基于RX23T的四旋翼飛行器控制系統設計＊

曹繼華，梁 偉，劉 杰，姚慧雄，向曉燕

(吉首大學信息科學與工程學院，湖南 吉首 416000)

0 引言

近年來，隨著微電子技術的發展和控制理論的進一步發展，四旋翼飛行器已發展成為集軍用，商用，民用于一體的多功能無人駕駛工具，并不斷有新的功能加載到它的上面[1]。

本設計使用了R5F523T5ADFM單片機作為四旋翼飛行器的控制核心，在對獲取的圖像數據進行分析后，結合PID控制算法，通過編程，仿真和反復的調試，最終實現了四旋翼飛行器對地面運動目標跟蹤飛行的功能。

1 四旋翼飛行原理

四旋翼飛行器的四個旋翼都位于同一水平面，飛行器通過控制旋翼上四個電機的轉速來改變旋翼升力的大小，從而實現四旋翼飛行器姿態穩定。相鄰位置螺旋槳的旋轉方向是相反的，正好抵消了四旋翼飛行器的正反力矩，因此可以保證四個電機同時轉動而機身不轉動。當某兩個相鄰的電機轉速減小而另一對相鄰電機轉速增大，則會產生向某個方向運動的速度[2]。本設計通過測量器件感知飛行器姿態發生變化，將測量到的姿態信息發送到處理器處理，經過控制器解算后輸出到執行機構，控制了電機的轉速，使得飛行器按照期望的姿態穩定飛行。由于采用的是負反饋閉環控制，所以整個四旋翼飛行器系統會逐漸趨向于穩定的狀態。

2 系統的硬件平臺設計

硬件平臺設計主要采用兩塊R5F523T5ADFM單片機和若干傳感器，其中一塊R5F523T5ADFM芯片與姿態傳感器模塊構成飛行控制板，主要對飛行器的飛行姿態進行控制。另一塊R5F523T5ADFM芯片與測距傳感器模塊，圖像傳感器模塊構成導航數據處理板，將傳感器原始數據經處理后上傳到飛行控制板，從而對飛行器實現導航。系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2.1 主控芯片的選擇

本系統的硬件平臺采用R5F523T5ADFM單片機作為控制核心，其具有一個32bit的CPU核心,4Gbyte尋址空間，內含16個通用寄存器，10個控制寄存器，2個72位累加寄存器，最高系統時鐘可達40MHz。同時該芯片集成了128KbyteROM，12KbyteRAM，以及各種片上外設。具有豐富的接口以滿足與各種傳感器的連接通信，和較強的性能使得從傳感器采集的數據得到實時處理。

2.2 姿態傳感器模塊的選擇

采用MPU9250芯片內置的三軸加速度計，三軸陀螺儀以及三軸磁力計獲取原始姿態數據，經解算后得到飛行器的姿態數據。其中陀螺儀可編程其量程為（±250，±500，±1000度/秒），可進行三軸（x，y，z）16位ADC角速度數字輸出。加速度計可編程其量程為（±2g，±4g，±8g，±16g），可進行三軸16位ADC加速度數字輸出。

2.3 測距傳感器模塊的選擇

采用KS103超聲波模塊對飛行器飛行高度進行測量。該超聲波模塊包含實時溫度補償的距離探測，具有高探測精度。探測 頻率可達500Hz，使用 I2C/串口串口接口與主機通信，自動響應主機的I2C/串口串行口控制指令，短距探測量程由10cm、20cm、……、至470cm，能滿足快速近距離探測，從而實現室內實時處理高度數據。

2.4 圖像傳感器模塊的選擇

采用曝光芯片為OV7725，包含一塊AL422B板上FIFO芯片的攝像頭模塊。OV7725感光芯片在低光照情況下也具有高靈敏度，標準的SCCB通信接口，支持RGB彩色模式數據輸出，同時具有幀同步能力，采集的彩色圖像數據通過8位并口傳輸給單片機，具有滿足實時數據傳輸的速度，且保證圖像信息采集的完整度。用來為飛行器采集地面圖像信息，從而使飛行器得以在室內實現循跡飛行，跟蹤飛行和定點懸停。

3 系統軟件設計

3.1 循跡模塊算法設計

為了保證飛行器能夠實時有效的獲取目標的位置信息，考慮采用機器視覺的方法對運動目標進行定位[3]。采用一塊R5F523T5ADFM單片機進行導航控制。導航板通過視覺傳感器獲取地面的圖像數據，經過一定的控制算法處理后得到小車和圓心位置信息[5]，并通過串口發送給飛控主控芯片從而達到循跡的效果。

3.1.1 圖像獲取

為了能夠更準確的獲取飛行器當前狀態下的所掃描到的賽道信息，將攝像頭傳感器安裝在飛行器下方的中間位置。配置ov7725攝像頭的寄存器，將其輸出窗口設置成60*80，并且能夠自動調節邊緣的增強、自動調節噪聲的抑制。同時單片機配置相應的輸入輸出端口和中斷觸發源，根據攝像頭傳感器內部產生的場同步信號和行同步信號進行圖像采集并保存到緩存區。

