一、任務

設計并制作四旋翼自主飛行器探測跟蹤系統，包括設計制作一架四旋翼自主飛行器，飛行器上安裝一向下的激光筆；制作一輛可遙控小車作為信標。

飛行器飛行和小車運行區域俯視圖和立體圖分別如圖 1 和圖 2 所示。

二、要求

1. 基本要求

（1）四旋翼自主飛行器（以下簡稱飛行器）擺放在圖 1 所示的 A 區，一鍵式啟動飛行器，起飛并在不低于 1m 高度懸停， 5s 后在 A 區降落并停機。
懸停期間激光筆應照射到 A 區內。

（2）手持飛行器靠近小車,當兩者距離在 0.5～1.5m 范圍內時，飛行器和小車發出明顯聲光指示。

（3）小車擺放在位置 8。
飛行器擺放在 A 區，一鍵式啟動飛行器，飛至小車上方且懸停 5s 后擇地降落并停機；
懸停期間激光筆應照射到位置 8區內且至少照射到小車一次，飛行時間不大于 30s。

2. 發揮部分

（1）小車擺放在位置 8。
飛行器擺放在 A 區，一鍵式啟動飛行器，飛至小車上方后，用遙控器使小車到達位置 2 后停車，期間飛行器跟隨小車飛行；
小車靜止 5s 后飛行器擇地降落并停機。
飛行時間不大于 30s。

（2）小車擺放在位置 8。
飛行器擺放在 A 區，一鍵式啟動飛行器。
用遙控器使小車依次途經位置 1～9 中的 4 個指定位置，飛行器在距小0.5～1.5m 范圍內全程跟隨；
小車靜止 5s 后飛行器擇地降落并停機。
飛行時間不大于 90s。

（3）其他

三、評分標準

四、說明

1．參賽隊所用飛行器應遵守中國民用航空局的管理規定（《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規定》，編號：AP-45-AA-2017-03）。

2．飛行器槳葉旋轉速度高，有危險！請務必注意自己及他人的人身安全。

3．除小車、飛行器的飛行控制板、單一攝像功能模塊外，其他功能的實現必須使用組委會統一下發的 2017 全國大學生電子設計競賽 RX23T 開發套件中 RX23T MCU 板（芯片型號 R5F523T5ADFM，板上有“NUEDC”標識）。
RX23T MCU 板應安裝于明顯位置，可插拔，“NUEDC”標識易觀察，以便檢查。

4．四旋翼飛行器可自制或外購，帶防撞圈，外形尺寸（含防撞圈）限定為：長度≤50cm，寬度≤50cm。飛行器機身必須標注賽區代碼。

5．遙控小車可自制或外購，外形尺寸限定為：長度≤20cm，寬度≤15cm。
小車車身必須標注賽區代碼。

6．飛行區域地面為白色；A 區由直徑 20cm 黑色實心圓和直徑 75cm 的同心圓組成。
位置 1～9 由直徑 20cm 的圓形及數字 1～9 組成。
位置 8 區是指位置 8 的直徑 75cm 同心圓。
圓及數字線寬小于 0.1cm。
飛行區域不得額外設置任何標識、引導線或其他裝置。

7．飛行過程中飛行器不得接觸小車。

8．測試全程只允許更換電池一次。

9．飛行器不得遙控，飛行過程中不得人為干預。
小車由一名參賽隊員使用一個遙控器控制。
小車與飛行器不得有任何有線連接。
小車遙控器可用成品。

10．飛行器飛行期間，觸及地面或保護網后自行恢復飛行的，酌情扣分；
觸地觸網后 5s 內不能自行恢復飛行視為失敗，失敗前完成的部分仍計分。

11．一鍵式啟動是指飛行器擺放在 A 區后，只允許按一個鍵啟動。
如有飛行模式設置應在飛行器擺放在 A 區前完成。

12．基本要求（3）和發揮部分（1）、（2）中擇地降落是指飛行器穩定降落于場地任意地點，避免與小車碰撞。

13．基本要求（3）和發揮部分（1）、（2）飛行時間超時扣分。

14．發揮部分（1）、（2）中飛行器跟隨小車是指飛行器飛行路徑應與小車運行路徑一致，出現偏離酌情扣分。
飛行器飛行路徑以激光筆照射地面位置為準，照射到小車車身或小車運行路徑視為跟隨。

15．發揮部分（2）中指定位置由參賽隊員在測試現場抽簽決定。

16．為保證安全，可沿飛行區域四周架設安全網（長 600cm，寬 500cm，高300cm），頂部無需架設。
若安全網采用排球網、羽毛球網時可由頂向下懸掛不必觸地，不得影響視線。安裝示意圖如圖 3 所示。

