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发表于 2019-7-23 10:31:10
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摘要
本系统旨在设计并制作一套能稳定跟踪地面小车的四旋翼飞行器系统，飞行器端具有目标物体探测识别、自动定位、自主跟踪小车运动等功能。该系统由飞行控制模块、导航模块和声光提示模块等儿部分组成。飞行姿态模块采用Pixhawk开源飞控，负责飞行姿态解算；导航模块以两块瑞萨RX23T单片机为控制核心，由OpenMV图像识别模块、超声波测距模块等几部分构成。瑞萨芯片处理各外设采集的包括飞行器高度、小车相对位置等数据，用PID算法进行控制，解算出相应通道值，通过PPM信号与飞控板交互以及时调整电机转速，使飞行器实现稳定在指定高度、调整飞行姿态、到达目标位置等功能，从而完成题目要求的定高、定点降落以及跟踪小车等各项要求。
关键词：四旋翼；物体探测定位；自主跟踪；PID一、系统方案设计及论证
一、系统方案设计及论证
1.方案设计目标
根据题目要求使用指定的瑞萨板在限定时间内实现飞机定点悬停、自动定位小车、自主跟踪小车等功能，并能按照要求使飞行器定位误差值尽量小，在实现各功能的同时能精确控制飞行方向、调整姿态及保持飞行器的平衡性，并且还可以进行无线传输，将飞行器数据实时传输到手中的设备中。下面对系统中所涉及的方案进行论证及选择。
2.主要方案论证及选择
1）飞行器姿态及导航控制
方案一：采用组委会统一下发的瑞萨 RSF1001EA单片机作为飞行器姿态控制板和飞行控制板。经过初步分析，要实现较为完整的飞行器系统功能。主挖板需要完成传感器数据获取、姿态计算、电机视制等工作，程序编写复杂，开发周期长，数据量较大，占用CPU处理时间太长，容易因多任务处现及中断太多，导致系统不稳定。
方案二：使用Pixhawk成品飞控。Pixhawk为当下较热门的飞行器开源控制板，功能齐全，能实现飞行器的基本稳定飞行，代码开源，可根据实际需要直接对源代码进行修改，十分适合此次设计。
经综合考虑系统的开发时间及飞行稳定性，本系统选择方案二，使用开源Pixhawk作为飞行控制板，瑞萨RX23T单片机作为此次设计的飞行导航控制板。
2）视觉定位模块选取
方案一：采用0V7620CMOS摄像头。0V7620的分辨率可以达到640×480，最大图像采集速率为60统s，可以配置输出RGB565彩图或灰度图，自带FIFO，但读取图像格式复杂，对单片机需求较高，不适合RX23T等资源有限的处理器。
方案二：采用OpenMV摄像头模块。OpenMV由216MHzARM Cortex-M7微处理器及0V7625构成，支持多种格式图像输出，内部自带多套图像识别算法，使用简单，大大缩短开发周期。
经综合分析，选择方案二，以OpenMV摄像头模块作为视觉定位、目标探测传感器。
3）定高测距模块选择
方案一：选用Pixhawk自带的气压计。如果以定高核式起飞可以障低管法复杂度，但是由千气压计对外部环境过于依赖，易受影响，尤其在室内会对气压有校大影品。吸。一易产一生较大高度误差。方案二：选用超声波测距模块。超声波测距模块的测距范围为0-150cm，精度为3mm，精度达到0.3%，测距范围完全符合要求。
经综合分析，选择方案二，使用超声波测距模块。
4）遥控小车选择
方案一：选用双通道玩具遥控小车。玩具小车操作简单，免去自己动手的麻烦，但是普遍存在速度制不稳定、遥控器信号会互相串扰、功能单一等问题，并且很难找到符合本次题目设计需求的小车。
方案二：使用旋转电位器及无线串口自行制作遥控小车。使用自制小车可以根据题目要求进行拼虽然制作麻烦，但小车的速度、功能、稳定性均优于玩具小车，而且可以自行添加相应模块，实现车的信息传递，实现一些复杂的功能。
考虑到图像识别算法实现难易及小车可控性，最终选择方案二，使用自制遥控小车。
二、系统理论分析与计算
通过Pixhawk读取MavLink部店点中的姿态和声呐数值，得到飞机此时的roll、pilow、yaw和高度的值，通过与飞机平稳姿态时的数值相比较，通过欧拉角变化得到当前姿态。
得到飞行器姿态后即可通过由嵌套的Pl-PID算法循环来控制。优化内飞行至关重要。外部时循环相对不做感，主要影响飞行的样式（快或慢）。内部PID循环计算出所需的庭转角速度并且和原始险螺仪数据相比夜。将差异反馈给PID控制器，并发送到电机来修正旅转。这是比率（ACRO）模式、稳定模式和其他所有模式的核心。它也是飞行器中最关键的增益值。循环计算出所需的角速度，这个循环的输入可以是由使用者游戏杆操控，或试图达到一个特定角度的稳定器。对于本次题目中出现的要求，本系统准备了两套PID，在系统读取关于黑点的位置时，当数值大于50时，系统将第一套PID的限幅取得较高，保证无人机能向黑点方向飞行，当数值小于50时，系统改为第二套PID，除了取值不一样外，将第二套的限幅取得较小，这样才能让飞机不会再次飞过黑点，而是在黑点正上方进行定点。
三、系统电路与程序设计
1.系统整体硬件框架图系统整体硬件框图如图1所示。
2.关键电路分析
瑞萨导航板与飞行器连接结构示意图如图2所示。
（1）主控制板的主要功能：采集OpenMV摄像头返回的位置信息、通过超声波实时测量的高度信息、通过无线串口接收的指令，将信息通过PC发送给副控制板。
（2）副控制板的主要功能：接收主控制板发来的数据，结合从Pixhawk的MavLink协议接收到的飞机姿态信息，进行PID调节以改变Pixhawk的通道值，从而控制飞行器的姿态。
（3）超声波传感器模块。机身下方装有超声波测距传感器，随着飞机上升，传感器输出脉冲的脉窗会发生变化，经过单片机处理可以精确计算出当前飞机距地面的距离，用以保持高度。
（4）OpenMV摄像头。对飞行器下方图像进行处理，自动检测黑点或小车位置。
3.电路结构及工作机理
该系统采用瑞萨RX23T处理器为核心系统板，综合判定和处理各种传感器所得到的的信息，通过PID算法进行处理，最后转化成为PWM信号驱动4个点击旋转，最终实现四旋翼飞行棋的自主起降、跟踪飞行。通过超声波测距模块精确测距，做到定高飞行。OpenMV采集喝点和小车位置信息，调整飞机资态，使飞行器保持在目标上方。综合使用各个传感器，完成自主发挥的飞行动作。整个飞行过程中通过串口屏实现人机交互，完成对四旋翼飞行器的飞行控制。
利用卷尺测量飞机高度，秒表测量各个阶段使用的时间。
将飞机平放在起始位置上，一键使飞机起飞，按题目要求一次性测完其过程，中途可更换一次电池，重复测4次，测量所得的飞行时间及数据。
根据上述测试结果，本系统设计的飞行器能在1m以上位置准确定高，并且能较快找到点或者小车，能较好地跟踪小车前进，并能悬停5s以上后择地降落，并且功能上有所发挥，飞行器系统可与串口屏完成数据交互，将相关参数值返回到屏幕上显示，由于时间限制没能将其移植到手机APP上，但完成了数据的无线传输和显示。
综上所述，本系统全部实现了该赛题的基本要求及发挥部分的功能要求。
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