一、任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作四旋翼自主飛行器探測跟蹤系統(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 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 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，帶防撞圈，外形尺寸（含防撞圈）限定為：長度≤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，外形尺寸限定為：長度≤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)員在測試現(xiàn)場抽簽決定。

16．為保證安全，可沿飛行區(qū)域四周架設(shè)安全網(wǎng)（長 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：

隨著四旋翼飛行器技術(shù)的不斷應(yīng)用，無人機(jī)的各種用途被不斷發(fā)掘出來。

基于四旋翼飛行器相對(duì)平穩(wěn)的飛行狀態(tài)和可控等特點(diǎn)，利用四旋翼飛行器進(jìn)行探測和跟蹤目標(biāo)成為可能。

本文介紹了一種四旋翼自主飛行探測跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用以STM32F4單片機(jī)作為姿態(tài)控制模塊的主控芯片，采用MPU9150、MS5611作為姿態(tài)解算模塊的傳感器，利用US-100傳感器和氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)融合定高，圖像處理上采用OV7670攝像頭，配合RX23T-NUEDC開發(fā)板采集環(huán)境信息，以實(shí)現(xiàn)定高懸停以及定點(diǎn)跟蹤等功能。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；定高懸停；定點(diǎn)跟蹤

0 引言

隨著四旋翼飛行器技術(shù)的逐步發(fā)展，目前的四旋翼飛行器已經(jīng)能夠做到平穩(wěn)地飛行和高自由度地操控，再配上機(jī)載相機(jī)便能夠?qū)崿F(xiàn)航拍、圖像識(shí)別等多種功能。

為了使四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)探測和跟蹤的功能，本作品將姿態(tài)控制模塊、姿態(tài)解算模塊、圖像識(shí)別模塊、定高模塊、電源模塊、遙控小車模塊及聲光模塊進(jìn)行整合，完成了以下任務(wù)：

1）一鍵起飛，穩(wěn)定飛行，定高懸停，平緩降落等基本功能；
2）定點(diǎn)懸停及跟蹤小車飛行；
3）跟蹤小車時(shí)實(shí)現(xiàn)航向的跟隨偏轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)包括：
姿態(tài)控制模塊、姿態(tài)解算模塊、圖像識(shí)別模塊、
定高模塊、電源模塊、遙控小車模塊及聲光模塊。

該系統(tǒng)可以在平穩(wěn)飛行的同時(shí)，按照程序指令搜尋目標(biāo)，并觸發(fā)跟蹤狀態(tài)，完成跟蹤任務(wù)后，能夠自主地?fù)竦仄椒€(wěn)降落。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)由姿態(tài)控制模塊、姿態(tài)解算模塊、圖像識(shí)別模塊、定高模塊、電源模塊、遙控小車模塊及聲光模塊組成，各個(gè)模塊間相互作用，系統(tǒng)模塊映射框圖如圖1所示。

根據(jù)探測和跟蹤任務(wù)的需要，本系統(tǒng)需要完成懸停定點(diǎn)、探測跟蹤、擇地降落等一系列任務(wù)，主要工作流程如圖2所示。

具體而言，四旋翼飛行器利用US-100超聲波傳感器，以50 ms周期讀取傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算出飛行器的實(shí)際高度，通過串級(jí)PID算法對(duì)飛行器的加速度環(huán)、高度環(huán)進(jìn)行反饋，使飛行器的期望高度為我們指定高度的同時(shí)，飛行器的加速度期望值為零，從而實(shí)現(xiàn)定高懸停。

在定高懸停的情況下，處理OV7670攝像頭模塊獲得的圖像，計(jì)算出黑色圓點(diǎn)的圓心位置，輸出圓心距離中心點(diǎn)的偏差量dx和dy。

飛行器對(duì)偏差量進(jìn)行前翻和橫滾兩個(gè)方向的PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)的遙控小車，為其套上涂有黑色圓點(diǎn)的外殼，對(duì)運(yùn)動(dòng)的黑點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)懸停，即實(shí)現(xiàn)了跟蹤功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 姿態(tài)控制模塊

