一种可跟踪地面目标的四旋翼飞行器的制作方法

本实用新型涉及一种四旋翼飞行器，特别涉及一种可跟踪地面目标的四旋翼飞行器。

背景技术：

目前，四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种，其四个旋翼对称分布，呈“十”型或“X”型。因其起飞和降落所需空间较少，在障碍物密集的环境下操纵性较高，姿态保持能力较强，机动能力强，结构简单，操作容易等特点，四旋翼飞行器作为一种新兴的空中移动平台，搭载各种相应的任务负荷，广泛应用于影视航拍、电力巡航、情报监视、战损评估等诸多方面，并为自动控制，先进传感器技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合提供了一个平台。

视觉跟踪是对视频图像序列中的前景运动目标进行检测、提取、识别和跟踪，获得目标的位置、速度、加速度和运动轨迹等，再进行进一步分析处理以完成更高一级的任务，视觉跟踪在许多领域都有重要的现实作用，因此得到了广泛的应用。现有的基于飞行器的移动目标跟踪系统，都是采用在机体上固定摄像头，操作者通过传回来的图像手动控制飞行器完成对目标的跟踪，跟踪准确性差，增加了操作者的难度。目前缺少一种跟踪准确性高、操作方便、成本较低的可以跟踪地面目标的四旋翼飞行器系统用于基础教学和理论研究。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现阶段缺少跟踪准确性高、操作方便以及成本较低的四旋翼飞行器跟踪系统的问题，而提供的一种可跟踪地面目标的四旋翼飞行器。

本实用新型提供的可跟踪地面目标的四旋翼飞行器是在脚架下部中间位置装配有连接杆，连接杆上设置有安装板，安装板上嵌设有微处理器树莓派、微处理器stm32F4、摄像头和超声波传感器，其中微处理器树莓派和微处理器stm32F4之间通过串口进行通信，摄像头与微处理器树莓派相连接，超声波传感器与微处理器stm32F4相连接。

连接杆与安装板之间设置有垫圈，通过垫圈来调整安装板的位置，进而使超声波传感器和摄像头保持在机体中心正下方。

脚架的上部还安设有上中心板和下中心板，上中心板上设置有飞行控制器和两组对称的机臂，每个机臂的外端均设置有无刷电机，无刷电机连接有碳纤螺旋桨，每个机臂的下部安设有电子调速器，电子调速器的输入端与飞行控制器相连，电子调速器的输出端与无刷电机相连，飞行控制器与上中心板之间设置有减震板，下中心板上设置有编码器和电池，编码器输入端与微处理器stm32F4的输出管脚相连，编码器输出端与飞行控制器相连，电池为整个系统提供电力，上中心板和下中心板上间隔设置有透孔，每个机臂上也间隔设置有透孔。

安装板为PCB板，使用PCB板有效减少了飞行器的连线，从而使整个机体的重量极大地降低。

脚架的底部套设有减震套筒。

上述的微处理器树莓派、微处理器stm32F4、摄像头、超声波传感器、飞行控制器、无刷电机、碳纤螺旋桨、电子调速器、编码器和电池均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本实用新型的工作原理：

本实用新型提供的四旋翼飞行器共有四个姿态：横滚、俯仰、偏航和油门。系统结构中所述PWM占空比是指上述四个姿态所对应的控制信号的值(接下来称之为横滚值、俯仰值、偏航值、油门值)，飞行控制器根据这四个控制信号调整四个旋翼上的无刷电机的转速，进而调整四旋翼飞行器的姿态。

首先设定四旋翼飞行器的起飞区域和稳定飞行高度，根据电池电压补偿的结果选择合适的油门值进行起飞，由超声波传感器测得飞行器当前的飞行高度，微处理器stm32F4根据期望高度和当前高度的差值进行PID计算，得到一个合适的油门值；固定在机体上的摄像头实时采集当前视场的图像，并发送到微处理器树莓派，微处理器树莓派通过对图形的识别、二值化处理、轮廓检测及滤波，采集到运动目标的位置信息，并将其位置信息发送至微处理器stm32F4,微处理器stm32F4接收到运动目标的位置信息后进行解算，解算出目标的运动方向、速度和加速度等，并通过PID控制算法得出合适横滚值、俯仰值、偏航值。微处理器stm32F4将计算得到的四个姿态值融合发送至编码器，编码器将四个姿态值对应的PWM信号转换成PPM信号传至飞行控制器，进而使飞行控制器根据四个姿态值调整四个旋翼上的无刷电机的转速，进而调整四旋翼飞行器的姿态。

