摘 要

空投救援用无人飞行器是一种能够自动识别目标，自主导航飞行并自动空投物体的四旋翼无人机。本文详细介绍了该飞行器的设计原理与方法。无人机采用摄像头作为图像传感器，结合HSV颜色空间变换、图像分割、中值滤波以及质心提取等图像处理算法，实现在复杂环境背景下自动目标识别的功能。针对无人机的飞行问题，本文详细阐述了无人机的飞行及控制原理。无人机选用六轴传感器获取无人机姿态，结合基于四元数的姿态解算算法得到无人机飞行姿态角，最后配合PID算法实现无人机姿态的自动控制及飞行控制。为实现无人机自主导航功能，本文提出了一种基于图像与目标相对位置的导航方法。针对无人机靠近空投目标地点时，摄像头丢失目标的问题，提出了一种基于红外传感器的定位方法。经实际测试，本文所设计的空投救援用无人机能够实现其要求的基本功能。

关键词：四旋翼无人机；四元数；颜色空间变换；PID算法；

Abstract

Airdrop using unmanned aerial vehicles (uav) is a kind of four rotor uav which can identify the target automatically, conduct the autonomous navigation flight and drop the object by itself. This paper minutely introduces design principle and method of the uav. Uav uses camera as image sensor, combining with image processing algorithms to achieve the function of automatic target recognition under the complex environment, such as the HSV color space transformation, image segmentation, median filtering and centroid extraction. For uav flight problems, this paper expounds the principle of flight and control. Uav selects six axis sensors to obtain the attitude data and uses quaternion algorithm to resolve its attitude angle. Cooperating with PID algorithm, uav can realize the automatic flight control and keep balance in the air. For the realization of the uav autonomous navigation function, this paper proposes a navigation method based on the relative position with the target and the image which coming from uav's camera .For the problem that camera will lose the target when uav flies closely to the destination, this paper proposes a locating method based on infrared sensor. By actual test, the unmanned aerial vehicle this paper designed can achieve the basic function of its requirements.

Key Words：uav；quaternion；color space transformation；PID algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 拟解决的关键问题与技术难点 1

1.3 国内外研究现状分析 1

第2章 无人机飞行模型的建立 3

2.1 引言 3

2.2 飞行原理分析 3

2.2.1 垂直运动 3

2.2.2 水平运动 4

2.2.3 转动 5

2.3 飞行姿态表示 6

第3章 无人机飞行控制原理 8

3.1 引言 8

3.2 基于四元数的飞行姿态解算 8

3.2.1 直接坐标系变换 8

3.2.2 四元数坐标系变换 9

3.2.3 姿态解算 10

3.3 自动控制原理 10

3.3.1 传统PID算法 10

3.3.2 增量式PID 11

3.4 基于增量式PID的飞行控制 12

3.4.1 姿态控制 12

3.4.1 运动控制 13

第4章 无人机目标识别原理 15

4.1 引言 15

4.2 颜色空间变换 15

4.2.1 RGB颜色空间 15

4.2.2 YUV颜色空间 15

4.2.3 HSV颜色空间 16

4.3 图像分割 17

4.4 图像滤波 18

4.5 捕捉目标 20

第5章 无人机系统设计与实现 21

5.1 引言 21

5.2 无人机硬件系统设计 21

5.2.1 飞行动力系统 21

5.2.2 姿态传感模块 21

5.2.3 无线通信模块 22

5.2.4 摄像头模块 22

5.2.5 红外传感模块 22

5.2.5 微控制器 23

5.3 无人机软件系统设计 23

5.3.1 精准定位算法设计 23

5.3.2 无人机整体程序设计 24

5.3.3 上位机调试软件 26

第6章 总结与展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 选题背景

无人机是一种无需人为在机体内操控的飞行器。目前，无人机的研究种类以固定翼无人机最为普遍，其中四旋翼无人机是最为常见的一种。近年来，无人机因其控制简单、飞行灵活、成本低等优点被越来越多地投入到实际应用当中^[1]，如航拍、电力巡检、遥感测绘、搜索救援等等。

就目前来看，大部分无人机仍需要操作员进行手动操控，并没有完全脱离人的控制，限制了无人机的使用和发展。例如在勘察灾情、航拍、救援等过程中，操作员需要通过安装在无人机上的摄像头传送回来的影像对无人机进行操控，由于视频图像和控制信号的传输距离有限，使得无人机只能在一定范围内作业。基于这种现状，本课题所要解决的是无人机智能识别和自动导航问题，使无人机能够自主准确地飞行到目标位置，无需人为干涉。

1.2 拟解决的关键问题与技术难点

本课题要求设计一架能够自动识别目标物体，自主导航的无人机。无人机需要在无人为操作的情况下完成以下任务。无人机携带救援物资(以乒乓球代替)起飞后，搜寻目标物体(以单色的塑料桶代替)，并定位。定位后，无人机自动导航到目标地点，并将携带的救援物资准确投放到目标物体内。投放完毕后，无人机需要自动返航以进行第二次投放任务。

为实现上述功能，需要解决以下几个关键问题。