四旋翼自主飞行器探测跟踪系统项目的随笔
项目介绍
本项目以16位瑞萨单片机RX23T/R5F523T5ADFM做主控，STM32F407单片机做飞控板，驱动四个直流电机，利用角速度传感器，加速度传感器等各类传感器组成飞行器飞行状态检测控制，采用超声波，光流计检测高度。以C++语言，PID算法实现控制软件的编写及系统方案设计分别完成了总体结构设计，硬件设计，软件设计，最后，进行调试，验证试飞，测试各项功能
项目特点
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本项目采用主控和飞控分开的结构，降低主控负荷。 -
使用了双环PID控制技术，增强飞行器稳定性。 -
主要功能模块分开开发，提升了项目开发效率。 -
各个功能模块彼此独立，易于调试排错。 -
项目层次分明，有着良好的可读性，易扩展性。
主要内容
1． 主控与飞控串口通信协议及程序开发，兼容遥控器PWM波通信，以防飞行器失控。
2． 追踪算法，包括图像采集处理，腐蚀算法，PID位移环控制。
3． 总体框架设计。
个人随想
这是我本科阶段完成的难度较大的项目。通过这次实践，对单片机开发，各传感器模块使用以及器件选型设计等多方面能力有一定锻炼作用。
跟同学合作开发项目，在图像采集，悬停定位等步骤存在很多争议，但是最后我们通过耐心商讨或测试来解决争议。
在项目开发过程中遇到了各种问题，通过查阅API，百度，知网，翻CSDN，将问题解决。
以下为具体描述：
飞控选择
如果想参加电赛，并且希望学习简洁高效的开源飞控代码，及相关算法，推荐匿名科技的四轴飞行器。
开发初期
mpu6050的运用，三轴加速度器和陀螺仪能在模块内部的mcu进行数据处理，，经过复杂的数学运算得到四元数，然后除以q30，再经过简单的代数运算就能得到欧拉角（即俯仰pit，横滚rol，航向角度yaw），mpu6050自带fifo，可以不用在意数据传输的时序问题，cpu可以很方便的从fifo读取数据进行处理
我们可以通过遥控器来发送标准航模信号对飞控进行控制，，飞控stm32f407zgt6单片机里面的定时器3和定时器4总共8个输入捕获通道，将接收机接受到的信号捕获进单片机，，并且在通道数据处理函数中赋值给相关函数，进行数据处理。
除了模拟pwm波对飞控进行控制，我们还可以用一块单片机通过串口，iic，对飞控进行控制，根据通信协议，将数据以合法的帧发送，飞控接受到数据，进行协议预解析，判断数据合法性，如果合法，则自动调用协议解析函数，执行相应的功能。
关于腐蚀算法，CSDN有大佬有详细介绍，我也是借用他的思路来实现的，读者自己搜索。
追踪小车设计
小车是在超市买的一个遥控汽车，通体刷红，是为了与背景（白色）有明显区别，提高图像识别中腐蚀算法的准确度
小车自带一块3.7V的1S电源，对主控板供电，主控板控制超声波测距传感器，在一定距离检测到飞机处于小车上空，则蜂鸣器发出声响，二极管进行闪烁。
飞行器底部
其实定高较容易实现，直接写一个高度环，对角度进行PID控制就能收到不错的效果，而在水平面上的悬停较难实现。初期有考虑使用光流计，效果比较OK，但是违反大赛规定，只能需求其他办法。
队友有提出根据六轴数据进行积分纠偏，实际效果可行，但追踪需要另外的代码实现。
另一种方案则是，在摄像头所拍摄的画面建立坐标系，以图像中心为原点，并规定为飞行器所在位置，利用腐蚀算法获取目标坐标设为期望坐标，在两轴上分别计算期望差，对其进行PID控制。理论上来说，是较好的解决方案，因为以后追踪的原理可以与此相同。
但此方案存在个问题就是，摄像头画面不水平会带来较大误差，实际中摄像头画面肯定不是水平的，所以需要根据机身倾斜角度对其建立的坐标系进行一个投影变换（对俯仰角，横滚角分别代入变换，但航向角不用变换，此处我们不需要准确的航向角），变换成水平面上的投影坐标系才可用。
飞行器完全图
整体设计为：由主控获取并处理各传感器数据及图像数据，隔行存储获得240*360的二进制图像，以此做为图像处理的原始数据。根据结果建立一个环对飞控进行操控，理论上双环PID就变成了三环，除角速度环，角度环之外增加了控制环。
为防止意外，应该给与PWM波高优先级，若飞机失控，可以通过遥控操作使其降落。PWM波在于检测高电平的长度来传递信息，所以与频率无关。
测试环境
地面站调整很方便，pid参数调整，收发指令，航线姿态，关键参数，数据波形分析。超声波和气压计联合定高，室外gps悬停，地面站减轻了测试负担。
关于pid的调整，可以通过地面站直接进行调整，比在代码中修改数值，方便很多，另外有一个串口可以接数传模块，我们可以在飞行过程中飞控实时将数据传到地面站，观察相关传感器的参数变化，对于后期调整pid，能够有资料可依而不是背口诀碰运气。
测试花的时间比开发要长，实际上在无GPS情况下实现准确悬停是一个较难的事，我们试过很多方法，但终究不尽如意，希望读者加油！
结束语
如有错误，欢迎指正！