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四旋翼自主飞行器探测跟踪系统

作者：买彩凤

来源：《科学与财富》2018年第09期

摘要：以四旋翼自主飞行器为基础，基于视觉的目标识别与跟踪问题，完成了系统设

计、识别跟踪算法设计和实验验证这一整套流程。飞行器通过电子调速器控制来驱动飞行器的

四个直流电机，利用三轴角速度传感器与三轴加速度传感器集成的MPU6050芯片以及姿态解

算实现飞机平稳上升，利用超声波测取当前高度达到目标高度并完成悬停要求。通过遥控器来

发射信号，当遥控小车的接收模块接收到信息并将其传递给STM32单片机，再根据内部程序

输出PWM波，电机驱动接收PWM波后将顺利完成四个基本动作：前进、后退、左转、右

转；采用摄像头传感器追踪目标车的颜色，以此达到飞行器探测追踪要求。

关键词：四旋翼；瑞萨单片机；OV7670摄像头；PID算法；

一、系统方案

本系统主要由控制系统模块、电机驱动模块、飞行姿态检测模块、超声波测距模块、摄像

头模块、电源模块组成。本设计以瑞萨（Renesas）单片机RX23T作为主控芯片为其控制系统

模块。此控制器是一款功能强大的处理器，且运算速度快，非常适用于处理较复杂的任务。利

用其单片机输出PWM波通过电子调速器来驱动四个直流电机构成电机驱动模块。利用3轴

MEMS陀螺仪传感器，3轴MEMS加速度计传感器以及气压计传感器集成的芯片和STM32

F103芯片作为飞行姿态检测模块，通过三个16位的ADC将其测量到的模拟量转化为输出且

能够被单片机直接处理的数字量，从而减轻单片机的工作量。利用超声波的反射特性来测距离

从而控制飞行器的高度来构成超声波测距模块。利用摄像头采集图像通过腐蚀算法处理采集到

信息找到目标信号构成其摄像头模块。

、控制系统模1块器件的论证与选择

主控模块的选择：主控模块作为整个控制系统的核心，其处理器的选型显得尤为重要。在

本系统中，对处理器的选型需要考虑一下几点：

（1）处理器必须具有足够运算能力，能实时的对飞行器的姿态进行修正；

（2）在姿态解算过程中需要处理器进行大量的浮点运算。因此要求处理器具有一定的浮

点运算能力；

（3）考虑到处理器和内存进行数据交换比较频繁，所以选用处理器芯片内部必须有足够

的空间对数据进行存储；

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（4）要有足够的外设，不仅考虑到当前用到的外设，而且还要考虑以后升级需要的外

设，所以选用外设较多的处理器；

（5）由于对电机进行控制主要是靠控制PWM波的占空比来实现的，所以应该选用带有

增强型的HRPWM控制器的处理器。

单片机的选择1.1.

采用RX23T型号的瑞萨单片机，RX23T的瑞萨单片机具有新高性能CPU：RXV2CORE；

其最大工作频率为40MHZ，电源电压为单一电源2.7-5.5V；拥有64-128KB的Flash、12KB的

RAM内置存储器、32MHz（精度±1%：--20℃+85℃時）的内置发振电路。

控制系统方案选择1.2

利用实验室已有的单片机最小系统板，直接搭建控制系统，单片机最小系统可以直接使

用，减少搭建硬件的难度，而且具有稳定性强，所占空间小等优点。

、飞2行姿态检测模块器件的论证与选择

利用陀螺仪和加速度传感器集成的MPU-6050

检测飞行姿态需要采用陀螺仪和加速度传感器来测量倾角，不断地检测自身的飞行状态，

根据自身姿态来调节自身平衡，从而达到稳定飞行。为了避免陀螺仪和加速度传感器安装中可

能出现的机械偏差。本设计采用3轴陀螺仪和3轴加速度计所集成两者的MPU6050传感器模

块。

、超声3波测距模块器件的论证与选择

由于要求四旋翼飞行器近地飞行，且控制飞行在不低于1m高度悬停，因此决定采用超声

波来测距。其具有测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点。本设计的超声波测距模

块将采用HC-SR04超声波测距传感器，这是一种集发射与接收于一体的超声波模块，该模块

性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小，且非