四旋翼飞行器探测跟踪系统

文/任晓壮　王艺璇　马新瑞　李敏　孙立平

1　前言

本文主要介绍四旋翼飞行器在设定高度下悬停并实现追踪地面小车和定点悬停。四旋翼自主飞行器探测跟踪系统主要由图像识别模块、飞控模块、导航模块、图像识别模块、电源模块组成。在四旋翼的性能测试过程中，主控制器件、图像识别模块、电机驱动模块等方面进行了调换和改进。

2　器材选用

对于飞控芯片的选用，首先进行了QQ飞控的测试，原因是这种飞控价格相对便宜且自稳功能强大，但是测试过程中发现该飞控不能实现定高，不能直接进行姿态控制，不方便任务的顺利进行；之后选用领航者飞控，该飞控最大的特点是完全开源，具有很强的二次开发和可拓展性，飞控资料也会不断更新，同时支持定高和姿态控制，方便实用。

在测距模块选用时，刚开始选择常用的HC——SR04超声波测距模块，但是使用过程中发现数据不稳的原因包括该模块易受温度变化的影响，不利于四旋翼保持稳定；查资料后，选择带有温度补偿的US——100超声波测距模块，内含看门狗，工作稳定可靠。图像识别模块线性CCD摄像头前瞻性好，循迹效果好，是一个不错的选择，但是程序处理复杂，图形容易丢失，因此选用配置驱动比较简单的OV7670摄像头，并且信息采集量也比较大。电机驱动首先使用了好盈天行者电调驱动电机，但是后期发现各电调响应时间不同，无法保证四旋翼正常飞行，最后采用好盈乐天电调驱动电机，电流持续性强，工作稳定可靠，可以保证四旋翼稳定飞行。

3　四旋翼飞行器探测跟踪系统的设计

四旋翼设计有飞控模块、导航模块、电源模块、测距模块、图像识别模块、激光照射模块、通信模块（蓝牙模块）等组成。四旋翼机架结构选用固定的刚性十字架交叉骨架和四个固定于展臂中间的电调和展臂末端的电机组成，各个模块均放置在四旋翼十字架骨架中心，摄像头和超声波模择位置安装于飞行器。

四旋翼飞行器依靠四个电机的转速差进行控制，基本动作原理为：1号电机和3号电机逆时针旋转驱动，两个正螺旋桨产生升力，2号电机和4号电机顺时针旋转驱动两个反螺旋桨产生升力。反向旋转的两组电机和螺旋桨使其各自对机身产生的转矩相互抵消，保证四个电机转速一致，机身不发生转动。使得四旋翼的姿态得以稳定。

四旋翼飞行器稳定飞行最主要的算法是PID控制算法。PID控制是将偏差的比例（P）积分（I）微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量实现对被控对象的控制。通过人为引入四个控制量（a，b，c，d），从而把非线性耦合模型解耦为四个独立的控制通道，四旋翼直升机系统可以被描述为由角运动和平移运动这两个子系统组成，角运动影响平移运动，而平移运动则不影响角运动。控制系统主要包含两个控制回路：一个是飞行器姿态控制回路，另一个是飞行器位置控制回路。由于姿态运动模态的频带宽，运动速率快，所以姿态控制回路作为内回路进行设计；而位置运动模态的频带窄，运动速度慢，所以位置控制回路作为外回路进行设计。位置控制回路的控制指令预先设置或者由导航系统实时产生。位置控制回路使飞行器能够悬停在指定位置或者按照设定好的轨迹飞行。姿态控制回路使四旋翼飞行器保持稳定的飞行姿态。

跟踪小车需要使用四旋翼飞行器上的摄像头采集图像。对于中心的判定，把小车近似看作一个圆面，首先找到圆的最底端，利用垂径定理找到圆心所在的横坐标，之后利用测量直径法测量得出圆心纵坐标。将小车上加装红色指示灯作为信标，在摄像头上我们将图像中的红色区域甄别出来，其他颜色区域全部过滤掉，即以红色分量为依据进行二值化[4]，这样就可以将小车识别出来。具体判断条件是选取其中红色分量（即RED值）较高且蓝色分量（即BLUE）值较低的像素块。

对于四旋翼飞行器的测试，设计了硬件测试、软件仿真测试和硬件软件联调。硬件测试主要是通过调试PID值的三个参数，当飞行器反应迅速且两边机翼等幅震荡时即可确定P参数，调节D参数时当飞行器从任意角度都可以一次直接返回平衡位置即可，当某一边机翼反应过小时加一个I参数，直至测试出一组合适的PID参数，同时测试电源给电机供电电压和电流是否正常。

软件仿真测试则是用串口显示超声波测距高度，指定高度时的油门值，输出各个电机的PWM，观察各种姿态下的PID控制后的油门大小；硬件软件联调则是将飞行器当前状态参数值以及超声波和摄像头等采集到的数据发送至匿名上位机，便于观察和调适，并可以使用上位机对飞行器PID进行修正，从飞行器定高、定点到测量飞行器与小车间距、跟踪小车都使用到串口调试，上位机观察起飞、定高、降落的各参数、波形，通过超声波实现飞行器定高，摄像头采集小车位置信息，蓝牙测距模块测量飞行器和小车之间的距离以实现早一定距离范围内的声光显示。