四旋翼自主飞行器探测跟踪系统补充

2017年8月12日

摘 要

瑞萨单片机16台RX23T/R5F523T5ADFM作为控制的核心stm32驱动飞机的四个直流电机使用角速度传感器、加速度传感器和其他传感器组成飞机飞行状态检测和控制模块声波传感器用C语言和卡尔曼滤波器检测飞行高度PID该算法实现了控制软件的编写，并根据主题要求设计了系统方案，整体结构设计、硬件设计、软件设计分别完成。最后，对试飞进行调试、验证和测试。
该系统从低成本、低功耗、高性能等方面完成了硬件设计、生产、电路调试等，基本满足了本次比赛的主题要求。

关键词：四旋翼飞机；加速度传感器；陀螺仪传感器；跟踪；摄像头；

一、系统方案
该系统主要由单片机控制模块、飞行控制模块、高度控制模块、跟踪模块、图像处理模块和电源模块组成。以下是这些模块的选择。

1.主控制器件的论证和选择
1.1控制器选用
组委会提供的瑞萨控制器RX23T/R5F523T5ADFM作为控制器，单片机负责控制四旋翼飞行的姿势、高度和跟踪。瑞萨单片机性能优异，操作速度快，稳定性强，自由度大，非常方便快捷。
1.2.选择控制系统方案
方案1：在面包板上建立简单的单片机系统
在面包板上搭建单片机系统，可以随时方便地修改硬件，也可以方便地搭建。虽然系统有很多连接，但它使整个系统成为一个整体。
方案二:自制单片机印刷电路板
自制印刷电路难以实现，周期长。此外，它还将花费更多的时间来影响整体设计过程。该方案不适用。
综合以上两种方案，选择方案一。
2.飞行控制模块的论证和选择
方案一:瑞萨RX23T/R5F523T5ADFM激活飞控模块的单片机
该芯片具有优异的性能，通过发送控制指令，与飞行控制模块通信非常方便。
方案二:用控制器直接控制飞机飞行
瑞萨植入的程序还包括四旋翼控制算法、自启动和自停止、图像信息处理、高度控制和悬停算法。
结合本问题的相关要求，系统组综合考虑了模块之间的协调和信号传输处理，认为方法1的结构更简单、高效、分工清晰，因此选择了方案2。
3 图像感知模块的论证和选择
3.1 选择感知器件
方案一：采用红外传感器HC-SR读取地面信息501
红外传感器HC-SR501读取表面状态数据后，通过单片机分析调整飞机飞行方向。红外传感器的优点是探测距离长(约7米)，但反应时间慢(最快约0.3秒）。
方案二:使用摄像头OV读取地面信息7725。
OV7725可获得饱和度和分辨率都很高的图像，虽然需要占用更多的引脚资源，但经过比较，实验效果非常理想。
考虑到图像处理的精度和速度，系统选择方案2。
3.2 选择处理算法
方案一 ：转化为01 镜像到MCU RL78/G13的RAM中。
二值化转换可大大加快处理速度，提高性能。
方案二：
直接读OV这样，飞机对颜色更敏感、更准确，但处理速度降低。
综合考虑主题要求，我们认为颜色识别有助于实现主题要求，因此在综合考虑处理速度和识别效果后，采用方案2。

1.5 论证和选择高度控制模块
方案一：采用BMP180气压传感器
测量当前位置的大气压，从单片机转换为海拔高度，减去出发时的高度值，获得真正的飞行高度。气压传感器测量范围广(海拔9000米~-500米)，但误差大(分辨率为0.25米）。
方案二:采用US超声传感器100
US100具有优异的距离感知性能，并自带温度补偿。识别范围为5cm—4.5m，近距离识别非常稳定。
因为这个问题要求四旋翼飞机1m—1.5m从精度和使用熟练度来看，该系统最终选择了方案2。

二、系统理论分析与计算
1.飞行控制算法分析
由于四旋翼在室内低速飞行，风力和空气阻力可以忽略。因此，可以大致构建四旋翼动力学模型：

X =(cosΨsinθcosΦ sinΨsinΦ) U1/m Y =(sinΨsinθcosΦ–cosΨsinΦ) U1/m Z
=(cosΦcosθ) U1/m - g Φ =[lU2 θΨ(Iy -Iz)]/Ix ? ? ?? ? ? ??? ??? ??? ? ? ?? ? ? ? θ =[lU3 ΦΨ(Iz -Ix)]/Iy Ψ =[U4 Φθ(Ix -Iy)]/Iz

其中ψ、θ、φ分别为偏航角、俯仰角、四旋翼翻滚角；U1、U2、U3、U4 四控制输入量；l距离旋翼中心到四旋翼纹理。
四旋翼微型飞行平台交叉，由四个独立电机驱动的螺旋桨组成，如图所示。当飞机工作时，平台中心对角的螺旋桨转向相同的方向，相邻的螺旋桨转向相反的方向。同时，增加和减少四个螺旋桨的速度，飞机垂直上下移动；相反，改变中心对角的螺旋桨速度，可以产生滚动、俯仰等运动。
2.计算高度控制模块
高度开始采用与角度相同的双环PID，但在调参过程中，发现参数整定比较困难，因此改为参数较少的单环PID，也可以达到较好的效果。控制过程分为以下三个步骤。
(1)高度感知
采用高度感知US安装在飞机正下方的100模块实时发送到控制器瑞萨RX23T/R5F523T5ADFM单片机。
(2)数据处理
每个数据都设置为符号数据。预期高度与当前高度之间的差值作为p控制的入口参数，乘以油门在一定比例后应增加或减少的值。油门平衡值1500加上此差值后，将在下一刻进行调整，以恢复预期高度。
(3)控制信号输出
将第二步获得的值发送到飞行控制模块，飞机可以在提供油门值后完成高度控制。核心代码如附录所示。
3.图像处理算法分析
(1)图像处理算法的原理主要是利用腐蚀算法在屏幕中心画一个十字，对准物体几秒钟后自动计算十字周围的平均颜色数据，包括色相、亮度和饱和度。然后用腐蚀算法找到腐蚀中心，然后找到周围合格的点。
(2)找到符合标准的物体所在范围后，自动输出物体的几何中心，即x_hight ,，x_low , x_left , x_right，计算中心点坐标的四个最边界点（(x_hight x_low)/2，(x_hight x_low)/2）
(3)瑞萨芯片根据中心点坐标向飞行控制模块发送控制信息，控制飞机做出相应反应。

