作者 寇梓黎 郑添 邹少锋 东南大学 电子科学与工程学院(江苏 南京 211189)
*2017年全国大学生电子规划比赛瑞萨杯最佳运用奖
摘要：跟着四旋翼飞翔器技能的不断运用，无人机的各种用处被不断发掘出来。依据四旋翼飞翔器相对平稳的飞翔状况和可控等特色，运用四旋翼飞翔器进行勘探和盯梢方针成为可能。本文介绍了一种四旋翼自主飞翔勘探盯梢体系，该体系选用以STM32F4单片机作为姿势操控模块的主控芯片，选用MPU9150、MS5611作为姿势解算模块的传感器，运用US-100传感器和气压计完结融合定高，图画处理上选用OV7670摄像头，合作RX23T-NUEDC开发板收集环境信息，以完结定高悬停以及定点盯梢等功用。
0 导言
跟着四旋翼飞翔器技能的逐渐开展，现在的四旋翼飞翔器现已能够做到平稳地飞翔和高自由度地操控，再配上机载相机便能够完结航拍、图画辨认等多种功用。为了使四旋翼飞翔器完结勘探和盯梢的功用，本著作将姿势操控模块、姿势解算模块、图画辨认模块、定高模块、电源模块、遥控小车模块及声光模块进行整合，完结了以下使命：1)一键起飞，安稳飞翔，定高悬停，陡峭下降等基本功用;2)定点悬停及盯梢小车飞翔;3)盯梢小车时完结航向的跟从偏转。本体系包含：姿势操控模块、姿势解算模块、图画辨认模块、定高模块、电源模块、遥控小车模块及声光模块。该体系能够在平稳飞翔的一起，依照程序指令搜索方针，并触发盯梢状况，完结盯梢使命后，能够自主地择地平稳下降。
1 体系概述
该体系由姿势操控模块、姿势解算模块、图画辨认模块、定高模块、电源模块、遥控小车模块及声光模块组成，各个模块间彼此作用，体系模块映射框图如图1所示。
依据勘探和盯梢使命的需求，本体系需求完结悬停定点、勘探盯梢、择地下降等一系列使命，首要作业流程如图2所示。
详细而言，四旋翼飞翔器运用US-100超声波传感器，以50 ms周期读取传感器的数据，核算出飞翔器的实践高度，经过串级PID算法对飞翔器的加速度环、高度环进行反应，使飞翔器的希望高度为咱们指定高度的一起，飞翔器的加速度希望值为零，然后完结定高悬停。在定高悬停的情况下，处理OV7670摄像头模块取得的图画，核算出黑色圆点的圆心方位，输出圆心间隔中心点的差错量dx和dy。飞翔器对差错量进行前翻和横滚两个方向的PID调度，完结定点悬停。关于运动的遥控小车，为其套上涂有黑色圆点的外壳，对运动的黑点进行定点悬停，即完结了盯梢功用。
2 硬件规划
2.1 姿势操控模块
计划1：选用AVR单片机作为主控芯片
AVR单片机为8位最高16 MHz主频的单片机，其学习资源较为丰厚，编译环境简略且习惯性强。但AVR单片机的处理速度过低，达不到实时操控飞翔姿势的要求。典型的AVR开源飞控包含APM飞控等。
计划2：选用STM32F4单片机作为主控芯片
STM32F407是一款以ARM Cortex-M4为内核，最高主频168 MHz的32位单片机。其速度快，具有极强的核算处理才干;内置定时器多，引出很多外设接口，能习惯飞翔器姿势操控的输入输出，可移植性强。典型的STM32F4开源飞控包含匿名科创、恒拓HAWK、PIXHAWK等。
归纳飞翔器陡峭飞翔、高效操控的功用要求，挑选计划2。
2.2 姿势解算模块
计划1：选用MMA7260+ENC-03M传感器
MMA72600加速度传感器含信号调度和温度补偿技能，ENC-03M视点传感器可安稳丈量角加速度值，但两传感器结合运用较杂乱，且需外加电路按捺噪声与温漂。
计划2：选用MPU9150+MS5611传感器
MPU9150为9轴陀螺仪，内部集成了MPU6050和AK8975芯片，可精准丈量3轴视点，3轴加速度，3轴地磁方向。MS5611为高精度气压计，支撑I2C/SPI数字输出，两者合作能够敏捷精确地反应飞翔器的姿势。
