基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器设计.docx

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基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器设计

摘要

本系统设计并制作一架基于摄像头循迹四旋翼自主飞行器，其所需循迹的道路是白底的黑色引导线。

本系统采用模块结构化设计的方法，包括飞行控制模块、驱动模块、电源模块、循迹飞行、高度检测系统等，以FreescaleKinites60单片机为数据处理控制中心，将各个模块有效配合形成整体。

其中飞行控制模块以STM32F407为控制核心，用来调整四旋翼自主飞行器的飞行姿态；而循迹模块以FreescaleKinites60为核心控制器，处理摄像头OV7725采集的图像信息后，把路径信息反馈给飞行控制模块，使飞行器能够按照给定的黑色引导线循迹飞行；超声波模块获取飞行器离地高度信息，并将信息传递给飞行控制模块，从而调整飞行姿态，实现设计要求。

循迹模块和超声波模块与飞行控制模块通过串口保持即时通信，飞行控制模块根据实时反馈的信息，控制电调驱动四个无刷电机完成自主稳定飞行。

关键词：

四旋翼自主飞行器，单片机，摄像头循迹，超声波，无刷电机

ABSTRACT

Thesystemintendedtodesignandmakeafour-rotorautonomousvehicle,andtheintelligentmodeltrackeditswaybycamera.Atthesametime,thetrackingwayhadablacklineonthewhitebackground.Theprojectadoptedthemeasureofmodularstructuraldesign,includingflightcontrollingmodule,drivingmodule,powermodule,flighttrackingandheightdetectionsystemandsoon.ThedesigntookFreescaleKinites60MCUasdataprocessingandcontrollingcentral,andthesingleshipeffectivelyintegratedvariousmodulesintoawhole,ofwhichtheflightmoduleputtheSTM32F407ascontrollingcore,inordertoadjustautonomousvehicle’sflyingattitude.HowevertheflighttrackingmoduletookFreescaleKinites60ascorecontroller,whichdealtwiththeimageinformationcollectedbycamera,thenfeedbackpathinformationtoflightcontrollingmodulesothatthefour-rotorautonomousvehiclecouldflyaccordingtotheblackguidingline.Theultrasonicmodulegottheinformationoftheaircraftaltitudeandtransformedthemessagetoflightcontrollingmoduleastoadjustflyingattitudeandmetthedesignrequirement.Thetrackingmodule,ultrasonicmoduleandflightcontrolmoduleshouldmaintaininstantcommunicationthroughtheserialport,thentheflightcontrollingmodulecontrolledESCtodrivefourbrushlessmotorandcompletedautonomousstableflightbythereal-timefeedbackinformation.

Keywords:

four-rotorautonomousvehicle,MCU,cameratracking,ultrasonicmodule,brushlessmotor

1概论

1.1选题背景

四旋翼飞行器是一种有四个螺旋桨且由两对正反桨呈“+”形交叉排列的飞行器。

四旋翼飞行器通过输出占空比的方式调节四个无刷电机转速来改变旋翼转速，实现四旋翼飞行器的力矩和升力的变化，从而控制四旋翼飞行器的飞行姿态和位置变换[1]，其具有造价低且可复制性强的特点，已成为航模界的新锐力量。

由于MEMS传感器、单片机、电机以及电池技术的发展与普及，人们对于四旋翼飞行器的研究从军事领域到民用和商用领域都有涉及。

近些年来，由于自动控制技术、微电子控制技术和传感器技术的发展，运用先进的控制技术，使用无刷电机代替传统油动力进行四旋翼飞行器的研究，各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，可以平衡旋翼对机身的反扭矩，因此不需要专门的反扭矩桨。