方案1：采用AVR單片機(jī)作為主控芯

AVR單片機(jī)為8位最高16 MHz主頻的單片機(jī)，其學(xué)習(xí)資源較為豐富，編譯環(huán)境簡單且適應(yīng)性強(qiáng)。

但AVR單片機(jī)的處理速度過低，達(dá)不到實(shí)時(shí)控制飛行姿態(tài)的要求。

典型的AVR開源飛控包括APM飛控等。

方案2：采用STM32F4單片機(jī)作為主控芯片

STM32F407是一款以ARM Cortex-M4為內(nèi)核，最高主頻168 MHz的32位單片機(jī)。

其速度快，具有極強(qiáng)的計(jì)算處理能力；內(nèi)置定時(shí)器多，引出眾多外設(shè)接口，能適應(yīng)飛行器姿態(tài)控制的輸入輸出，可移植性強(qiáng)。

典型的STM32F4開源飛控包括匿名科創(chuàng)、恒拓HAWK、PIXHAWK等。

綜合飛行器平緩飛行、高效控制的性能要求，選擇方案2。

2.2 姿態(tài)解算模塊

方案1：采用MMA7260+ENC-03M傳感器

MMA72600加速度傳感器含信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償技術(shù)，ENC-03M角度傳感器可穩(wěn)定測量角加速度值，但兩傳感器結(jié)合使用較復(fù)雜，且需外加電路抑制噪聲與溫漂。

方案2：采用MPU9150+MS5611傳感器

MPU9150為9軸陀螺儀，內(nèi)部集成了MPU6050和AK8975芯片，可精準(zhǔn)測量3軸角度，3軸加速度，3軸地磁方向。

MS5611為高精度氣壓計(jì)，支持I2C/SPI數(shù)字輸出，兩者配合可以迅速準(zhǔn)確地反饋飛行器的姿態(tài)。

綜合傳感器的環(huán)境可靠性及使用方便程度，選擇方案2。

2.3 圖像識(shí)別模塊

方案1：采用OV2640配合RX23T-NUEDC開發(fā)板

OV2640的黑電平校準(zhǔn)能力較差，獲得的灰度圖需事先校準(zhǔn)，才能獲得理想的二值化圖像。

OV2640像素高達(dá)200 W，并自帶DSP壓縮功能，但考慮到RX23T內(nèi)存大小以及I/O捕獲速率的限制，開發(fā)較為困難。

方案2：采用OV7670配合RX23T-NUEDC開發(fā)板

OV7670像素可達(dá)30 W，通過設(shè)定閾值，在黑白賽道上即可獲得理想的二值化圖像，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，幀率能夠滿足圖像處理的需求。

綜合飛行器循跡的視野及準(zhǔn)確性要求，選擇方案2。

2.4 電源模塊

方案1：采用電子調(diào)速器的自帶穩(wěn)壓模塊

3S鋰聚合電池供電給4路電調(diào)，輸出三相電的同時(shí)，可利用電調(diào)自帶的線性穩(wěn)壓模塊輸出5 V的電壓給核心板供電。

這樣做成本低、方便，但沒有低壓報(bào)警且紋波不夠穩(wěn)定，不能有效地管理電源輸入。

方案2：采用PMU電源管理模塊

設(shè)計(jì)一個(gè)電源管理模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2S至6S電池（電壓范圍在8~24 V）的線性穩(wěn)壓，并且對(duì)電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測，具備了低壓報(bào)警的功能。

綜合電源的安全性和穩(wěn)定性要求，選擇方案2。

2.5 定高模塊

方案1：采用氣壓計(jì)定高

使用氣壓計(jì)獲取高度信息，不受角度影響且測量范圍很大，但有浮動(dòng)誤差，需進(jìn)行運(yùn)算才能保證較高精度。

方案2：采用SR-04傳感器+氣壓計(jì)

