四旋翼飞行器目标跟踪系统设计.doc

摘  要：四旋翼飞行器由于其能够垂直起飞、降落、姿态控制灵活，在军事侦察、民用航拍等方面发挥重大作用。因此，与四旋翼飞行器相关的目标跟踪系统具有研究价值。本文对四旋翼飞行器的控制原理进行研究，设计了四旋翼飞行器平台，并在平台上搭载OpenMV图像处理模块，研究四旋翼飞行器目标跟踪系统。

为了完成四旋翼飞行器对特定目标的跟踪任务，本文首先对四旋翼飞行器进行总体分析，搭建了四旋翼飞行器实验平台，其中涉及飞行控制软件架构、飞行控制硬件模块。设计并优化控制系统。主要工作为对姿态传感器数据进行互补融合，通过串级PID控制算法实现四旋翼飞行器稳定飞行。

针对基于图像特征的跟踪算法运算量大等问题，设计基于特定颜色的目标识别算法，实现了在复杂环境下对目标的稳定跟踪。以OpenMV图像处理模块作为平台，先将采集的图像进行二值化、滤波等操作，完成滤除RGB图中干扰点的预处理工作，利用边缘提取算法实现特定目标的边缘检测，再利用图像颜色识别算法，实现对特定颜色目标的准确识别。

最后，进行系统整合，在四旋翼飞行器上安装OpenMV图像处理模块，在室内固定高度一米条件下，能快速准确的识别特定颜色的目标，并进行锁定跟踪，追踪过程中距离目标的偏差在10cm以内，稳定性较高，达到设计目的。

关键字：四旋翼飞行器；OpenMV；颜色识别；目标识别追踪

目录

摘要

Abstract

1 引  言-1

1.1 课题的开发背景和意义-1

1.2 国内外研究现状-1

1.2.1 四旋翼飞行器研究现状-1

1.2.2 四旋翼飞行器目标跟踪系统研究现状-2

1.3 课题任务-2

2 系统分析与总体方案设计-3

2.1 四旋翼飞行器姿态控制原理-3

2.2 四旋翼飞行器目标跟踪系统的整体设计-3

2.3 主控模块方案选择-4

2.4 姿态采集模块方案选择-5

2.5 高度模块方案选择-5

2.6 姿态控制模块方案选择-5

2.7 图像处理模块方案选择-6

3 系统硬件电路设计-7

3.1 微控制器模块-7

3.2 姿态采集模块-9

3.2.1 飞行姿态检测传感器-9

3.2.2 传感器与主机通信-10

3.3 高度传感器模块-12

3.4 电机驱动模块-13

4 软件设计-15

4.1 系统主程序设计-15

4.2 姿态解算算法设计-16

4.2.1 加速度传感器测量数据解算-16

4.2.2 陀螺仪测量数据解算-17

4.3 姿态控制算法设计-18

4.4 定高、定点算法设计-19

4.5 图像处理算法设计-20

4.5.1 边缘提取算法-20

4.5.2 图像颜色识别算法-21

5系统调试-22

5.1 四旋翼PID参数整定与飞行测试-22

5.2 图像处理实验结果-24

5.3 四轴飞行器跟踪测试-25

6 展望-27

7 结束语-28

参 考 文 献-29

致 谢-31

附 录A-32