四旋翼自主飞行器探测跟踪系统
本课题主要设计的是四旋翼自主飞行器探测跟踪系统，通过多种传感器的相互配合使用，达到一定的技术指标。要求飞行器在既定位置飞行区域内实现一键起飞与悬停，飞行中能够识别小车，实现和小车的声光指示，并能悬停至小车上方用激光笔照射小车;在此基础上，进一步实现飞行器跟随小车飞行，在遥控小车经过指定位置的情况下飞行器全程跟随小车并在小车停止后降落停机。该课题的核心是要能精确控制飞行方向，调整飞行姿态，保证飞行器的平衡性及对图像数据进行处理。
一、引言 1
二、设计方案工作原理 1
（1）预期实现目标 1
（2）系统模块及框图 1
（3）模块设计方案 2
①姿态控制模块 2
②姿态解算模块 2
③图像识别模块 3
④定高模块 3
⑤电源模块 3
三、系统方案介绍 3
（1）系统结构工作原理框图 3
（2）飞行器飞行原理分析 3
（3）飞行姿态控制 4
（4）飞行探测跟踪 4
（5）飞行高度控制 4
（6）串级PID参数调节 4
四、功能指标实现方法 4
（1） PID控制策略 4
（2）色彩标准转换 4
五、核心部件—遥控小车 5
（1）遥控小车电路结构原理图 5
（2）遥控芯片电路原理 5
（3）电调电机模块原理图 6
（4）电源及声光提示模块原理图 6
六、系统软件分析 7
（1）程序设计 7
（2）串级PID控制 7
（3）图像识别 7
（4）系统主程序流程图 7
七、测试方案及性能指标 9
（1）测试方案 9
（2）性能指标 10
八、结论 10
参考文献 11
致 谢 12
附录一 13
一、 引言
随着四旋翼飞行器技术的不断应用,无人机的各种用途被不断发掘出来。基于四旋翼飞行器的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
飞行状态相对平稳和便于控制等特点,利用四旋翼飞行器进行探测和跟踪目标成为可能。
四旋翼飞行器是时下最热门的一种飞行器，可以实现空间中的自由悬停和自由移动，其结构比较简单、机械稳定性好且具有很高的性价比，已经越来越受到广大科学爱好者和商业公司的关注，从国外的亚马逊，国内的顺丰和京东用飞行器为客户投递物品，可以说四旋翼飞行器未来的应用是非常有前景的。四旋翼自主飞行器探测跟踪系统不仅要求通过精确控制实现飞行器的稳定飞行，还要使用技术手段完成自主跟踪地面小车的行走轨迹，做到空地协同。
二、 设计方案工作原理
（1） 预期实现目标
实现以下功能：
一键起飞、平稳飞行、固定高度悬停、稳定降落等基本功能。
小车可遥控、飞行器可测量与目标小车距离并进行声光提示。
固定位置悬停、跟踪小车飞行。
跟踪小车时实现航向的跟随偏转。
（2） 系统模块及框图
本系统一共由姿态控制模块、姿态解算模块、图像识别模块、定高模块、电源模块、遥控小车模块、声光模块等模块组成。结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图
（3） 模块设计方案
① 姿态控制模块
姿态控制子系统采用超声波传感器进行距测并结合PID算法实现定高飞行，采用串级PID控制方法同时结合超声波、摄像头模块反馈回来的位置信息对姿态角进行控制，从而完成仰俯、横滚、偏航等各种飞行动作。
② 姿态解算模块
刚体运动时可以通过Euler Angle变换测得当前姿态，存在一个地面参考系和一个飞机体参考系。相对于机体参考系得到向量QP和相对于地面参考系的向量QG，由旋转矩阵R得到QG=QP其中旋转矩阵：
因此，得到Euler Angle和方向余弦之间的关系如下：
由全向余弦矩阵计算得到Euler Angle：
得到飞行器姿态后即可通过嵌套的PI→PID算法循环来控制，优化内部的PID循环对飞行器的良好稳定飞行具有关键作用，而外部PI循环不那么敏感，主要影响飞行的快慢。内部PID循环计算出所需的旋转角速度并且和原始陀螺仪数据比较，将差异反馈给PID控制器并发送到电机来修正旋转速度。
③ 图像识别模块
利用树莓派的摄像头RPI 5MP进行图像的采集，飞行器在起飞后需要识别出作为信标的遥控小车，当飞机起飞后,开始采集飞机下方一定区域内的图像情况，对所收集图像中方向和幅度两个方面的像素点进行微分算子检测，通过求导的方式来检测边缘，可以将需要识别的小车与周围场景区分开来，进行滤波后使用CamShift算法进行运动目标的跟踪，从而识别到小车。
④ 定高模块
采用激光定高模块。激光定高模块发光能量密度大精密较高，受外界影响小。
⑤ 电源模块
采用3S锂聚合物电池。优点是轻量化，单位能量、容量、循环寿命都较锂电子电池有所提高，且最大持续电流更大，尤其适合驱动飞行器。
三、 系统方案介绍
（1） 系统结构工作原理图（如图2所示）
图2 系统工作流程图
（2） 飞行器飞行原理分析
