1、电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering154近年来，四旋翼无人机在诸多领域得到了广泛应用，例如地形勘测1、大气监测2、种子药肥播撒及采集农田数据3等等，甚至在交通监管领域也能见到无人机的身影4。四旋翼无人机的目标跟踪一直是一个研究的热点与难点，其稳定性不容易达到要求5。针对以上情况，本文设计了一个稳定的四旋翼无人机平台，能够适应多种应用场合，并可以方便地进行二次开发。该四旋翼无人机平台采用 ST32F407 作为核心控制器，利用 ICM20602 六轴运动处理
2、传感器及三轴AK8975 磁力计组成九轴姿态传感器，其采集精度及抗及噪声能力比传统六轴 MPU6050 要高很多6，在此基础上底部还搭载了气压计、光流以及 OpenMV 视觉传感器，实现四旋翼的定高定点及目标实时跟踪。1 系统硬件组成四旋翼无人机目标跟踪系统硬件由八个部分构成，主控制器、电源模块、驱动模块、姿态传感器、位置传感器、视觉模块（OpenMV）、遥控接收模块以及通信模块。主控制器通过九轴测量数据解算四旋翼无人机当前姿态，控制无人机保持稳定，同时接收遥控器数据进行姿态调整，实现俯仰、横滚、定点定高等功能，同时还可以通过 OpenMV 摄像头实现物体跟踪功能。四旋翼无人机目标跟踪系统总体
3、框图如图 1 所示。1.1 主控制器主控芯片为意法半导体公司生产的 32 位微控制器 STM32F407，它 采 用 ARMv7 架 构、Cortex-M4 处理器内核，主频可达 168MHz，片内集成了 GPIO、USART、PWM、IIC、SPI、TIM、ADC 等多种外设。为了实现高速通信，充分发挥芯片性能，主控制器与姿态传感器通信采用高速 SPI，通过 USART 串口与光流、OpenMV 通信，通过内部生成的 PWM 波经电调控制电机，同时通过 ADC 测量电池电压以保证电量充足。STM3F407 硬件配置电路图如图 2 所示。1.2 姿态传感器姿态传感器由 ICM20602 六轴运
4、动处理传感器及三轴 AK8975 磁力计组成。ICM20602 传感器整合了 16位 ADC 的 3 轴陀螺仪和 3 轴 MEMS 加速度计，可以基于 STM32 的四旋翼无人机目标跟踪系统设计查雪红钟小勇李俊范李佳奇张伊晴（江西理工大学 理学院 江西省赣州市 341000）摘要：本文针对四旋翼无人机的目标跟踪难点问题，设计了一种适用于多种场合的四旋翼无人机目标跟踪系统。该系统以 STM32F407 为核心，搭载九轴传感器、光流、气压计、OpenMV 等模块，通过姿态解算和光流解耦合算法，计算出无人机精确的实时姿态和高度，并通过串级 PID 算法，实现稳定的飞行控制，在此基础上，通过OpenM
5、V视觉模块进行颜色识别，确定目标位置。经实际测试四旋翼无人机能实现目标跟踪、可扩展性高、适应性强。关键词：四旋翼无人机；STM32；姿态解算；串级 PID 算法；OpenMV；目标跟踪图 1：四旋翼无人机系统总体框图基金项目：国家自然科学基金（51665019）；大学生创新创业训练计划项目（202110407018）。电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering155利用其中的 DMP 直接输出解算后数据，相比于传统的MPU6050 传感器噪声更小，稳定性更高。AK
6、8975 磁力计是利用霍尔传感技术检测 x、y、z 三个方向的磁场，并利用内部的 ADC 将模拟信号转换为数字信号，其灵敏度较高。1.3 光流传感器光流传感器利用无人机底部的摄像头通过采集图像数据，检测无人机在飞行过程中的地面状态，以此判断无人机水平方向的移动，并将结果传输给飞控。飞控再结合气压计输出的高度数据，通过 PID 控制算法，控制飞行器，实现平稳的定点定高及悬停。光流传感器可以通过 USB 口，方便地连接上位机，并通过上位机对模块滤波参数、输出数据类型、输出频率、串口波特率等参数做配置，配置信息会存储于模块内部，掉电不丢失。1.4 视觉模块OpenMVOpenMV 作为一款高性能摄像
7、头，因其小巧、低功耗、低成本、功能强大等特点而得到广泛应用7。OpenMV4 采用的是 STM32H743 作为其核心控制器，摄像头内部集成了 OV7725 视觉芯片。OpenMV 内部还集成了 microPython 解释器，可以通过 microPython 脚本语言轻松实现各种功能8。OpenMV 接线原理如图 3所示。2 相关算法与程序设计四旋翼无人机目标跟踪系统软件主要分为三部分：姿态解算、PID 算法和视觉算法。控制器通过姿态传感器以及光流传感器接收的数据进行姿态解算和数据融合，再通过串级 PID 算法输出 PWM 控制电机来保证飞行器稳定，系统接收遥控器发送的指令并结合当前姿态进行
8、调整。2.1 姿态解算姿态解算是利用无人机机载的传感器检测无人机的飞行数据，包括三个方向的角速度、线性加速度、磁场强度等，计算出无人机的飞行姿态。导航坐标系与机体坐标系之间的角度关系可以看成基本旋转的组合。先绕 z 轴旋转，再绕 y 轴旋转 角，最后绕 x 轴旋转 角，设 c、s 分别表示 cos 和 sin 函数，那么旋转矩阵 R 为：（1）当四旋翼旋转角度太大时，姿态角中的一些方向会存在偏差很大的情况，而四元数能较好地避免这种状态。利用四元数(q0,q1,q2,q3)来推导四元数在三维空间里的旋转矩阵9，公式如（2）所示：（2）图 2：STM3F407 硬件配置电路图图 3：OpenMV