PID控制调节算法(比例-积分-微分)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

电池电压补偿：在电池电压不相等的情况下，四旋翼飞行器使用相同的油门值起飞，起飞的稳定效果相差很多。电池电压补偿是指通过仿真和调试得到每一个电压梯度下理想的起飞效果对应的油门值。四旋翼飞行器在起飞时根据当前电池电压自动选择合适的油门值完成起飞。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的可跟踪地面目标的四旋翼飞行器采用一键起飞，完全自主的自动控制方式，相比于手动控制，提高了跟踪的精度，降低了操作难度；采用了电池电压补偿，有效地提高了起飞过程的稳定性；采用了多处理器分工完成计算量较大的图像处理和PID计算，有效避免了单一处理器可能出现的死机问题，提高了系统的稳定性；使用微处理器stm32F4模拟了遥控器的工作方式，实现了飞行器在横滚、俯仰、偏航、油门四个姿态的自动控制。

附图说明

图1为本实用新型所述四旋翼飞行器整体结构示意图。

图2为本实用新型所述四旋翼飞行器仰视结构示意图。

1、脚架 2、连接杆 3、安装板 4、微处理器树莓派

5、微处理器stm32F4 6、摄像头 7、超声波传感器 8、上中心板

9、下中心板 10、飞行控制器 11、机臂 12、无刷电机

13、碳纤螺旋桨 14、电子调速器 15、编码器 16、电池

17、减震套筒。

具体实施方式

请参阅图1至图2所示：

本实用新型提供的可跟踪地面目标的四旋翼飞行器是在脚架1下部中间位置装配有连接杆2，连接杆2上设置有安装板3，安装板3上嵌设有微处理器树莓派4、微处理器stm32F4 5、摄像头6和超声波传感器7，其中微处理器树莓派4和微处理器stm32F4 5之间通过串口进行通信，摄像头6与微处理器树莓派4相连接，超声波传感器7与微处理器stm32F4 5相连接。

连接杆2与安装板3之间设置有垫圈，通过垫圈来调整安装板3的位置，进而使超声波传感器7和摄像头6保持在机体中心正下方。

脚架1的上部还安设有上中心板8和下中心板9，上中心板8上设置有飞行控制器10和两组对称的机臂11，每个机臂11的外端均设置有无刷电机12，无刷电机12连接有碳纤螺旋桨13，每个机臂11的下部安设有电子调速器14，电子调速器14的输入端与飞行控制器10相连，电子调速器14的输出端与无刷电机12相连，飞行控制器10与上中心板8之间设置有减震板，下中心板9上设置有编码器15和电池16，编码器15输入端与微处理器stm32F4 5的输出管脚相连，编码器15输出端与飞行控制器10相连，电池16为整个系统提供电力，上中心板8和下中心板9上间隔设置有透孔，每个机臂11上也间隔设置有透孔。

安装板3为PCB板，使用PCB板有效减少了飞行器的连线，从而使整个机体的重量极大地降低。

脚架1的底部套设有减震套筒17。

上述的微处理器树莓派4、微处理器stm32F4 5、摄像头6、超声波传感器7、飞行控制器10、无刷电机12、碳纤螺旋桨13、电子调速器14、编码器15和电池16均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本实用新型的工作原理：

本实用新型提供的四旋翼飞行器共有四个姿态：横滚、俯仰、偏航和油门。系统结构中所述PWM占空比是指上述四个姿态所对应的控制信号的值(接下来称之为横滚值、俯仰值、偏航值、油门值)，飞行控制器10根据这四个控制信号调整四个旋翼上的无刷电机的转速，进而调整四旋翼飞行器的姿态。

首先设定四旋翼飞行器的起飞区域和稳定飞行高度，根据电池16电压补偿的结果选择合适的油门值进行起飞，由超声波传感器7测得飞行器当前的飞行高度，微处理器stm32F4 5根据期望高度和当前高度的差值进行PID计算，得到一个合适的油门值；固定在机体上的摄像头6实时采集当前视场的图像，并发送到微处理器树莓派4，微处理器树莓派4通过对图形的识别、二值化处理、轮廓检测及滤波，采集到运动目标的位置信息，并将其位置信息发送至微处理器stm32F4 5,微处理器stm32F4 5接收到运动目标的位置信息后进行解算，解算出目标的运动方向、速度和加速度等，并通过PID控制算法得出合适横滚值、俯仰值、偏航值。微处理器stm32F4 5将计算得到的四个姿态值融合发送至编码器15，编码器15将四个姿态值对应的PWM信号转换成PPM信号传至飞行控制器10，进而使飞行控制器10根据四个姿态值调整四个旋翼上的无刷电机12的转速，进而调整四旋翼飞行器的姿态。

PID控制调节算法(比例-积分-微分)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

电池16电压补偿：在电池16电压不相等的情况下，四旋翼飞行器使用相同的油门值起飞，起飞的稳定效果相差很多。电池16电压补偿是指通过仿真和调试得到每一个电压梯度下理想的起飞效果对应的油门值。四旋翼飞行器在起飞时根据当前电池16电压自动选择合适的油门值完成起飞。