归纳传感器的环境可靠性及运用便利程度，挑选计划2。
2.3 图画辨认模块
计划1：选用OV2640合作RX23T-NUEDC开发板
OV2640的黑电平校准才干较差，取得的灰度图需事前校准，才干取得抱负的二值化图画。OV2640像素高达200 W，并自带DSP紧缩功用，但考虑到RX23T内存大小以及I/O捕获速率的约束，开发较为困难。
计划2：选用OV7670合作RX23T-NUEDC开发板
OV7670像素可达30 W，经过设定阈值，在是非赛道上即可取得抱负的二值化图画，具有较强的抗干扰才干，帧率能够满意图画处理的需求。
归纳飞翔器循迹的视界及精确性要求，挑选计划2。
2.4 电源模块
计划1：选用电子调速器的自带稳压模块
3S锂聚合电池供电给4路电调，输出三相电的一起，可运用电调自带的线性稳压模块输出5 V的电压给中心板供电。这样做成本低、便利，但没有低压报警且纹波不行安稳，不能有用地办理电源输入。
计划2：选用PMU电源办理模块
规划一个电源办理模块，完结了对2S至6S电池(电压规模在8~24 V)的线性稳压，而且对电压实时监测，具有了低压报警的功用。
归纳电源的安全性和安稳性要求，挑选计划2。
2.5 定高模块
计划1：选用气压计定高
运用气压计获取高度信息，不受视点影响且丈量规模很大，但有起浮差错，需进行运算才干确保较高精度。
计划2：选用SR-04传感器+气压计
SR-04超声波传感器测距规模为0~150 cm，差错为3 cm，差错约为0.3%，测距规模也契合标题要求。
计划3：选用US-100传感器+气压计
US-100相较SR-04增加了温度补偿，并运用内置芯片处理，直接串口输出，运用更便利。
归纳定高的安稳性和环境习惯性要求，挑选计划3。
2.6 遥控小车模块规划
咱们运用了玩具车的制品遥控芯片RX-2B，供给了配套的4按键遥控器，其内部原理如图3所示。咱们给小车搭载一块单片机，对遥控芯片的输出口进行输入捕捉，然后运用单片机计时器输出4路PWM波，完结了遥控小车的四向运动功用。小车上搭载蜂鸣器、LED灯等外设，详细模块联系如图4所示。
3 软件算法
3.1 飞控传感器滤波算法
对气压计、超声波等传感器初始数据进行卡尔曼滤波，能够得到希望值的最优解。卡尔曼滤波经过反应操控对进程状况进行估量，其间时刻更新部分能够核算当时的状况变量和差错协方差的估量值，结构下一个时刻状况的先验估量;丈量更新部分担任信息反应，完结后验估量。
3.2 飞控串级PLD操控算法
飞翔操控运用的首要操控算法是串级PID操控，即多个PID反应操控环串接。其间，横滚、俯仰方向的姿势角速度操控环、姿势角操控环串接完结飞翔器的姿势安稳，组成内操控环;笔直速度操控环、笔直高度操控环组成外环，与内环级联，完结安稳的高度操控;水平方位PID操控环是另一个外环，与内环级联完结水平方位的操控。姿势操控环用于操控飞翔器姿势安稳。三个平行的姿势操控环别离操控飞翔器的横滚、俯仰、方向(Roll, Pitch, Yaw)。操控环的输出将作为四个电机操控器(ECS)的输入，然后操控四个桨叶的转速。笔直速度与高度操控环用于操控飞翔器的相对高度。因为本著作在室内作业，因而GPS与气压计均不能作业，咱们经过超声波传感器来丈量对地高度，作为操控反应。操控环的输出为四个电机全体的油门操控量。水平方位操控环用于飞翔器的追寻与定点悬停。咱们经过图画辨认得到飞翔器与被追寻方针的水平间隔，作为操控反应。输出操控量为横滚、俯仰两个水平方向操控量，给到姿势操控环中，操控飞机缩小与方针之间的间隔，主动追寻方针。在参数调度上，这三个操控环也有着不同的方针，因而调参办法也不太相同。姿势操控环与水平方位操控环应该寻求高动态功用，能够快速呼应，因而它们的份额重量(P参数)、微分重量(D参数)比较重要，一起也应该尽量优化算法以进步操控环运转的频率。而高度操控环应该寻求高静态功用，确保最小差错与抗干扰，因而应该运用适宜的微分重量(I参数)。