賽道是由黑色和白色兩種背景顏色組成，故采集時可將圖像二值化為0和1兩種數值(0為黑色，1為白色)，以便于數據的保存和處理。數學表達式如公式⑴。

閥值(Threshold)用來把目標和背景區分開。由于賽道背景顏色單一，故可以通過采集幾幀不同狀態下的圖像用來提取靜態閾值。

3.1.2 目標識別算法

從采集的圖像中計算出目標物體的位置信息是飛行器自主飛行過程中核心的部分，目標檢測識別算法設計思路如圖2所示，主要分為以下三步。

⑴ 構造一個虛擬的初始為3*3的方形矩陣模板，矩陣的大小可以根據掃描的層數N(初始值為1)擴展，定義一個數組分別記錄矩陣四個角位置相對于矩陣中心的偏移量。

⑵ 對輸入的二值圖像進行遍歷，當掃描到黑點（數值信息為0）時，則以該像素點的位置為基點，匹配步驟⑴中的矩陣模板，判斷四個角位置的像素點是否為黑點。若都為黑點，則增加層數(N+1)，擴展虛擬矩陣并更新數組的值繼續判斷，直到遇到白點(數值信息為1)結束，同時記錄當前掃描的層數和基點的位置。

⑶ 對每次得到的層數的大小進行比較，取最大層數所對應的基點位置則是圓心。

圖2 目標檢測算法流程圖

3.2 姿態解算模塊算法設計

姿態解算是飛控系統的基礎，系統采用的姿態結算，采用了四元數法，設計思路如圖3所示。姿態解算得出的姿態數據會發布給姿態控制器，控制四旋翼飛行平穩。姿態解算的速度和精度，會直接影響系統的實時性和穩定性。姿態是用來描述一個剛體的固連坐標系和參考坐標系之間的角位置關系，常用的姿態表示方法有：歐拉角、方向余弦矩陣、四元數表示[4]。相比其他的表示方法，四元數法計算量小，算法簡單，易于操作，避免了歐拉角的奇異性問題。使用四元數來更新姿態，最后轉化為歐拉角發布給姿態控制器。

圖3 姿態解算模塊算法

四元數q=q0+q1i+q2j+q3k，歐拉角、方向余弦矩陣、四元數的關系如公式⑵。

陀螺儀測量角速度，具有高動態性，受溫度和電壓影響產生零點漂移現象，離散采樣產生累積誤差。加速度計的低頻特性好，可以測量低速狀態下的加速度。結合兩者的優點，姿態解算的算法為：根據加速度計數據，轉換到地理坐標系后，與對應參考的重力向量進行求誤差，這個誤差用來校正陀螺儀的輸出，然后用陀螺儀數據進行四元數更新，再轉換到歐拉角。

四元數姿態更新采用一階畢卡算法進行，如（公式3）所示。其中Δt代表采樣時間間隔，ωxb、ωyb、ωzb為載體坐標系下的角速度。

3.3 控制器設計

本系統采用串級PID控制，包括位置控制環和姿態控制環，姿態控制環內部又采用了雙環PID，內回路為姿態角速度PID控制，外環為姿態角度P控制。遙控器或者上位機設定期望位置后，位置PID回路計算出所需的姿態角，送給姿態控制環，姿態控制環計算電機控制量，并轉化為相應的PWM波輸入給電機。系統控制器結構如圖4所示。

圖4 系統控制器結構圖

4 飛行試驗結果

⑴ 起飛捕獲能力測試

測試方式：飛行器平穩放置水平面，小車靜止于飛行器正前方一米處，飛行器一鍵起飛向前飛行，當捕獲到小車位置時，懸停于小車正上方。飛行器起飛速度與小車位置捕獲之間的關系如表1所示。

表1 起飛捕獲能力測試

分析：飛行器需要以一個合適的速度飛向小車，若速度太快不容易懸停于小車上，若太慢則容易偏離小車所在方向。

⑵ 跟蹤飛行能力測試

測試方式：在起飛捕獲到小車位置并懸停于小車上方之后，小車開始運動，觀察飛行器跟蹤小車的飛行情況。飛行器跟蹤能力與小車運動速度之間的關系如表2所示。

表2 跟蹤飛行測試

分析：跟蹤飛行時，小車的運動速度不宜太快，否則飛行器難以及時調整飛行方向，會失去對小車的跟蹤。最終測試效果如圖5所示。測試結果表明，所設計的飛行器及控制系統對地面運動目標可實現穩定、實時及精確的跟蹤飛行。

圖5 系統測試效果圖

5 結束語

該四旋翼飛行器探測跟蹤系統是基于兩塊R5F523T5ADFM單片機，一塊進行姿態解算及飛行控制，另一塊進行圖像數據處理并計算出運動目標位移信息，通過UART接口實現雙機通信。再結合相應的控制算法進行解算，輸出到執行機構，改變電機轉速，完成四旋翼飛行器跟蹤地面運動小車的運動控制。無人機自動跟蹤系統結合了傳感器、控制理論、空氣動力學、電機學、圖像處理等多門學科的最新理論和實踐技術，其應用前景相當廣闊。將無人機運用到地面移動目標的跟蹤中，能有效克服傳統視覺跟蹤監控范圍限制、目標易丟失等問題，是視覺跟蹤理論當前的研究熱點。為提高系統的實用性，未來將在擾動作用下對飛行器穩定性及跟蹤速度、精度等方面進一步研究。

參考文獻(References):

[1]魏麗娜,寧會峰,陸旺等.多旋翼飛行器的關鍵技術及應用前景[J].自動化技術與應用,2016.9:1-4

[2]古春海.基于APM平臺的無人機目標追蹤系統研究[D].上海師范大學碩士學位論文,2016.

[3]樊瓏.多旋翼無人機視覺引導降落研究[D].哈爾濱工業大學碩士學位論文,2016.

[4]雷家勇,達飛鵬,孟廣猛.圖像處理中圓心算法研究[J].計算機與現代化,2005.3.

[5]溫全,成天樂,蘇澤亞.基于STM32和OV2640的自主循跡四旋翼飛行器設計[J].微型機與應用,2016.35(22):105-107