具有路径跟踪与图像识别功能的飞行器系统平台的研制

冯强 杨鑫 田晓洋 刘智平 石俊 熊杰

摘 要：无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。针对路径跟踪和图像识别功能的UAV，我们提出的在线路径跟踪与图像识别，以STM32F103VCT6作为主控芯片、四元数算法为解算核心，我们的工作的特点：①GPS定位系统测得UAV的距离在10米以内。②图像可以实时传回。③图像传输用鹰眼摄像头，数据总线频率低，传输稳定。

关键词：无人机；图像识别功能；飞行器系统平台

1引言

最早的无人机出现在20世纪20年代，当时只是作为训练用的靶机。1955年到1974年的越南战争中，无人机被用于执行军事任务，此后无人机在军事活动中的身影频频出现，从最初的靶机到后来发展到具有跟踪、情报收集、通讯、甚至战斗的功能。无人机被誉为现代战场的“千里眼”和“杀手锏”。随着社会的发展，无人机的应用领域也从军用扩展到了民用领域，在农业领域应用使得传统的农业生产方式发生变革，无人机是将繁重的体力劳动，低效益向解放生产力，高效益转变的重要手段，无人机技术的深入和使用将使现有的农业耕作变得更高效、更节约资源。无人机技術的发展现在已经不仅仅是简单的飞行，其兼备的拍照摄像，运输传送，定位跟踪等一系列功能都使得无人机成为一个巨大的工具，全面地为人类社会服务。本文设计研制一台具有路径跟踪功能的飞行器一架，通过硬件搭建和软件配合使得飞行器能够完成四个通道的基本飞行，并在飞行器系统上加载GPS模块，使其具有路径规划和图像识别功能。

2硬件设计

2.1设计思路

在用F450机架上安装无刷电机，并与无刷电子调速器连接，电子调速器与飞控板输出控制信号连接，电池组给飞控板和无刷电子调速器供电。

2.2 硬件模塊

飞控板采用Cortex-M3系列的STM32F103VCT6作为主控芯片，传感器主要使用陀螺仪、加速度计、地磁传感器、气压高度计；无刷电子调速器；无刷电机；电池组；电压转换模块；超声波模块；遥控器等。

2.3硬件组成

2.3.1飞控板组成元器件：STM32F103VCT6、MPU6050、HMC5883L、MS5611、AT45DB161 Flash芯片、CP2102 串口芯片、JTAG接口

① STM32F103VCT6：32-bit ARM Cortex-M3微控制器，接收不同类型的传感器数据和发送对无刷电子调速器的控制信号，工作频率72MHz

② MPU6050：集成了3轴MEMS陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，连接一个第三方的数字传感器

③ HMC5883L：数字接口的三轴弱磁传感器，测量范围从毫高斯到8高斯，罗盘精度控制在1°—2°的12位模数转换器

④ MS5611：采用SPI和I2C总线接口，分辨率可达10cm的气压传感器

⑤ AT45DB161D-SU：存储容量为16 Mbit 的Flash存储芯片

⑥ CP2102：USB转串口芯片

⑦ JTAG接口：JTAG接口用于硬件调试，方便使用J-Link调试程序

2.3.2选购合适的外围硬件，搭建飞行器的硬件框架

①机架大小的估计计算公式：桨叶的英寸P，机架轴距M

（1）

②电调的选用时注意大的电流的电调兼容用在小电流的地方。

③电机选用时，一般选择无刷电机，无刷电机力气大，噪声小，稳定性高。

④桨叶选择时与电机搭配。

3软件设计

3.1算法控制律设计

通过对四个装桨的无刷电机转速调节实现了调节四旋翼飞行器姿态，由4个无刷电机的不同转速组合实现了四旋翼的俯仰、偏航、横滚等飞行姿态，并通过3个姿态控制通道设计PID控制律。

为了增加飞行器的稳定性提高控制性能，控制角速度，采用角度/角速度串级PID控制算法。两个PID控制算法，串在一起，增强系统的抗干扰性（增强稳定性），使得飞行器的适应能力更强。