9、硬件接线图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering156其中，q0=cos/2、q1=ucos/2、q2=vcos/2、q3=wcos/2，u、v、w 分别表示为三维空间内单位向量的分量，是绕单位向量旋转的角度。利用公式（1）、公式（2）可以得出无人机姿态角为：（3）2.2 PID控制算法PID 控制算法是自动控制中常用的一种闭环算法10。该控制算法包含 P（比例）、I（积分）、D（微分）三个参量，通过调节这三个参量数值，使控制目标迅速达到期望状态11。PID
10、系统设计完成后，只需将目标值与当前测量值的差值作为校正量，将校正量带入 PID 控制器，对其进行 PID 控制。由于无人机的飞行姿态比较复杂，自由度较多，微小的偏差就会导致无人机偏离目标位置。为了实现更稳定、精确的飞行控制本目标跟踪系统使用串级 PID，以角速度环作为内环，角度环作为外环，串级 PID 控制框图如图 4 所示。另外，除了三个方向角度与角速度外，还有高度与高度速度、位置与位置速度也进行了串级 PID 控制。2.3 视觉算法程序OpenMV 作为一个集成化的机器视觉嵌入设备模块，内置了一系列高效率视觉、图形处理函数，包含了感光元件图像色彩设置函数，图像尺寸调整函数，阈值分割函数，噪
11、声去除函数等，通过这些函数可以对图像采集模块输出的数据进行处理。OpenMV 程序流程图如图 5 所示。3 系统测试与分析3.1 四旋翼无人机调试通过无线数传模块，将飞控正确连接电脑上位机，打开连接并观察上位机主界面的接收计数器，计数器不断增加表示连接成功。在上位机主界面配置飞控参数，进行电机与相应螺旋桨检查，加电解锁、怠速使电机旋转，保证四个电机旋转方向正确。然后，逐步加大油门，使四旋翼无人机克服重力，平稳飞行，四旋翼无人机实物飞行如图 6 所示。3.2 OpenMV跟踪测试OpenMV IDE 调试界面如图 7 所示。利用 OpenMV IDE 进行自动识别与目标跟踪调试，将色块放置于 O
12、penMV 镜头下方，移动色块进行观察，选择最佳的颜色跟踪阈值，使 OpenMV 可以准确找到目标物体，并按照串口通信协议，将用户数据包括目标物体中心位置等打包发送到飞控。通过无线数传将无人机飞行数据送到电脑上位机，实时检验跟踪效果。4 结语本文利用 STM32F404 控制器，采用多传感及功图 6：四旋翼无人机实物飞行图图 5：OpenMV 程序流程图图 4：串级 PID 控制框图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering157能模块，通过姿态解算、串级 PID
13、 调节等算法，实现了四旋翼无人机的定点定高及稳定飞行。同时，利用OpenMV 及其图像处理功能，构建了四旋翼无人机目标识别跟踪平台，实现了颜色识别和目标追踪等功能，系统飞行状况稳定良好，目标跟踪识别准确。参考文献1 周福军.高原复杂山区铁路无人机倾斜摄影勘察技术应用研究J.铁道标准设计,2021,65(06):1-5.2 丁承君,宋赛,冯玉伯,等.基于无人机的立体大气环境监测系统设计 J.传感器与微系统,2020,39(10):62-65+69.3 赵子宇,石刚.引入自注意力 U-Net 的无人机遥感农作物分类模型J.现代电子技术,2023,46(04):125-129.4 Bashir No
14、uman,Boudjit Saadi,Zeadally Sherali.A closed-loop control architecture of UAV and WSN for traffic surveillance on highwaysJ.Computer Communications,2022,190:78-86.5 严飞,马可,刘佳,等.无人机目标实时自适应跟踪系统 J.计算机工程与应用,2022,58(10):178-184.6 武仲芝,王雷,马建平,等.基于系统架构的典型四旋翼无人机设计J.计算机科学,2019,46(S2):575-579.7 石宇芃,马宏军,陈豹.基于四元数
15、的四旋翼无人机扩展卡尔曼滤波算法 J.控制工程,2021,28(11):2131-2135.8 余善恩,李真,邓文渝.基于四旋翼飞行器的电力巡检机器人视觉系统设计J.实验室研究与探索,2022,41(01):74-79.9 张紫东,马春燕,陈燕,等.基于人脸跟踪云台的红外热成像系统J.电子器件,2022,45(03):665-671.10 李成勇,谭寒钟,王莎,等.基于 OpenMV 的智能“寻的”小车控制系统 J.液晶与显示,2020,35(08):870-876.11 谈冰然.基于空气动力学补偿的四旋翼无人机飞行控制与轨迹规划 D.哈尔滨工业大学,2020.作者简介查雪红（2001-），男，江西省九江市人。大学本科学历。主要从事嵌入式系统及应用方向的研究。钟小勇（1964-），男，江西省遂川市人。硕士学位，教授级高级工程师。主要从事无损检测、嵌入式系统及应用等方向的研究。李俊范（2001-），男，甘肃省陇南市人。大学本科学历。主要从事嵌入式系统方向的研究。李佳奇（2000-），男，江西省上饶市人。大学本科学历。主要从事嵌入式系统方向的研究。张伊晴（2000-），女，河南省驻马店市人。大学本科学历。主要从事嵌入式系统方向的研究。图 7：OpenMV IDE 调试界面