3.3 图画辨认算法
多旋翼自主飞翔器的定点悬停和盯梢小车是经过辨认小车上的圆心方位，与本身方位比照后进行姿势调整和操控。小车上圆心的辨认选用霍夫圆改换算法。霍夫圆改换的详细步骤为：1)依据RGB五颜六色图画取得灰度图和二值图。对二值图画进行横向和纵向扫描，检测图画的边际;2)对边际图画上的每一个非零点，运用sobel算子核算x方向导数和y方向的导数，然后得到梯度，从边际点沿着梯度和梯度的反方向，对黑色区域中的每一个像素，在该像素点方位对应的二维累加器中投票;3)取二维累加器中累加值最高的点，作为候选圆心;4)从候选圆心由内向外进行区域扩张，直至遇到白点。对该黑色区域的累加器的累加值求均匀作为该候选圆心的累加值，假如这个累加值大于一个设定的阈值，则以为该候选圆心有用;5)对有用的候选圆心的坐标进行低通滤波。多旋翼自主飞翔器在盯梢小车时完结航向的跟从偏转，是经过检测小车上的两条彼此笔直的直线，依据两条直线的交点和斜率来进行姿势调整。检测直线时，经过霍夫线改换取得两条彼此笔直的直线，依据两条直线的交点进行定点盯梢，依据其间一条直线的斜率完结航向偏转。霍夫线改换的详细步骤为：1)依据RGB五颜六色图画取得灰度图和二值图。对二值图画进行横向和纵向扫描，检测图画的边际;2)将每一行或每一列的黑线中心坐标转化至霍夫空间，转化时以上一帧的检测出的直线作为检测规模的约束条件，既能削减运算量又能完结对直线的盯梢：3)挑选参数空间中的极大值点对应的直线作为候选直线;4)由行扫描和列扫描取得的两条直线若近似满意笔直联系则以为检测有用：5)对有用检测后的两条直线的交点和斜率进行低通滤波。图画处理算法原理如图3所示。
4 成效剖析
要求一：A点一键起飞，以不低于1米的高度悬停。
要求二：飞翔器距小车0.5~1.5 m时，飞翔器和小车宣布显着声光指示。
在上下限高度规模内，小车和飞翔器都能声光提示。
要求三：飞翔器从A区起飞至B区悬停下降。
要求四：飞翔器盯梢小车抵达4个点。
经测验，飞翔器一直跟从小车前行，适当稳健。
5 定论
飞翔器可一直盯梢小车，与小车坚持相同朝向，小车转向则飞机航向跟从违背。经测验，小车在地上作旋转运动时，飞翔器可盯梢改动航向，一起旋转。在盯梢航向的一起，依然能够盯梢定位，作平面运动。
参考文献：
[1]胡仁杰，堵国樑，黄慧春.全国大学生电子规划比赛优秀著作规划陈述选编:2015年江苏赛区.南京：东南大学出版社,2016.4.
[2]杨庆华,宋召青,时磊.四旋翼飞翔器建模、操控与仿真[J].海军航空工程学院学报, 2009,24(5):499-502.
[3]宿敬亚,樊鹏辉,蔡开元.四旋翼飞翔器的非线性PID姿势操控[J].北京航空航天大学学报,2011,37(9):1054-1058.
[4]汪绍华,杨莹.依据卡尔曼滤波的四旋翼飞翔器姿势估量和操控算法研讨(英文)[J].操控理论与运用,2013,30(9):1109-1115.
[5]张旭明,徐滨士,董世运.用于图画处理的自习惯中值滤波[J].核算机辅助规划与图形学学报,2005,17(2):295-299.
本文来源于《电子产品世界》2018年第7期第34页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