整定串级PID时是先整定内环PID参数，再整定外环P参数。

内环P：数值由小到大，数值比较大时，四轴高频震动，过几秒钟后稳定；继续增大，可能出现翻机。

内环I：积分用来消除静差，降低系统稳定性。它的数值从小到大，四轴定在一个位置不动，不再往下掉；继续增加I的值，四轴不稳定。

内环D：微分项D为标准的PID原理下的微分项，即本次误差-上次误差。数值从小到大，四旋翼的性能没有多大改变，回中的时候更加平稳，D项属于辅助项。

外环P：当内环PID全部整定完成后，四旋翼已经可以稳定在某一位置。内环P，从小到大，飞机从倾斜位置回中，给外力时，它会慢速回中，达到平衡位置。

3.2姿态解算

系统软件设计采用Keil MDK-ARM的编译器，MDK包含KeilC编译器、宏汇编器、调试器、实时内核等组件，支持所有基于ARM的设备。

采用四元数算法对机体姿态解算。姿态角通过陀螺仪、加速度计和数字罗盘测量得到。陀螺仪测量出来的姿态输出给主控芯片以计算控制量；加速度计和数字罗盘测量得到地球重力与地球磁场在机体空间坐标上的分量，是实际姿态。陀螺仪输出解微分方程可得到更新后的四元数，通过四元数和方向余弦矩阵中元素的对应关系解算方向余弦矩阵微分方程。

飞行器的姿态信息是由世界坐标系和机体坐标系之间的旋转关系确定。分设飞行器的滚转角Φ、偏航角Ψ、俯仰角θ，从地理系向机体系旋转，首先沿着地球系的Z轴转动Ψ，再绕中间的Y轴转动θ，然后绕中间系的X轴转动Φ。

四元数和方向余弦矩阵（姿态矩阵 ）间的关系：

VX，Vy，Vz为陀螺仪积分后的姿态推算的重力向量。

加速度计实际测量得到机体坐标系的重力向量。aX，ay，az。陀螺仪和加速度计的重力分量间存误差，测出来的姿态间的误差规范化处理 aX，ay，az

陀螺仪体轴角速度修正后，得到更新四元数：

其中 Pi（n+1），i=0，1，2，3为更新的四元数；Pi（n），i=0，1，2，3修正陀螺仪体轴角速度ωx（n），ωy（n），ωz（n）；T为陀螺采样周期。从而最终的得到载体姿态角的计算公式：

（6）

3.3图像识别功能的实现

3.3.1鹰眼摄像头

利用野火stm32所带的鹰眼野火攝像头，野火硬件摄像头，速率去噪点能力极强，直接输出二值化图像，一次输出8个像素。图像像素先输出高位，后输出低位，输出顺序是从左到右

3.3.2图像采集思路

①开场中断；②启行中断；③行中断for循环延时采集图像；④关闭行中断，图像采集完毕。

4系统测试

将做好的电路板加上5V电源，加电后检测电路连接是否有短路和断路故障，依据原理圖在各主要电路节点上用万用表检测电路连接是否有故障。再检测各芯片通电情况，检查芯片电源引脚上所加的电压是否在芯片所要求的电压范围内。

将飞控代码下载到飞控板，进行地面调试，检测系统是否接收遥控器信号，电机转向是否正常。进行外场试飞，检测系统飞行姿态是否稳定，对控制信号响应是否迅速。

第一步的仿真试验已经完成，第二部的室内测试正在进行。

5结论

本文将无人机的路径跟踪与图像识别功能结合在一起，通过测验达到了预期的效果。不论从军用还是民用的角度来看无人机的路径跟踪与图像识别功能将是未来发展的趋势，并且在无人机领域将会有很好的发展空间。

致谢：感谢大学生创新计划项目（编号 201410702056）的资助；感谢刘智平老师、石俊老师、熊杰老师的耐心指导他们以严谨的学术态度和诲人不倦的风尚帮助和教导我们改正错误，不断提高。老师勤恳的工作态度、一丝不苟的治学方法和诲人不倦的教学精神给我留下了深刻的印象，使课题组全体同学受益非浅，他们渊博的知识开拓了我们的视野，必将在将来的工作和学习中激励我们继续努力。

参考文献：

[1]杨森、刘火良.stm32库开发实战指南[M]. 机械工业出版社/2013.

[2]楚拉多斯怀特、周洲、祝小平.无人机协同路径规划[M]. 国防工业出版社/2013.

[3]吴纲柱、赵荣先，斯里夫.惯性导航应用理论[M].国防工业出版社/1978.

[4]程民德.图像识别导论[M].上海科学技术出版社1983.7.

[5]邱致和、王万义、卡普兰.GPS原理与应用[M].电子工业出版社/2002.

[6]吴腾飞、周鑫、袁锁中.无人机软式自主空中加油视觉导航方法[J].测控技术 ，2015年第34卷9期 ：17—20.

[7]谭建豪，王耀南，王媛媛，等. 旋翼飞行机器人研究进展[J].控制理论与应用， 2015年第32卷10期：1278—1286.

[8]丛楚滢，王从庆，丁臻极，等.一种小型无人机的FASTSLAM算法[J].华中科技大学学报（自 然 科 学 版）， 2015年第43卷第1期：420—427.

（作者单位：西安工业大学）