又由于四旋翼飞行器能够在一块电路板上实现多种功能且仅使用一块电池，使得其设计简洁，结构合理紧凑，有助于提高电能的使用效率。

由此，四旋翼飞行器的设计也朝着小型化、多样化方向发展，应用范围也在不断地扩大[2]。

四旋翼飞行器以其体积小，飞行灵活，在飞行时又有较强的防窥探能力，在军事侦查方面的应用空间很大；在民用、城市交通、环境监测及工业巡察领域能发挥很大的作用[3]。

例如在灾害中，通过携带指定的检测模块，四旋翼飞行器可以探测有害物质的浓度、灾害周围的温湿度以及危险物的大致范围，能够实时回传数据，便于指挥人员对灾害情况的掌握。

随着新型材料以及制造业的快速发展，四旋翼飞行器也朝着微型化的方向发展。

目前看来，四旋翼飞行器依然不少技术问题没有解决，许多技术问题依然没有突破性的进展[5]。

因此，在现有技术的基础上，尽可能地解决现在没有解决的问题，才能使无人机的研究与发展不断向前行进。

四旋翼飞行器所涉及的知识体系范围宽，而且其研究范围随着研究的逐步深入仍在扩展，而对其中的某些存在的问题开展一部分前瞻性研究也正是本毕业设计的目的之一。

1.2国内外飞行器的研究现状

回顾历史，全球第一架可载人飞行的飞机，于1903年由美国的莱特兄弟研制，人们对于四旋翼飞行器的探索也起源于那个时代，由于当时的科学技术水平低以及理论知识欠缺的原因，四旋翼飞行器没有得到足够快速的发展，直至20世纪膜，依然没有多旋翼类飞行器被真正地设计[4]。

美国科学家布鲁诺・W・奥根斯坦在1992年美国国防高级研究计划局（DARPA）主持的一次军事会议上提出微型飞行器（MicroAirVehicle）

的概念，四旋翼飞行器最早设计并完成并试飞的是Breguet兄弟，GeorgeDeBothezat,EtienneOemichen以及D.H.Kaplan[5]。

由于微机电系统传感器、单片机、电机以及电池技术的突破，四旋翼飞行器的设计与研究得到了前所未有的发展。

微型飞行器应用范围宽广，可作为低成本的遥感平台，全世界对飞行器的研制和投入也达到了新的高度[6]。

1.2.1美国研制四旋翼飞行器的现状

微型飞行器是由DARPA率先提出和启动研制。

1995年11月，DARPA召开了微型飞行器可行性专题讨论会；1996年3月,DARPA召开了向工业界通报情况的介绍会；1996年10月,DARPA召开了用户与研制者的讨论会；1997年DARPA正式通过小型商业革新研究（SBIR）项目,投资进行系统研究或发展特种技术[7]。

1998年4月,一种名为微星的微型飞行器方案由美国桑德斯提出。

微星的设计参数参数为:

翼展约15cm,质量15g，具有自动飞行和录像功能，采用手持式发射器发射或直接手抛发射。

第一阶段主要进行方案论证工作，包括对飞行器的动力系统、姿态感知系统、录像系统、导航系统等所有辅助设施进行了逐个测试。

2000年9月制造出一种采用大容量电池、飞行稳定、可录像且运动灵活的微型飞行器[8]。

Auburn大学和Lutronix公司成功研制了一种新型的旋翼式飞行器机体:

使用直升机布局,从外型上看为圆柱形,上部装有旋翼,下部带录像机。

目前设计出两种机型，即共轴双旋翼和单旋翼,都没有尾浆调向。

技术参数为：

重300g，旋翼直径10.16cm，可负载重量为100g，具有三个轴向稳定调节、全球定位系统和120min续航时长[10]。

“Entomopter”扑翼式微型飞机由CaliforniaInstituteofTechnology和AeroVironment公司及UniversityofCalifornia联合研制，共花费约180万美元。

机身结构:

采用扑翼布局,着重探索扑翼式飞行器可不可以像蜂鸟一样垂直上下飞行，使其具有更好的隐身功能。

技术参数:

翼展15.24cm，质量为10g,采用镍镉可充电电池，在没有遥控条件下飞行了18s，飞行距离46m，机翼能以20Hz的频率扇动[11]。

海军研究实验室研制的超小型干扰机:

翼展（15.24～20.32）cm,质量（50～100）g,飞行速度（32.18～64.36）km/h,飞行时间1200s,载重16g,研制目的是在敌人雷达上投放一个重约16g的雷达扰乱器。

此飞行器由军队人员带到距离目标几千米处手动发射[12]。

1.2.2印度研制的微型直升飞机

1997年1月26日在新德里举行的阅兵式上，印度首次展示了航空研究院制造的NISHANT飞行器。

技术参数：

翼长0.75m，长度为120cm，质量为300kg，负载45kg，采用德国制造的发动机，推进式螺旋桨，飞行高度为950m左右，续航时间300min。

NISHANT飞行器系统主要包括飞行器、遥控台和发射架。

1.2.3中国的微型飞行器

国内部分高等院校和科研机构正在开展微型飞行器的研究工作，研究成果主要有北京理工大学的智能机器人研究所、国防科技大学机器人实验室和上海交通大学微纳米科学技术研究院等在做这方面的相关研究工作。