四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现飞行器上升下降。从而控制飞行器的紫瑶和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却又六个状态输出，所以它又是一种欠驱动、强耦合的系统。
一、引言 1
二、设计方案工作原理 1
（1）预期实现目标 1
（2）系统模块及框图 1
（3）模块设计方案 2
①姿态控制模块 2
②姿态解算模块 2
③图像识别模块 3
④定高模块 3
⑤电源模块 3
三、系统方案介绍 3
（1）系统结构工作原理框图 3
（2）飞行器飞行原理分析 3
（3）飞行姿态控制 4
（4）飞行探测跟踪 4
（5）飞行高度控制 4
（6）串级PID参数调节 4
四、功能指标实现方法 4
（1） PID控制策略 4
（2）色彩标准转换 4
五、核心部件—遥控小车 5
（1）遥控小车电路结构原理图 5
（2）遥控芯片电路原理 5
（3）电调电机模块原理图 6
（4）电源及声光提示模块原理图 6
六、系统软件分析 7
（1）程序设计 7
（2）串级PID控制 7
（3）图像识别 7
（4）系统主程序流程图 7
七、测试方案及性能指标 9
（1）测试方案 9
（2）性能指标 10
八、结论 10
参考文献 11
致 谢 12
附录一 13
一、 引言
随着四旋翼飞行器技术的不断应用,无人机的各种用途被不断发掘出来。基于四旋翼飞行器的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
飞行状态相对平稳和便于控制等特点,利用四旋翼飞行器进行探测和跟踪目标成为可能。
四旋翼飞行器是时下最热门的一种飞行器，可以实现空间中的自由悬停和自由移动，其结构比较简单、机械稳定性好且具有很高的性价比，已经越来越受到广大科学爱好者和商业公司的关注，从国外的亚马逊，国内的顺丰和京东用飞行器为客户投递物品，可以说四旋翼飞行器未来的应用是非常有前景的。四旋翼自主飞行器探测跟踪系统不仅要求通过精确控制实现飞行器的稳定飞行，还要使用技术手段完成自主跟踪地面小车的行走轨迹，做到空地协同。
二、 设计方案工作原理
（1） 预期实现目标
实现以下功能：
一键起飞、平稳飞行、固定高度悬停、稳定降落等基本功能。
小车可遥控、飞行器可测量与目标小车距离并进行声光提示。
固定位置悬停、跟踪小车飞行。
跟踪小车时实现航向的跟随偏转。
（2） 系统模块及框图
本系统一共由姿态控制模块、姿态解算模块、图像识别模块、定高模块、电源模块、遥控小车模块、声光模块等模块组成。结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图
（3） 模块设计方案
① 姿态控制模块
姿态控制子系统采用超声波传感器进行距测并结合PID算法实现定高飞行，采用串级PID控制方法同时结合超声波、摄像头模块反馈回来的位置信息对姿态角进行控制，从而完成仰俯、横滚、偏航等各种飞行动作。
② 姿态解算模块
刚体运动时可以通过Euler Angle变换测得当前姿态，存在一个地面参考系和一个飞机体参考系。相对于机体参考系得到向量QP和相对于地面参考系的向量QG，由旋转矩阵R得到QG=QP其中旋转矩阵：
因此，得到Euler Angle和方向余弦之间的关系如下：
由全向余弦矩阵计算得到Euler Angle：
得到飞行器姿态后即可通过嵌套的PI→PID算法循环来控制，优化内部的PID循环对飞行器的良好稳定飞行具有关键作用，而外部PI循环不那么敏感，主要影响飞行的快慢。内部PID循环计算出所需的旋转角速度并且和原始陀螺仪数据比较，将差异反馈给PID控制器并发送到电机来修正旋转速度。
③ 图像识别模块
利用树莓派的摄像头RPI 5MP进行图像的采集，飞行器在起飞后需要识别出作为信标的遥控小车，当飞机起飞后,开始采集飞机下方一定区域内的图像情况，对所收集图像中方向和幅度两个方面的像素点进行微分算子检测，通过求导的方式来检测边缘，可以将需要识别的小车与周围场景区分开来，进行滤波后使用CamShift算法进行运动目标的跟踪，从而识别到小车。
④ 定高模块
采用激光定高模块。激光定高模块发光能量密度大精密较高，受外界影响小。
⑤ 电源模块
采用3S锂聚合物电池。优点是轻量化，单位能量、容量、循环寿命都较锂电子电池有所提高，且最大持续电流更大，尤其适合驱动飞行器。
三、 系统方案介绍
（1） 系统结构工作原理图（如图2所示）
图2 系统工作流程图
（2） 飞行器飞行原理分析
四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现飞行器上升下降。从而控制飞行器的紫瑶和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却又六个状态输出，所以它又是一种欠驱动、强耦合的系统。
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