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摘 要 四旋翼机器人在执行任务过程中，易受障碍物干扰，一旦飞行器对障碍物反应不及，发生碰撞，就会直接导致机器人的损毁。因此，避障功能的设计是无人机技术中十分重要的一环，稳定性高、鲁棒性强的避障算法设计可以使四旋翼飞行器更好的应用在更多样、更复杂的场景中。 四旋翼无人机是一种六自由度的、带有4片正反桨叶的旋翼类飞行器，适应性强、成本低、安全性高、机动性好等许多特点，可作为一种较理想的避障机器人。 本文设计了一种基于摄像头图像识别的四旋翼无人机避障方案，详细讨论了整个系统的硬件电路和软件实现。采用意法半导体的STM32F407VGT6单片机作为控制核心，通过姿态解算算法、PID算法和基于摄像头的图像识别技术及软硬件的配合，规划四旋翼无人机的避障方案，最终实现整个题目对避障机器人的设计。 关键字： 避障无人机 四旋翼飞行器 单片机 姿态解算 PID 图像识别
1系统方案
本系统主要由单片机模块、摄像头模块、控制系统组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 单片机模块的论证与选择
方案一：选择ST的STM32F103C8T6作为主控芯片，STM32F103C8T6采用cortex-M3内核，虽然主频高达72MHz，但是无浮点运算单元，进行飞行器姿态解算等浮点运算时运算速度比较慢，且I/O端口数量不足，无法同时使用数量众多的外设，因此不适用于作为飞行器主控芯片。
方案二：选择ST的STM32F407VGT6作为主控芯片，STM32F407VGT6采用cortex-M4F内核，不但总线频率高达168MHZ，且具有浮点运算单元，I/O端口数量适中，外设较丰富，完全可以满足系统控制的要求。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.2 摄像头模块的论证与选择
方案一：使用OV7670摄像头模块，OV7670摄像头模块体积小，重量轻，但是感光阵列只有640X480，通过SCCB总线控制引脚太多。
方案二：使用OpenMV3可编程摄像头模块，OpenMV板载OV7725 和STM32F765VI，搭载MicroPython解释器，可使用Python来编程，使机器视觉算法的编程变得简单得多，十分适合作为实现障碍识别功能的摄像头模块。
方案三：使用MAIX Bit RISC-V可编程摄像头模块，该模块板载一枚K210处理器，同时支持C、C++、Python多种语言对图像信息提取，应对困难任务有更多处理方法可选。同时支持串口对图像特征进行传输，利于减小飞行器**处理器的信息处理压力。
综合以上三种方案，选择方案二与方案三共同使用，通过组合更多摄像头来更好适应题目变化。
1.3 控制系统的论证与选择
方案一：利用单片机的嵌套的向量式中断控制器(NVIC)实现飞行器的控制
嵌套向量中断控制器( NVIC )和处理器核的接口紧密相连，中断和可编程中断优先级的设置可以实现低延迟的中断处理和高效地处理晚到的中断，实现多任务执行的管理，但是对于需要与具有众多外设传感器进行通信以及需要处理众多数据的四旋翼飞行器，采用嵌套向量中断控制器处理众多任务过于复杂且效率不高。
方案二：使用移植到单片机上的RT-Thread嵌入式实时操作系统实现飞行器的控制
RT-Thread内核支持线程或任务调度，不同优先级线程采用可抢占的方式调度，相同优先级线程通过分时调度器采用时间片轮转方式进行调度，线程间可实现实时无缝衔接，可满足需要与具有众多外设传感器进行通信以及需要处理众多数据的四旋翼飞行器功能的实现。
经过我们的考虑最终选择方案二，通过RT-Thread嵌入式实时操作系统通过任务调度，来实现高效控制飞行器的目的。
2电路与程序设计
2.1系统总体框图
单片机是使用ST的STM32F407VGT6芯片，加速度计传感器和陀螺仪传感器采InvenSense公司最新的六轴传感器ICM-20602,磁力计传感器采用AK8975，光流传感器采用LC-307,气压传感器采用SPL06-001,测距采用激光传感器，摄像头模块采用OpenMV、MAIX Bit RISC-V可编程摄像头模块。
2.2电路原理图
2.2.1 单片机及外围电路电路原理图
单片机及其外围电路，主要包括了STM32F407VGT6最小系统电路、磁力计传感器AK8975电路、六轴传感器ICM-20602电路、气压计SPL06-001电路，SBUS反相电路，LED电路，串口及电调插座电路，按键电路以及液晶显示模块等，原理图如图2.2所示。
六轴传感器：为了获取较稳定的XYZ轴加速度和角速度数据，我们选用的InvenSense公司最新的ICM-20602芯片，这款芯片采用SPI协议通信，比采用I2C协议通信的MPU6050芯片具有更高的稳定性、更快的读取速率，可获取更稳定精准的噪声更小的姿态数据。
磁力计传感器：要获取较准确的飞行器姿态数据，需要利用一定的姿态解算算法和倾斜补偿才能够得出正确的姿态角，因此加入AKM公司的磁力计传感器AK8975获取地磁场数据作为倾斜补偿，校准姿态角。
气压计传感器：采用气压计SPL06-001获取四旋翼飞行器气压高度。
2.2.2 飞行控制电路的PCB
单片机及外围电路电路的PCB如图2.3所示，考虑到四旋翼无人机结构紧凑，制作PCB采用双层紧凑布线
2.3整机实物图
3程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
1）飞行器控制板：处理各个传感器以及摄像头的数据，控制飞行
2）摄像头：收集图像信息，给飞行器控制板发送处理过后的数据
4作品成效总结分析
4.1 测试分析
由测试结果看来，本系统可以比较好的完成题目的各种要求。综上所述，本作品较为优良。
参考文献
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[3]曲智国,谭贤四,林强, 等.基于直线Hough变换的图像配准方法[J].计算机科学,2014,41(z2):107-109,132. | 
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