北京理工大学的智能机器人研究所则从另一方面入手，通过对微型旋翼式四旋翼飞行器进行结构与动力特性的分析，自行研制了一种微型旋翼式四旋翼飞行器。

并在此原型机的基础上，基于PID控制算法，进行了不少姿态控制算法方面研究工作，也取得了一定的研究成果[16]。

上海交通大学在微型无人机方面的研究主要体现在非线性控制、机器识别以及相似智能辨识等方面的研制。

其微纳米科学技术研究院曾制造出以直径仅有0.2cm的微马达作为动力的双旋翼微型直升机。

该研究院的科研人员在现有成功经验的基础上，正在研究能负载、可离地飞行的四旋翼微型飞行器[18]。

1.3四旋翼飞行器的主要生产公司

国际上比较知名的四旋翼飞行器公司有中国大疆公司、法国Parrot公司、德国AscTec公司和美国3DRobotics公司。

深圳市大疆创新科技有限公司（DJI-Innovations，简称DJI），成立于2006年，是全球领先的无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商，客户遍布全球40多个国家。

通过持续的创新，大疆致力于为无人机工业、行业用户以及专业航拍应用提供性能最强、体验最佳的革命性智能飞行控制产品和解决方案。

中国深圳大疆创新科技有限公司在2013年初推出了一款售价高达1000美元的Phantom四翼直升机。

该公司去年的销公司、售额达到了1.30亿美元，并预计今年还能再增长3倍之多。

2014年11月26日，由大疆创新研发的航拍机新产品Inspire1在深圳亮相，这也是被媒体称为“迄今为止最酷的“无人机”产品，首度在亚洲地区进行公开展示。

1.4本研究的目的和意义

本四旋翼飞行器控制系统主要实现由摄像头地面的道路信息进行循迹飞行功能。

飞行器通过摄像头采集的图像分析出的道路信息指令，按照指定的轨迹飞行，同时具有感知当前飞行姿态并自动调整的功能，此外具有遥控起飞和降落的功能。

全部控制系统囊括电源模块、摄像头模块、无线通信模块、传感器模块、电机驱动模块、控制器模块。

无线通信模块接收遥控器传来的控制信号，而后将控制信息传递给控制器模块。

传感器模块采用三轴加速度传感器陀螺仪实时监测飞行器飞行的当前飞行姿态，并将飞行器的当前飞行姿态数据传送给控制器模块。

摄像头模块采集的图像，通过单片机处理分析出的轨迹信息指令，按照指定的轨迹飞行，控制器模块接收到摄像头模块、传感器模块和

无线通讯模块传来的目标姿态数据和实际姿态数据后完成一系列复杂的算法，得到当前四旋翼飞行器的位置和姿态信息，计算出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行。

本设计的主要设计任务是基于STM32系列单片机和FreescaleKinites60单片机设计并制作一台四旋翼飞行器样机，其中STM32系列单片机主要用来实现四旋翼飞行器的传感器数据处理（包括加速度、陀螺仪、气压计、超声波等传感器），姿态解算，超声波定高，主要是实现控制模块的功能；FreescaleKinites60单片机处理摄像头数据，分析出路径信息，并把路径信息转换为相应的控制信息，并把相应的控制信息传输给控制模块，实现四旋翼飞行器的自主循迹功能，同时可以接收无线数据，实现遥控起飞和降落的功能，主要实现的是图像采集处理分析的功能。

设计实现飞行控制器硬件，并调试完成四旋翼飞行器，该样机通过摄像头能够循迹并在离地面一定的高度稳定飞行，为后期的研究奠定基础。

本文主要从如下几个方面入手对四旋翼飞行器的设计进行详细研究：

（1）四旋翼飞行器原型样机结构与实现，飞行控制器硬件设计及实现；

（2）摄像头采集信号的调试、转换和生成；

（3）摄像头采集的信号转换为四旋翼飞行器的控制信号；

（4）四旋翼飞行器飞行模型的建立；

（5）四旋翼飞行器运行状态的采集和反馈；

（6）四旋翼飞行器PID参数调整；

（7）遥控器控制信号的发送和接收。

工作重点在于基于多传感器融合的动力学建模、姿态控制算法、控制系统软硬件、摄像头采集信号的调试、转换和生成的设计与实现以及调试等。

1.5小结

本章首先介绍课题的选题背景，之后介绍了国内外四旋翼飞行器的发展历史以及研究现状，随后介绍了飞行器的主要生产公司，最后指出了本文的研究目的、方法及研究的重点内容。

2系统总体设计方案

本设计主要采用ST公司生产的STM32F407作为系统的主处理器。

它主要负责采集传感器检测到的姿态信息并实时解算，根据摄像头采集到的图像信息，通过二值化算法，得到具体的线路信息，通过FreescaleKinites60单片机计算输出控制量；并把控制量传递给STM32F407，控制飞行器的飞行方向及姿态；通过无线通信模块与遥控器进行数据的传输，实现飞行器的起飞、降落及飞行姿态和位置的调整。