SR-04超聲波傳感器測距范圍為0~150 cm，誤差為3 cm，誤差約為0.3%，測距范圍也符合題目要求。

方案3：采用US-100傳感器+氣壓計(jì)

US-100相較SR-04增加了溫度補(bǔ)償，并使用內(nèi)置芯片處理，直接串口輸出，使用更方便。

綜合定高的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性要求，選擇方案3。

2.6 遙控小車模塊設(shè)計(jì)

我們使用了玩具車的成品遙控芯片RX-2B，提供了配套的4按鍵遙控器，其內(nèi)部原理如圖3所示。

我們給小車搭載一塊單片機(jī)，對(duì)遙控芯片的輸出口進(jìn)行輸入捕捉，然后利用單片機(jī)計(jì)時(shí)器輸出4路PWM波，實(shí)現(xiàn)了遙控小車的四向運(yùn)動(dòng)功能。

小車上搭載蜂鳴器、LED燈等外設(shè)，具體模塊關(guān)系如圖4所示。

3 軟件算法

3.1 飛控傳感器濾波算法

對(duì)氣壓計(jì)、超聲波等傳感器初始數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，可以得到期望值的最優(yōu)解。

卡爾曼濾波通過反饋控制對(duì)過程狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，其中時(shí)間更新部分可以推算當(dāng)前的狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差的估計(jì)值，構(gòu)造下一個(gè)時(shí)間狀態(tài)的先驗(yàn)估計(jì)；測量更新部分負(fù)責(zé)信息反饋，實(shí)現(xiàn)后驗(yàn)估計(jì)。

3.2 飛控串級(jí)PLD控制算法

飛行控制使用的主要控制算法是串級(jí)PID控制，即多個(gè)PID反饋控制環(huán)串接。

其中，橫滾、俯仰方向的姿態(tài)角速度控制環(huán)、姿態(tài)角控制環(huán)串接實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定，組成內(nèi)控制環(huán)；垂直速度控制環(huán)、垂直高度控制環(huán)組成外環(huán)，與內(nèi)環(huán)級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高度控制；水平
位置PID控制環(huán)是另一個(gè)外環(huán)，與內(nèi)環(huán)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)水平位置的控制。

姿態(tài)控制環(huán)用于控制飛行器姿態(tài)穩(wěn)定。

三個(gè)平行的姿態(tài)控制環(huán)分別控制飛行器的橫滾、俯仰、方向(Roll, Pitch, Yaw)。

控制環(huán)的輸出將作為四個(gè)電機(jī)控制器(ECS)的輸入，從而控制四個(gè)槳葉的轉(zhuǎn)速。

垂直速度與高度控制環(huán)用于控制飛行器的相對(duì)高度。

由于本作品在室內(nèi)工作，因此GPS與氣壓計(jì)均不能工作，我們通過超聲波傳感器來測量對(duì)地高度，作為控制反饋。

控制環(huán)的輸出為四個(gè)電機(jī)整體的油門控制量。

水平位置控制環(huán)用于飛行器的追蹤與定點(diǎn)懸停。

我們通過圖像識(shí)別得到飛行器與被追蹤目標(biāo)的水平距離，作為控制反饋。

輸出控制量為橫滾、俯仰兩個(gè)水平方向控制量，給到姿態(tài)控制環(huán)中，控制飛機(jī)縮小與目標(biāo)之間的距離，自動(dòng)追蹤目標(biāo)。

在參數(shù)調(diào)節(jié)上，這三個(gè)控制環(huán)也有著不同的目標(biāo)，因而調(diào)參方法也不太相同。

姿態(tài)控制環(huán)與水平位置控制環(huán)應(yīng)該追求高動(dòng)態(tài)性能，能夠快速響應(yīng)，因此它們的比例分量（P參數(shù)）、微分分量（D參數(shù)）比較重要，同時(shí)也應(yīng)該盡量優(yōu)化算法以提高控制環(huán)運(yùn)行的頻率。

