID操控算法给出飞翔器的飞翔决议计划，一起解算出相应通道值(pitch、yaw、roll和throttle等)，经过ppm信号操控飞控板及时来调整电机转速值，使飞翔器安稳在指定高度，调整飞翔姿势，使飞翔器及时抵达相应的方位，然后对地上信标完成勘探和盯梢等功用。遥控终端(地上站)操控信标小车的移动并实时反应显现体系状况信息。
2 四旋翼飞翔器操控与导航
四旋翼飞翔器操控部分组织框图如图2所示。四旋翼飞翔器凭借Pixhawk渠道以及两块瑞萨开发板RX23T协同操控;一块RX23T作飞翔操控，另一块RX23T作信息处理。两块RX23T之间经过I2C进行通讯，作飞翔操控的RX23T与Pixhawk经过Mavlink进行通讯。图画数据凭借openMV完成收集;高度信息凭借超声波模块完成收集。高度信息和图画信息在信息处理板中进行数 据交融后，经I2C传输给飞翔操控板和经无线数传模块传给小车遥控器(地上站)，飞翔操控板结合Pixhawk回传的飞翔器当时姿势等信息给出正确的飞翔决议计划，并将此次的飞翔决议计划写入PPM编码中传给Pixhawk。小车遥控器将接收到的的交融数据从头解码，并在串口屏上显现出来供用户检查飞翔器当时的运动信息。
3 有色信标小车制造
在本次体系中移动的信标用遥控小车来模仿。为让信标小车能被四旋翼飞翔器仅有勘探和盯梢到，在小车顶部用赤色布片作为信标特征以便摄像头辨认。
信标小车为四轮机械小车，中心操控板选用的是TI公司的TM4C123G开发板;选用作业电压为12 V、带有霍尔编码器、减速比为30：1的直流有刷电机，经过L298N驱动。信标小车将接收到的操控信号解码后换算为小车左右两头电机的转速值，并凭借霍尔编码器对其转速进行的PID调控，准确快速的操控小车移动。
4 小型遥控器(地上站)的制造
遥控器终端(地上站)选用TI公司的TM4C123G芯片作为处理器。遥控器的主要功用是操控信标小车的移动和人性化展现体系的状况信息——飞翔器当时的运动姿势及检测到的信标方位坐标值和信标小车的运动状况。
遥控器终端的结构框图如图3所示。左遥杆担任操控小车的油门，即操控小车的前行速度的快慢;右摇杆担任小车的方向，即操控小车的左右移动的快慢。遥杆输出的模仿量经过ADC采样后输入给单片机，单片机将其转换成操控电机转速的PWM信号并经过无线数据传输给信标小车。显现屏上有人性化的信息界面和操控面板，当地上上有多个信标存在时，可经过显现屏上的操控面板挑选飞翔器勘探和盯梢指定的信标。
5 信标的快速定位和追寻
本体系的难点之一在于怎么完成四旋翼飞翔器对信标的快速勘探和动态盯梢。对此，提出一种新式的pid操控办法——将摄像头视界中信标小车的周围区域划分为表里两个“环”，外环区域内飞翔器的运动具有大的份额(P)操控和小的微分(D)操控，内环区域内飞翔器的运动具有小的份额(P)操控和大的微分(D)操控。简略来讲，便是“外环大P小D,内环大D小P”，勘探和盯梢的运动操控PID图解如图4所示。为求解飞翔器对信标小车的相对方位，咱们在摄像头视界中树立如图5所示的虚拟坐标图。摄像头置于飞翔器底部，所以摄像头视界中心点M坐标为(x0,y0)可看成飞翔器在地上上的投影方位，经过简略的视觉处理，可算出信标在坐标图中的方位(x1,y1), x1- x0和y1- y0便是飞翔器与信标的相对坐标差——飞翔器勘探和盯梢操控PID的重要输入参数。当M点在“外环”时，依据前述的操控算法，飞翔器会快速调整运动状况向信标移动;当M点坐落“内环”之中时，飞翔器的运动相对平缓，终究安稳悬停在信标的正上方，完成对信标的快速勘探和安稳盯梢。
参考文献：
[1]PrateekJoshi.OpenCV实例精解[M].北京:机械工业出版社,2016 .
[2]高伟.捷联惯性导航体系初始对准技能[M].北京:国防工业出版社,2014
[3]Tiva™ C Series TM4C123GH6PM Microcontroller Data Sheet,2014
[4]瑞萨RX23T芯片参数[M/CD],2017
本文来源于《电子产品世界》2018年第8期第33页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