本系统主要由主控制器模块、无刷电机驱动模块、电源模块、摄像头模块、姿态测量模块等五部分组成，下面分别论证这几个模块的选择。

飞行控制系统方框图如图2-1所示：

图2-1飞行控制系统方框图

2.1驱动模块的论证与选择

2.1.1四旋翼飞行器电机选型

方案一：

采用普通直流电机。

普通直流电机有操作简单、成本低、质量小等优点，但其输出扭矩较小，可控性能差，四旋翼飞行器要求控制精度高，响应速度快，且重量要轻，所以普通直流电机无法满足要求。

方案二：

采用新西达公司生产的A2212/13T1000KV无刷直流电动机。

它在低KV值

（1000-2000kv），高电压（11.1V）环境下有较高的转速和较大扭力，且具有调速范围宽、效率高和稳态转速误差小等优点。

它克服了普通直流电机的扭矩小的缺点，满足系统精度控制要求及负载要求。

综合以上比较论证，为保证四旋翼飞行器稳定可靠的飞行，本系统采用方案二。

2.1.2电机驱动电路

电机转的转速是跟流过电机的电流有关，即跟加在两端的电压有关。

但是单片机并不能输出可调的直流电压，而是用脉宽调制（PWM）方式来控制电机的输入电压。

通过控制PWM调节占空比，实现控制电机转速的效果，PWM占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。

2.1.3脉冲宽度调制PWM调速

脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。

它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域[19]。

脉冲宽度调制（PWM）是一种利用微处理器的数字输出对模拟信号电平进行数字控制的方法。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，利用高分辨率计数器改变方波的占空比被调制用来对一个模拟信号的具体电平编码。

但PWM信号仍然是数字的，因为在给定的所有时刻，全幅值的直流供电不是完全导通，就是完全截止，不存在第三种状态。

电压或电流源是以一种导通或截止的重复的不同占空比的脉冲序列加到模拟的负载上。

导通时直流供电完全被加到模拟负载上，截止时是供电完全被断开的时候。

只要数值带宽足够宽，所有的模拟电流都可以使用PWM模拟。

PWM调速的优点如下：

1）由于PWM的开关频率很高，只要通过电枢电感滤波就可以得到波动比较小的直流电流，可以调速的范围大，理论上可达到1:

10000左右；

2）响应性能的快速行十分好，抵抗动态干扰能力强；

3）由于器件仅工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

根据以上优点，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了PWM变换器进行调速。

2.2传感器模块的选择

四旋翼飞行器的稳定飞行是本设计重点内容之一，而要进行飞行器的稳定飞行就得获得飞行器稳定的姿态。

传感器用来感知自身的姿态位置信息及外界环境的变化，为控制系统提供控制依据。

因为四旋翼飞行器所使用的电池容量较小，以及四旋翼飞行器的升力和负载能力有限，所以，减轻导航姿态测量系统所用传感器的质量、体积

，就显得十分重要。

加速度检测传感器是可以检测加速力变化的电子器件。

加速度检测传感器的工作原理：

检测元件将测点的加速度变化信号转换为相应的电压信号，进入信号调理电路，经过信号放大电路改善信号的信噪比，再进行AD转换得到数字信号，最后将数字信号传递给单片机，单片机对数据进行数字滤波处理。

加速度检测传感器用于检测机身相对于水平面的侧倾角度。

在四旋翼飞行器起飞的瞬间，由于电机转速本身的质量和转速误差，加速度检测传感器无法感知飞行器本身的受力情况。

根据牛顿第二定律，要想通过加速度检测传感器获得准确的四旋翼飞行器侧倾角度和飞行姿态，加速度检测传感器就需要在静止或者匀速运动的情况下进行测量，而飞行器起飞的瞬间，物体是运动的，所以无法使用加速度检测传感器测量的数据来控制四旋翼飞行器。

