摘 要

当今社会，无人机作为一种新兴事物，一出现，便引起了社会的广泛关注，而无人机以其强大的功能和广阔的市场空间，吸引了大批学者对其研究和商家的投资。随着智能化的发展，四旋翼飞行器需要自主采集数据，以完成相应任务。路径跟踪就是一类典型的控制问题。

本文研究了使用openmv作为摄像机，完成路径跟踪任务的方法。本文首先介绍了四旋翼飞行器的飞行原理、控制方式。然后介绍了路径识别的内容，步骤包括图像的预处理，阈值滤波。在路径识别这块，介绍了边缘检测和直线检测两种方法，通过分析两种方法的原理，对比它们在不同环境中的使用状况，最后确定使用直线检测方法来获得当前坐标值。通过使用PID算法，控制无人机的左右（即横滚角roll），减小误差值，完成路径跟踪。

最后，本文按照以上方法，组装四旋翼飞行器并且进行路径跟踪实验。最终实验显示，跟踪效果良好，飞行稳定，表明实验和程序可行性。

关键词：四旋翼飞行器 openmv 直线检测 PID控制

The design of Quadrotor path tracking system based on vision

Abstract

In today's society, unmanned aerial vehicles (UAVs), as a new thing, have attracted widespread attention from society. UAVs have attracted a large number of scholars to invest in their research and businesses with their powerful functions and vast market space. With the development of intelligence, four-rotor aircraft need to collect data autonomously to complete the corresponding task. Path tracking is a typical type of control problem.

This article studies how to use openmv as a camera to complete the path tracking task. This paper first introduces the flight principle and control method of the quadrotor. Then the content of path identification is introduced. The steps include image preprocessing and threshold filtering. In the path identification section, two methods of edge detection and line detection are introduced. By analyzing the principle of the two methods and comparing their use conditions in different environments, the linear detection method is finally used to obtain the current coordinate value. By using a PID algorithm, the left and right (ie, roll angle) of the drone is controlled, the error value is reduced, and the path tracking is completed.

Finally, according to the above method, the four-rotor aircraft is assembled and the path tracking experiment is performed. The final experiment shows that the tracking effect is good and the flight is stable, indicating the feasibility of the experiment and the procedure.

Key Words:quadrotor;openmv;straight line detection process; PID controller

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 机器视觉技术 2

1.2.2 四旋翼飞行控制 4

第二章 四旋翼飞行器 5

2.1 四旋翼飞行器的基本信息 5

2.1.1 四旋翼飞行器的外观和硬件组成 5

2.1.2 四旋翼飞行器飞行方式 7

2.2四旋翼飞行器的系统设计 10

2.2.1 四旋翼飞行器的系统框架 10

2.2.2 四旋翼飞行器系统的主流程图 10

第三章 基于视觉的路径识别 12

3.1 openmv简介 12

3.2 图像处理的流程图 12

3.3 图像处理流程分析 13

3.3.1图像预处理 13

3.3.2 阈值滤波 14

3.3.3获取引导线坐标 14

3.3.4 图像处理方式比较 17

第四章：四旋翼路径跟踪与实验分析 20

4.1 飞行控制基本原理 20

4.2 控制算法 21

4.3实验结果 26

第五章：总结与展望 28

5.1 主要工作总结 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

当今社会，无人机作为一种新兴事物，一出现，便引起了社会的广泛关注，而无人机以其强大的功能和广阔的市场空间，吸引了大批学者对其研究和商家的投资。当然，在军用方面，无人机也因为隐蔽性强、使用方便、造价低廉、用途广泛，可以执行侦察、抗震救灾、攻击等军事任务，因此在现代战争中表现突出，成为新型作战中坚力量。

传统的无人机控制基本是以人的远程控制为主，最为常见的就是便携式遥控器，人站在某一位置，利用遥控器，进行各种远程操作，包括无人机的起降、移动和转向。比如，攻击-1型无人机是解放军装备比较早的一种无人机，这种无人机不需要飞行员亲自驾驶，飞行员就在方舱（无人机操作室）之中，利用各种通讯设备远程进行对无人机的控制，完成各种任务。

随着智能化热潮不断兴起，人力操控并不能满足对自主飞行日益增长的需要，导航成为亟需解决的问题。现阶段无人机的导航主要是依靠惯性导航和全球定位，但是，GPS容易受到干扰，而且对于周围环境的变化是一无所知的，像室内，复杂的城市环境抑或是密林中，单纯地靠GPS只能完成定位，而导航问题无法解决，机载的惯性导航系统虽然具有良好的独立工作能力，但是在导航的过程中惯性器件会由于积分效应从而产生累积误差，误差随着时间推移不断累加，到最后，导航的结果逐渐发散，从而不能实现自主导航，而且和GPS一样，惯性器件也无法接收到外部环境的变化信号。所以，为了实现四旋翼飞行器的自主飞行，我们必须要选用合适的传感器来获取飞行器的位姿信息和周围环境信息。随着科技的发展，摄像机硬件性能不断提高，图像处理技术也在快速发展，所以机器视觉技术成为解决无人机导航问题的方案之一，目前，我们较为熟知的传感器有激光雷达、超声波传感器和视觉相机等。比起传统的传感器，摄像机具有成本低、重量轻、易于捕捉运动信息、被动成像等优点，所以，机器视觉技术被广泛用于无法获得GPS或者GPS不适用的环境中的无人机自主导航。

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