论文总字数：29876字

摘 要

近年来，无人直升机在生活中用途日益广泛，如电力巡线和人脸识别跟踪等。本文基于stm32单片机和Keil5、vs2013的软件开发平台对一种微型四轴飞行器进行了开发和设计。主要完成了四旋翼飞行器的稳定飞行和悬停控制，并借助摄像头模块对目标物体进行了识别和跟踪靠近。

首先，熟悉并了解了四旋翼飞行器的结构和飞行特点，在四旋翼的各项特征的基础上建立了数学模型，从而完善了对飞行器的姿态控制，以及对悬停控制的算法和软件设计的优化和学习，在附加额外的摄像头模块后重新调节了PID参数。

其次，在对目标物体进行识别的方面，使用的是灰度化二值化等方法，然后根据设定的阈值和canny算子等边缘检测方法，得到目标物体在图像中的相对坐标，从而获得目标的基本定位，之后和地面坐标系进行对比，为微型四旋翼飞行器姿态控制提供了相关数据。

最后，根据图像识别得到的数据，通过串口发送到遥控器，遥控器再通过wifi转发到四旋翼飞行器的主控芯片，从而改变姿态角，使得微型四旋翼飞行器得以靠近目标物体。

通过实验，成功实现了四旋翼飞行器的自主悬停以及在一定条件下（高度稳定、背景色差明显）对目标物体进行识别和跟踪接近，实验结果表明，基本完成了设定的目标任务。

关键词：四旋翼飞行器，目标识别，目标跟踪靠近。

Abstract

It’s quite common nowadays that unmanned helicopter has been adapted to many areas like power line inspection and face recognition or trace. This paper is based on the stm32 (a type of ARM microcontroller) and its developing platform. The aim is to learn and design a system of a mini quadrotor that can fly stably and hover, what’s more the recognition of a certain object and the trace is also one of it.

The first thing is to build a mathematical model of the mini quadrotor, and try to choose the proper sensor and figure out the best way to control the state of this helicopter.

The next thing is to identify the object. It’s based on the binarization method and set-up threshold. Using this method, the object’s upper edge can be detected so as to attain the object’s location.

Finally，it’s the trace of the object. We can use the data collected by the camera. Following with that, it will be transferred to the main controller by wifi so as to change the pitch or the state angles. This can ensure the mini quadrotor fly to the object .

Though the experiments, we found out the system can show good results about detecting black objects on white grounds and trace them.

KEY WORDS: quadrotor , object analysis , object track

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及其意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容 2

1.4 本文的主要的工作安排 3

第二章 飞行器数学建模 4

2.1引言 4

2.2 四旋翼飞行器基本工作原理 4

2.2.1垂直上升和垂直下降 4

2.2.2向前和向后运动 4

2.2.3向左和向右运动 5

2.2.4顺时针转动和逆时针转动 5

2.3 四旋翼飞行器建模 6

2.3.1 飞行模式 6

2.3.2 姿态角 6

2.3.3微型四旋翼动力学方程 8

2.4 本章小结 10

第三章 控制方案 11

3.1引言 11

3.2 姿态解算 11

3.2.1简介及典型方法介绍 11

3.2.2 欧拉角 11

3.2.3 四元数 12

3.3 表示方法对比 13

3.4软件实现 15

3.5 PID算法及调试过程 16

3.5.1 串级PID加z轴PID 16

3.5.2 PID的参数调试 16

3.6 本章小结 20

第四章 目标识别 21

4.1 引言 21

4.2图像获取 21

4.2.1摄像头模块 21

4.2.2 手机拍照步骤 23

4.3 图像识别 23

4.4 本章小结 26

第五章 目标跟踪 27

5.1 引言 27

5.2调试工具 27

5.3上位机调试命令 29

5.4串口发送程序 33

5.5实验结果 35

5.6 本章小结 36

第六章 总结与展望 37

致 谢 38

参考文献 39

第一章 绪论

研究背景及其意义

人类飞上美好的蓝天仅仅是在100多年前的1903年，那时候，美国的莱特兄弟第一次实现了能够让人们成为鸟儿，在天空中驰骋的梦想。^[1]

而四旋翼飞行器的历史就更短了，直到普通的两翼飞行器问世，人们才开始研究四旋翼直升机。但是不同于普通的两翼飞机，四旋翼飞行器有着天生的优势，例如，飞行稳定，起飞迅速，不需要滑翔距离^[1]等等。但同时，也带来了控制方面的难题，特别是在飞行器悬停方面。

因为四旋翼飞行器本身具有非线性，不稳定，容易受到干扰等特点^[3]，所以控制起来也尤为困难。例如，因为旋翼产生的升力只能相对于地面向上，一旦发生意外情况，可能导致无法重新稳定悬停飞行。在自然界中人们也很难找到类似的动物使用的是和四旋翼飞行器类似的飞行原理来进行飞行的，所以人类在这方面的经验是十分缺乏的。

而悬停却是控制四旋翼飞行器稳定飞行和其他附加功能的关键因素，试想，如果一台四旋翼无人机都无法在空中进行悬停，那么也就不能稳定的拍摄图像、传输数据等等，功能受到了很大的限制，所以在现代四旋翼无人机的研究领域中，悬停一直都是首要完成的任务，也是科学家们花费大量时间精力和财力投入的问题。

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