陀螺仪检测传感器能感知物体的运动变化。

四旋翼飞行器的飞行控制器通过读取陀螺仪检测传感器采集的数据进行处理，并依据四旋翼飞行器当前姿态进行反馈控制，即可以使得四旋翼飞行器保持稳定的飞行。

因为在测量过程中陀螺仪检测传感器受到温度变化的影响，导致测得的姿态信息并不十分精确，对测得的数据经行再次的滤波就显得尤为重要。

因此利用加速度检测传感器和陀螺仪检测传感器的组合可以检测和输出四旋翼飞行器的方位、速度和引力来感知飞行器的运动状态。

综合考虑性能、体积、重量和成本等因素，本设计选择MPU-6050陀螺仪加速度计，其具体的电路连接图如图2-2所示。

图2-2MPU-6050传感器电路连接图

MPU-6050是世界第一例9轴运动处理传感器。

它集成了3轴微机电陀螺仪，3轴微机电加速度计，以及可扩展的数字处理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C接口连接磁力计。

扩展之后就可以通过其I2C接口输出一个9轴变化的数字信号。

MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如气压传感器[20]。

MPU-6050与其他处理器之间的通信采用400kHz的I2C接口。

对于需要高速传输的系统，对数据的读取和中断可用20MHz的SPI。

此外，MPU-6050片上还内部还有了一个温度传感器用于矫正温度变化对采集数据的影响。

2.2电源模块的论证与选择

系统采用2200mA动力锂电池作为供电电源，电压为12V左右，可直接供给电调使用，其中电机由电调直接驱动，而摄像头工作电压和FreescaleKinites60单片机为3.3V，超声波模块的工作电压5V，需要通过稳压芯片进行一次电压转换为其供电。

方案一：

通过电调产生5V电压供给超声波模块使用，由于摄像头的工作电流不是很大，直接采用AMS1117-3.3稳压芯片将5V电压转换成3.3V供摄像头和FreescaleKinites60单片机使用，这个方案电路十分简单，使用元件少，且工作十分稳定。

方案二：

采用LM7805三端稳压器将电源电压降到5V供超声波模块使用，再通过AMS1117稳压芯片将5V电压转换成3.3V电压供给摄像头FreescaleKinites60单片机。

电路内部有过热、过电流及调整管的保护电路，但在实际应用中，稳压管温度上升过高时，其工作的稳压性能将变差，甚至烧毁。

综合考虑以上的两种不同的电源模块方案，选择方案一更为合理。

2.3飞行控制模块的论证与选择

方案一：

领航者飞控模块。

匿名科创ANOTC的领航者飞控模块能提供完全开源的飞控工程源代码，飞行效果好，方便调试及后期增加功能。

方案二：

QQ飞行控制模块。

其有优点是调试简单，有自稳功能，缺点是不能定高，不能姿态控制，没有开源的飞控工程源码，对后续调试，增加功能影响很大，不利于本毕业设计的制作。

综合考虑以上的两种不同方案，选择方案一更为合理。

2.4摄像头模块的论证与选择

摄像头是基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器系统信息提取关键，其输出信息的好坏将决定着四旋翼飞行器转向性能。

因此摄像头的选取必须慎重，既要保证图像质量好，满足后续处理和轨迹识别的要求，又要考虑到单片机采集和处理的能力。

基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器中既可以使用CMOS型摄像头，也可以使用CCD型摄像头。

CCD模拟摄像头和CMOS数字摄像头，其优缺点如表2-1、表2-2所示：

表2-1CCD模拟摄像头的优缺点

优点

缺点

1）灵敏度高，适于高速运行；

2）噪点低。

1）成本高；

2）功耗高，需12V供电

表2-2CMOS数字摄像头的优缺点

优点

缺点

1）体积小，重量轻，功耗低；

2）内部集成A/D，电路要求简

单，方便系统小型化；

3）平均成本低,便于推广。

1）灵敏度低，不适于高速运行；

2）噪点高。

通过比较，发现CMOS数字摄像头相比于CCD模拟摄像头，有着供电电路简单，体积小巧、质量轻、功耗低等诸多方面的优势。

同时，我们发现CMOS数字摄像头提供了PCLK信号，这样我们便可以利用FreescaleKinites60单片机自带的DMA模块进行DMA采集。

使用DMA可以节省单片机硬件资源，让单片机可以在同一时间里做更多不同的事情，这样便提高了单片机的工作效率。

而CCD模拟摄像头未能提供PCLK信号，同时为了得到数字灰度值，我们需要对CCD输出的模拟信号进行AD转换，增加了电路的复杂度。

综合以上考虑，最终决定采用CMOS数字摄像头作为毕业设计的图像传感器。

选用型号是OV7725数字CMOS摄像头。

OV