論文

摘 要

此飛行器跟蹤系統是針對四旋翼飛行器具有圖像采集處理、目標追蹤、姿態控制以及定高飛行的要求進行設計的。

該系統采用 RX23T 和 STM32f407VG 作為系統的主控芯片，MPU6050 三軸陀螺儀作為飛行姿態反饋機構。

定高飛行是通過超聲波模塊實時采集的對地高度數據，并由 STM32f407VG 進行處理，然后根據程序設定的高度值實時調節無刷電機的轉速。

攝像頭進行圖像信息采集，圖像通過 RX23T 對目標的顏色進行識別反饋給 STM32f407VG 進行處理，最后調節電機轉速以達到目標追蹤。

測試結果表明，該系統定性與準確性達到設計要求。

關鍵詞：四旋翼飛行器；飛行姿態；圖像；目標追蹤

0 引言

如今無人機已經滲入很多領域，如拍攝電影、科學研究、空中救援、空中巡檢和快遞投送等，無人機在很多方面影響著人們的生活。

民用領域要求無人機飛行速度在 100 km/h 以下，飛行高度低于 3 000 m。

無人機具有經濟、安全和易操作的優點，因此在很多領域都有著廣泛的需求，小型無人機可在防火、搜救、核輻射探測、交通監管、國土勘探監測、野外巡邏等領域具有極高的應用價值。

隨著無人機技術的普及和現代社會衍生的新型行業需要，無人機應用領域由原來的軍事領域擴展到民用領域。

另外，飛控系統在穩定和實用性方面的不斷完善，推進了無人機市場應用需求。

因此，無人機行業將迎來發展的黃金時代。

本設計是基于自主飛行的四旋翼飛行器跟蹤系統，全程飛行不需要遙控器控制。

飛行器能夠一鍵啟動并根據目標的顏色自動識別目標和追蹤目標，這在無人機智能飛行領域具有實際的應用意義。

1 系統方案設計

四旋翼自主飛行器跟蹤系統主要由主控 RX23T 最小系統部分、STM32F407 姿態采集與處理部分、電源供給部分、外圍傳感器模塊等組成，下面將論證這些主要的模塊選擇與程序設計。

1.1 主控芯片選擇方案

方案 1：主控器的芯片采用 STM32F407。

STM32F407 是基于超低功耗的 ARM Cortex-M4 處理器內核并整合增強的技術和功能，主要瞄準中低成本預算的應用。

該系列微控制器能夠在經濟型用戶終端產品上實現先進且復雜的功能。

如果單獨采用 STM32F407，完全實現系統各項功能包括飛行控制、圖像采集與處理、飛行器定高等非常困難，而且其處理功能相對于瑞薩 RX23T 不是很強。

方案 2：主控采用瑞薩 RX23T 和 STM32F407。

STM32F407 和瑞薩 RX23T 都是基于 32 位帶有超強的模擬量處理功能，它們使客戶能夠以較低的成本建立高集成度和高效節能的應用平臺。

兩者結合使用具有低功耗、高性能的出色表現，因此它們是四旋翼姿態數據接收和飛行姿態控制的最佳主控芯片組合，結合這兩款單片機分配不同的任務，不僅降低開發難度，而且沒有大幅度提高成本。

結合上述兩種方案的優缺點，本文設計的飛行器主控器選擇方案 2。

1.2 姿態采集模塊選擇

與其他姿態采集模塊相比，MPU6050 是三軸陀螺儀模塊，它可實時測量飛行器的 X 軸、Y 軸、Z 軸加速度以及 X 軸、Y 軸、Z 軸旋轉角度。

MPU6050 結構簡單體積小、可靠性強，而且具有自動姿態解算功能。

雖然輸出數據需要浮點運算來保證精度，但利用 STM32F407 運算速度快的優勢可以容易解決這些問題。

綜上所述，姿態采集計選擇 MPU6050。

1.3 電機驅動方式選擇

四旋翼飛行器電機通常使用空心杯電機和無刷電機，使用空心杯電機的飛行器不需要電調驅動，但荷載能力差。

電調驅動電機具有控制方便、質量輕、效率高等優點。

電調驅動無刷電機是四旋翼飛行器普遍選擇的驅動方式，通過電調的通斷，達到放大驅動電流控制電機的轉速，電調調節要根據不同的機架進行，針對 F450 機架又考慮到荷載能力，此四旋翼飛行器采用電調驅動無刷電機。

2 系統理論分析與計算

2.1 MPU6050 分析與計算

MPU6050 是一種應用非常廣泛的 6 軸加速度計，其測量數據受外界影響很大，如電機振動或外界噪聲等，故采用非矩陣卡爾曼濾波算法，這種算法的優點非常明顯，特別是在白噪聲數據處理方面有明顯效果，故本文采取該算法進行計算。

2.2 姿態解算的分析與計算

姿態解算是飛行器自穩功能的核心，陀螺儀在飛行器靜止時會產生漂移誤差。

因此，首先需要獲得陀螺儀的數據，并根據此數據換算得到四元數姿態，這些姿態參數就是卡爾曼濾波中姿態的估計值，然后通過加速度計和羅盤計算出的數據得到另外一組姿態參數，將這組參量作為測量值，就可以得到相對準確的姿態數據。