4、PID的计算
角度PID算法在很大程度上是参考APM(国外成熟的开源飞行控制项目)控制算法。采用角度P和角速PID的双闭环PID算法。角度误差作为输入角速控制器的期望。
我们的控制算法采用双闭环位移的横滚角俯仰角和位移PID控制。与传统的单环相比。PID性能有了很大的提高，我们在编试了传统的程序编写PID即使参数经过仔细调整，控制算法与双环控制算法的控制效果仍有很大差距。无论悬架的稳定性如何，接收指令的反应速度明显优于前者。

三、电路及程序设计
1、电路设计
(1)系统总体框图
如图1所示，四旋翼独立飞机系统可分为微控制系统模块、飞行姿态检测模块、电机驱动模块、高度控制模块、自动跟踪模块和电源模块。
微控制系统模块采用瑞萨16台单片机RX23T/R5F523T5ADFM该控制器是一种功能强大的处理器，操作速度快，片上资源丰富，非常适合处理复杂的任务。
飞行姿态检测模块采用飞行姿态检测模块MPU6050芯片集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，通过三个16位ADC将测量到的模拟量转换为单片机可以直接处理的可输出数字量，从而减少单片机的工作量。
利用瑞萨单片机直接调用飞控模块实现电机驱动模块的控制。
利用高度控制模块US检测距离以控制飞机的高度。
11采用电源模块.1伏的3S LIPO锂电池供电。系统框图如图1所示。

图1 系统总体框图
（2）四旋翼控制子系统框图
1.四旋翼控制子系统框图

图2 四旋翼控制子系统框图
（3）电源
电源由变压部分、滤波部分和稳压部分组成。为整个系统提供服务 5V或者 12V电压，保证电路的正常稳定工作。这部分电路相对简单，采用三端稳压管实现，不详细说明。
2、程序设计
(1)程序功能描述和设计思路
1.程序功能描述
根据主题要求，软件部分主要实现四轴飞机的飞行控制、一键起飞和图像处理。
1)飞行控制:确保飞机稳定飞行，接收控制器发出的指令。
2)一键起飞制器通过按键检测触发不同程序，控制飞行控制模块完成不同功能。
3)图像处理:获得黑色圆圈和汽车几何中心坐标。

2.程序设计理念
角度P和位移x的双闭环飞行控制PID算法。与传统的单环相比。PID性能有了很大的提高，我们在编试了传统的程序编写PID控制算法，即使参数经过仔细调整，与双环控制算法相比，收到指令的反应速度明显优于前者。
一键起飞的实现思路主要是控制器循环做按键检测，当按下相应的按键时实现不同的功能。
图像处理采用腐蚀算法。相机读取一帧数据后，首先找到腐蚀中心，然后从腐蚀中心找到符合要求的点，最后记录识别的边缘x、y轴的四个最边缘点，中心点坐标的平均值。
(2)程序流程图

1.主程序流程图

N

                     Y 

图3主程序流程图

2.高度控制子程序流程图

图4高度控制子程序流程图

3、XXX子程序流程图

图4高度控制子程序流程图

4、XXX子程序流程图

4.测试方案和测试结果
1、测试方案
（1）硬件测试

(2)软件仿真测试

(3)硬件软件联调

2.测试条件和仪器
测试条件：多次检查，模拟电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，检查正确，硬件电路确保无虚焊。
测试仪：高精度数字伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
3、测试结果及分析
（1）测试结果(数据)
2V档信号测试结果好下表所示： （单位/V）
信号值 0.2050 0.2100 0.2045 0.4026 1.007 1.542 1.669 1.999
显示 0.2051 0.2100 0.2044 0.4026 1.006 1.542 1.669 1.999

（2）测试分析与结论
根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：
1、
2、
3、
综上所述，本设计达到设计要求。

五、参考文献
[1] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012

附录1：电路原理图

四轴飞行器电路原理图

Mpu6050

附录2：源程序
格式说明：《设计报告》为A4纸张6页以内，首页为300字内中文摘要，正文小四号宋体，行距固定为22磅，不得加页眉页脚。每页右下端注明页码。单页打印。

高度控制函数源程序：

uint16_t ALT_ctrl(int16_t ex_height)
{ 
       
	static float h_kp = 0.8 ;
	static int16_t err_height , add_thr ;
	uint16_t out_thr ;

	err_height = ex_height - (OF_ALT2 - 12) ;
	add_thr = (h_kp * err_height) * 5.2 ;
	out_thr = (uint16_t) (1500 + add_thr) ;
	return out_thr = limit(out_thr , min_thr , max_thr) ;
}