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四旋翼自主飞行器跟踪系统设计

李天鹰;吴兴刚;余鹏

【摘要】此飞行器跟踪系统是针对四旋翼飞行器具有图像采集处理、目标追踪、

姿态控制以及定高飞行的要求进行设计的.该系统采用RX23T和STM32f407VG

作为系统的主控芯片,MPU6050三轴陀螺仪作为飞行姿态反馈机构.定高飞行是通

过超声波模块实时采集的对地高度数据,并由STM32f407VG进行处理,然后根据程

序设定的高度值实时调节无刷电机的转速.摄像头进行图像信息采集,图像通过

RX23T对目标的颜色进行识别反馈给STM32f407VG进行处理,最后调节电机转速

以达到目标追踪.测试结果表明,该系统定性与准确性达到设计要求.

【期刊名称】《南通航运职业技术学院学报》

【年(卷),期】2018(017)001

【总页数】4页(P42-45)

【关键词】四旋翼飞行器;飞行姿态;图像;目标追踪

【作者】李天鹰;吴兴刚;余鹏

【作者单位】南通理工学院电气与能源工程学院,江苏南通226002;南通理工学

院电气与能源工程学院,江苏南通226002;南通理工学院电气与能源工程学院,

江苏南通226002

【正文语种】中文

【中图分类】V279

0引言

如今无人机已经渗入很多领域，如拍摄电影、科学研究、空中救援、空中巡检和快

递投送等，无人机在很多方面影响着人们的生活。民用领域要求无人机飞行速度在

100km/h以下，飞行高度低于3000m。无人机具有经济、安全和易操作的优点，

因此在很多领域都有着广泛的需求，小型无人机可在防火、搜救、核辐射探测、交

通监管、国土勘探监测、野外巡逻等领域具有极高的应用价值。随着无人机技术的

普及和现代社会衍生的新型行业需要，无人机应用领域由原来的军事领域扩展到民

用领域。另外，飞控系统在稳定和实用性方面的不断完善，推进了无人机市场应用

需求。因此，无人机行业将迎来发展的黄金时代。本设计是基于自主飞行的四旋翼

飞行器跟踪系统，全程飞行不需要遥控器控制。飞行器能够一键启动并根据目标的

颜色自动识别目标和追踪目标，这在无人机智能飞行领域具有实际的应用意义。

1系统方案设计

四旋翼自主飞行器跟踪系统主要由主控RX23T最小系统部分、STM32F407姿态

采集与处理部分、电源供给部分、外围传感器模块等组成，下面将论证这些主要的

模块选择与程序设计。

1.1主控芯片选择方案

方案1：主控器的芯片采用STM32F407。STM32F407是基于超低功耗的ARM

Cortex-M4处理器内核并整合增强的技术和功能，主要瞄准中低成本预算的应用。

该系列微控制器能够在经济型用户终端产品上实现先进且复杂的功能。如果单独采

用STM32F407，完全实现系统各项功能包括飞行控制、图像采集与处理、飞行器

定高等非常困难，而且其处理功能相对于瑞萨RX23T不是很强。

方案2：主控采用瑞萨RX23T和STM32F407。STM32F407和瑞萨RX23T都是

基于32位带有超强的模拟量处理功能，它们使客户能够以较低的成本建立高集成

度和高效节能的应用平台。两者结合使用具有低功耗、高性能的出色表现，因此它

们是四旋翼姿态数据接收和飞行姿态控制的最佳主控芯片组合，结合这两款单片机

分配不同的任务，不仅降低开发难度，而且没有大幅度提高成本。

结合上述两种方案的优缺点，本文设计的飞行器主控器选择方案2。

1.2姿态采集模块选择

与其他姿态采集模块相比，MPU6050是三轴陀螺仪模块，它可实时测量飞行器的

X轴、Y轴、Z轴加速度以及X轴、Y轴、Z轴旋转角度。MPU6050结构简单体

积小、可靠性强，而且具有自动姿态解算功能。虽然输出数据需要浮点运算来保证

精度，但利用STM32F407运算速度快的优势可以容易解决这些问题。综上所述，

姿态采集计选择MPU6050。

1.3电机驱动方式选择

四旋翼飞行器电机通常使用空心杯电机和无刷电机，使用空心杯电机的飞行器不需

要电调驱动，但荷载能力差。电调驱动电机具有控制方