2.3 串級 PID 分析與計算

經四元數轉換以后所獲得的歐拉角和陀螺儀測量獲得的角速度融合，然后進行串級 PID 控制，串級 PID控制中外環為歐拉角，一般為 5 ms 循環執行一次；內環作為陀螺儀實時獲得的角速度，一般為 2.5 ms 循環執行一次。

外環設定值為 STM32F407 的指令值，內環的設定值是外環的輸出值。

通常內環的角速度控制無靜差，因此內環常常采用 PID 控制，以防測量誤差對自穩系統造成較大影響。

3 電路與程序設計

完整的四旋翼自主飛行器跟蹤系統包含系統總體設計、電源設計以及程序設計等，其中程序設計是其核心，程序設計的優劣直接關系到系統能否安全穩定運行。

3.1 系統總體設計框圖與主要模塊電路圖

系統總體框圖如圖 1 所示，系統具有超聲波定高模塊、飛行自穩模塊和攝像頭跟蹤模塊以及電源和電調模塊。

（1）飛行器主要模塊電路圖。四旋翼飛行器主要模塊電路中，電子羅盤 AK8975 電路圖如圖 2 所示，陀螺儀 MPU6050 電路圖如圖 3 所示，氣壓計 MS5611 電路圖如圖 4 所示，



（2）四旋翼飛行器電源部分。

四旋翼飛行器電源部分由，整流變壓，濾波和穩壓這幾部分構成。

電源為系統提供 3.3 V、5 V、12 V 電壓，確保主控制電路、飛行控制電路和電機控制電路的正常穩定工作。

源電路采用三端穩壓管實現，而且電路設計比較簡單，故不作詳細介紹。

3.2 四旋翼飛行器系統的程序設計

此四旋翼系統采用 C 程序設計，編譯環境在 E2STUDIO 下實現軟件調試。

程序設計采用模塊化設計，各功能模塊都經過主程序進行調用，程序首先是初始化，當啟動鍵按下后通過調用執行相應功能模塊的程序。

根據四旋翼系統程序設計要求，使軟件設計實現飛行器的一鍵起飛、懸停、定位和追蹤等功能。

四旋翼飛行控制系統的程序設計思路為控制器上電、延時啟動、電源電壓檢測等，延時啟動減少電源波動對系統的干擾，然后定時器設定飛行器的四個電機接收的 PWM 周期、串行通信口初始化，并在中斷服務程序中接收 MPU6050 模塊發送的數據。

序初始化結束后，自穩功能模塊可自動設定目標姿態、循環檢測MPU6050 數據是否完成接收，如果有效的姿態數據接收到，程序就進入姿態控制函數。

在姿態控制函數中可利用飛行器的 Roll（翻滾）、Pitch（俯仰）數據，結合模糊控制算法，計算出不同姿態時，每個無刷電機需要的調整量以補償 PWM 波形偏差，這樣不斷地接受姿態數據，解算數據，調整量輸出，使四軸飛行器穩定的飛行。

PID 控制程序流程可描述如下：

首先，將當前歐拉角與設定歐拉角相減；

第二，檢查油門量是否過超；

第三，計算 Roll 和 Pitch 軸的 P 分量，如果滿足計算 I 分量的計算條件，則計算 Roll 和 Pitch 軸的 I 分量，

然后進入第四步，如果不滿足計算 I 分量的計算條件，則直接進入第四步；

第四，計算 Roll 和 Pitch 軸的 D 分量；

第五，計算 Yaw 周的 PD 分量；

第六，合成 Roll、Pitch、Yaw 的 PID 分量；

最后，按照 V 模式將控制量輸出給四個電機。

4 測試方案與測試結果

硬件測試利用遙控器檢測電機轉速以及姿態調整，按電調解調的步驟對四個電調校準。

軟硬件的聯調是通過 RX23T 模擬遙控器的不同通道輸入波形控制 STM32，使飛行器能按著不同的姿態做飛行動作。

根據動作的偏差不斷調節姿態和加速度的參數值，最終使之達到預想的飛行狀態。

通過瑞薩單片機編程，模擬遙控器對應功能的輸出 PWM，利用 PWM 波控制 stm32f407 單片機，使 stm32f407 單片機實現其控制飛控的功能。

另外，由于飛行器在室內飛行，為保證安全性，可以通過超聲波使飛行器定高飛行，通過程序設計使飛行器懸停在 1 200 mm 的空中。

最后進行前進后退的校準，使其飛行足夠準確。

5 結束語

本設計系統在實現過程中經過多次方案調整，飛行控制系統由最初的單個 16 位控制器改為兩個32 位控制器控制，雖然控制算法和程序編寫上更加復雜，但是飛行控制系統的穩定性和冗余性得到了改善。

經過數次調試和程序優化，最終實現了飛行器一鍵起動，目標追蹤以及飛行姿態控制和飛行器定高飛行等各項要求。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2017 年全国大学生电子设计竞赛试题——四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C 题）【本科组】2的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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