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厦门大学信息科学与技术学院 信息与通信工程系 阮俊翔
摘要 四旋翼无人自主飞行器是一种体积小，控制相对简单的飞行器。本课题设计的四旋翼自主飞行器仅以一块TI的MSP-EXP432P401R单片机为主控芯片，这也是本组的特色所在。主控芯片通过读取九轴加速度陀螺仪ICM20600 中采集的四旋翼欧拉角数据进行 PID 处理以保持飞机的姿态稳定；采用SPL06气压传感器以及超声波测距模块US-100的数据加以控制来维持四旋翼飞行的高度；采用Openmv高清**追踪红色LED灯的灭火位置。此四旋翼飞行器可以实现自主起飞悬停、定高飞行巡航、寻找光源灭火、定向穿越、定点降落等功能。经测试，本组飞行器性能优良，设计精美，符合本次课题的要求。
关键词：四旋翼飞行器；德州仪器MSP-EXP432P401R；ICM20600九轴加速度陀螺仪；PID控制、US-100超声波测距；目标追踪
一、系统方案1 主控模块的论证与选择 方案一：采用德州仪器MSP-EXP432P401单片机为核心，自主设计飞控板，但是网上开源较少，且不熟悉编译环境，自主设计飞控板难度较大。 方案二：使用成品飞控，用德州仪器MSP-EXP432P401进行控制，节约时间。但是我们要自主增添一些传感器模块如摄像和超声波。 综合考虑了以上两种方案的优劣，我们采用方案二。
2 飞行姿态控制的选择与论证 方案一：十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。但是网上成品飞控比较少此类型。 方案二：X行飞行方式。四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。但有成熟的成品飞控，对于自主飞行来说，较为有优势。 综合以上两种方案，选择方案二。
3 角度测量模块的论证与选择 方案一：单片机集成九轴角度传感器ICM20600中读取原始数据，然后通过四元数解出姿态角。
方案二：单片机从 MPU-6050 及磁力计中读取原始数据，进行卡尔曼滤波得到四旋翼飞行器的欧拉角。 ICM20600 集成了磁力计，免去了双模块带来的系统复杂度提升，且减少了单片机的运算量，因此决定采用方案一。
4 高度模块的论证与选择 方案一：采用spl06气压传感器测量当前位置的大气压并由单片机转化为海拔高度，减去出发时的高度数值即可得到真实飞行高度。气压传感器测量范围广（海拔9000米~-500米），但误差大。 方案二：采用 US-100超声波传感器测量飞行高度。超声波传感器测量范围较小（2cm-450cm），测量精度较高（0.3cm±1%）。 方案三：使用spl06气压传感器、US-100超声波传感器、openMV-M4，取三者所采集数据的加权值，控制飞行高度，实现悬停。 综合以上各方案的优劣，我们采用方案三。
5 循迹模块的论证与选择 方案一：GPS，在室内小空间无法使用； 方案二：采用光流传感器 ADNS-3080读取地表图像，通过单片机进行分析调整飞机飞行方向，达到循迹的目的。ADNS-3080价格较贵，但精度高，反应快。 方案三：采用**openMV读取地表图像,对红色光源进行捕捉，效果好，效率高。 综合考虑以上各种方案的优劣，我们采用方案三。
二、设计与论证本系统是基于基于德州仪器MSP-EXP432P401R单片机、以Openmv图像识别为监测方案的自主四旋翼飞行器追踪巡航系统，本系统在进行图像的处理方面，又特别针对飞行器飞行姿态不稳定特征，通过采集飞行器姿态角度进行水平相对距离补偿，，从而得到较准确的飞行运动调整，实现飞行器定点悬停、目标确定、等功能。
1 控制方法描述 1）提取二值化图像 由于场地是背景是白色，需要识别红色LED灯以及黑边线条，因此直接搜索图片中的黑色色块、红色色块及黑色线条即可获得。通过获取目标点的中心坐标与其在感光芯片上映射的像素的长度、飞行器的飞行高度计算出无人机的投影与目标的水平计算，获得这个坐标和**中心值作比较来作为控制飞行器移动方向的变量。使用MSP432 通过串口通信和飞控板通信，发送指令使飞行器改变运动状态。利用Openmv**采集图像数据，对采集回来的像素点进行二值化处理。同时，在考虑单片机性能的情况下采取动态阈值以及滤波算法。最后，将二值化后的数据存入相应的图像数组；
2）识别边界并计算返航坐标 利用Openmv对黑色线条进行识别，在巡航开始与结束时，我们可以识别到左右区域的黑色边界，我们沿线向前缓慢飞行并且与左右边界保持一定的距离，通过黑色色块反馈的像素点的多少来修正我们的航向，当我们识别到正前方的黑色色块时，放慢巡航速度，当黑色色块的像素数目到达阈值，开始向左偏航，在此之后开始返航，重复以上步骤，直到识别到黑色方框，穿越黑色框，识别红色十字，平稳降落。
2 参数计算 1）Yaw轴高度偏移 通过超声波及图像中像素点大小的变化，判断飞行器所处的高度，算出飞行器与期望高度的竖直偏移量； 2）Pitch轴以及Roll轴水平偏移 通过测量飞行器在图像中间时色块中心对应的坐标值，算出飞行器的前后和左右对应的水平偏移量。 3）偏移量对飞行器的控制
控制思路为用偏移量对飞行器进行PID控制。由于飞行过程中角度的变化，对获得的坐标进行角度补偿，最后利用陀螺仪加速度计等传感器实现惯性导航。
三、电路与程序设计1 系统组成与原理框图
2 系统软件与流程
实物图（不是抠的很好）
另外有人问我四旋翼飞行器的基础原理看什么，我推荐北航可靠飞行控制研究组的课件 [论文附件]
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