而高度控制環(huán)應(yīng)該追求高靜態(tài)性能，保證最小誤差與抗干擾，因此應(yīng)該使用合適的微分分量（I參數(shù)）。

3.3 圖像識(shí)別算法

多旋翼自主飛行器的定點(diǎn)懸停和跟蹤小車是通過識(shí)別小車上的圓心位置，與自身位置對(duì)比后進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整和控制。

小車上圓心的識(shí)別采用霍夫圓變換算法。

霍夫圓變換的具體步驟為：

1）根據(jù)RGB彩色圖像獲得灰度圖和二值圖。
對(duì)二值圖像進(jìn)行橫向和縱向掃描，檢測圖像的邊緣；

2）對(duì)邊緣圖像上的每一個(gè)非零點(diǎn)，利 用sobel算子計(jì)算x方向?qū)?shù)和y方向的導(dǎo)數(shù)，從而得到梯度，從邊緣點(diǎn)沿著梯度和梯度的反方向，對(duì)黑色區(qū)域中的每一個(gè)像素，在該像素點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的二維累加器中投票；

3）取二維累加器中累加值最高的點(diǎn)，作為候選圓心；

4）從候選圓心由內(nèi)向外進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)張，直至遇到白點(diǎn)。
對(duì)該黑色區(qū)域的累加器的累加值求平均作為該候選圓心的累加值，如果這個(gè)累加值大于一個(gè)設(shè)定的閾值，則認(rèn)為該候選圓心有效；

5）對(duì)有效的候選圓心的坐標(biāo)進(jìn)行低通濾波。

多旋翼自主飛行器在跟蹤小車時(shí)實(shí)現(xiàn)航向的跟隨偏轉(zhuǎn)，是通過檢測小車上的兩條相互垂直的直線，根據(jù)兩條直線的交點(diǎn)和斜率來進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

檢測直線時(shí)，通過霍夫線變換獲得兩條相互垂直的直線，根據(jù)兩條直線的交點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)跟蹤，根據(jù)其中一條直線的斜率實(shí)現(xiàn)航向偏轉(zhuǎn)。

霍夫線變換的具體步驟為：

1）根據(jù)RGB彩色圖像獲得灰度圖和二值圖。
對(duì)二值圖像進(jìn)行橫向和縱向掃描，檢測圖像的邊緣；

2）將每一行或每一列的黑線中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至霍夫空間，轉(zhuǎn)換時(shí)以上一幀的檢測出的直線作為檢測范圍的約束條件，既能減少運(yùn)算量又能實(shí)現(xiàn)對(duì)直線的跟蹤：

3）選擇參數(shù)空間中的極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直線作為候選直線；

4）由行掃描和列掃描獲得的兩條直線若近似滿足垂直關(guān)系則認(rèn)為檢測有效：

5）對(duì)有效檢測后的兩條直線的交點(diǎn)和斜率進(jìn)行低通濾波。

圖像處理算法原理如圖所示。

4 成效分析

要求一：A點(diǎn)一鍵起飛，以不低于1米的高度懸停。

要求二：飛行器距小車0.5~1.5 m時(shí)，飛行器和小車發(fā)出明顯聲光指示。

在上下限高度范圍內(nèi)，小車和飛行器都能聲光提示。

要求三：飛行器從A區(qū)起飛至B區(qū)懸停降落。

要求四：飛行器跟蹤小車抵達(dá)4個(gè)點(diǎn)。

經(jīng)測試，飛行器始終跟隨小車前行，相當(dāng)穩(wěn)健。

5 結(jié)論

飛行器可始終跟蹤小車，與小車保持同樣朝向，小車轉(zhuǎn)向則飛機(jī)航向跟隨偏離。

經(jīng)測試，小車在地面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行器可跟蹤改變航向，一同旋轉(zhuǎn)。

在跟蹤航向的同時(shí)，仍然可以跟蹤定位，作平面運(yùn)動(dòng)。

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】1的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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