四旋翼无人机自主降落系统
四旋翼无人机自主降落系统
摘要：针对目前四旋翼无人机自主降落精度较低，降落偏差较大的问题，设计了一种基于视觉
定位的四旋翼无人机自主降落系统，该系统可以有效减少四旋翼无人机自主降落时所产生的偏
差。该系统以 STM32 单片机和树莓派为系统核心，通过机身所带的传感器对飞行时的数据进
行收集。系统会利用偏差值调整四旋翼的姿态与位置，最终完成四旋翼无人机的自主降落。此
方案有效的提高了四旋翼无人机自主降落时的精度。
关键词：STM32 单片机;树莓派;四旋翼;自主降落;
Abstract：In view of the problems of low autonomous landing accuracy and large landing deviation
of the current quadrotor UAV, a quad-rotor UAV autonomous landing system based on visual
positioning is designed.The system can effectively reduce the deviation caused by the autonomous
landing of the quadrotorUAV.The system takes STM32 single-chip microcomputer and Raspberry Pi
as the core of the system, and obtains the real-time data of the system through the mounted sensors.
The relative positional deviation of the machine and the visual sign.The system will use the deviation
value to adjust the attitude and position of the quad-rotor, and finally complete the autonomous
landing of the quad-rotor UAV.This solution effectively improves the accuracy of the quadrotor UAV
when it is autonomously landing.
Keyword：STM32MCU; Raspberry Pi; quadcopter; autonomous landing;
近年来，随着计算机技术的飞速发展，旋翼无人机行业也获得了飞速的发展，逐渐应用在多个
行业之中，如航拍、农业植保、电力巡检、影视拍摄、灾后搜救等[1,2]。旋翼无人机可以轻松
的做到一些人们不容易做到的事情，合理地运用旋翼无人机可以提高劳动生产率，降低人们的
劳动强度。随着旋翼无人机应用领域的增加，旋翼无人机自主降落精度较低的问题也逐渐暴露
出来[3]。在经典的无人机控制系统中，降落时是以 GPS 为基础对无人机的位置进行定位，但
由于 GPS 信号会受到自身精度以及信号强度的影响，系统降落时只能降落到以标定点为圆心，
半径为一米左右的圆内，在很多场景中这些偏差都无法忽视，甚至会成为无人机降落的重大隐
患。提高旋翼无人机自主降落的降落精度可以保障旋翼无人机的安全回收和循环作业，同时也
让旋翼无人机在降落环境严苛的场合中可以得以应用[4]。
主要研究了四旋翼无人机自主降落的问题。针对以上问题，设计了一种以 STM32 单片机和树
莓派为核心的四旋翼无人机自主降落系统。全文主要包括四旋翼无人机结构及原理、系统硬件
设计和系统软件设计 3部分。
1 四旋翼无人机结构及原理
1.1 四旋翼无人机结构
四旋翼无人机一般有十字型和 X字型 2种结构[5]。其中，十字型无人机的机头方向与无人机某
条机臂的方向相同，X型无人机的机头方向朝向两条机臂的中线方向相同[6]。本设计将以 X型
无人机为实验平台进行测试实验。
图1 四旋翼结构示意图
X型无人机结构示意图见图 1，采用正反转电机以及正反桨叶的设计来解决四旋翼无人机的陀
螺效应。不同对角线上的电机旋转方向相反，且按照电机旋转方向，桨叶分为正反桨[7]。其中
电机 0、2为顺时针旋转，桨叶为正桨，电机 1、3为逆时针旋转，桨叶为反桨。以此保证四旋
翼无人机可以平稳飞行。
1.2 四旋翼无人机控制原理
四旋翼无人机的基本运动方式可分为俯仰、翻滚、偏航、垂直、横向5种[8]，通过控制 4个电
机的转速，可以对四旋翼无人机的姿态和运动轨迹进行控制。
1.2.1 俯仰运动
提高（降低）电机 0、3的转速，同时降低（提高）电机 1、2的转速，可以改变无人机的俯仰
姿态。
1.2.2 翻滚运动
提高（降低）电机 0、1的转速，同时降低（提高）电机 2、3的转速，可以改变无人机的翻滚
姿态。
1.2.3 偏航运动
提高（降低）电机 0、2的转速，同时降低（提高）电机 1、3的转速，可顺时针（逆时针）调
整四旋翼无人机的偏航姿态。
1.2.4 垂直运动
四旋翼无人机的上升或者下降运动取决于4个桨的升力和与机身重力的关系。因此，同时增大
或减小四个电机的转速，可以让无人机进行垂直运动。
1.2.5 横向运动
四旋翼无人机的横向运动是通过对姿态的改变来实现的。因此，通过控制无人机的姿态角角度
可实现横向运动。
2 系统硬件设计
2.1 硬件系统结构
本系统采用 STM32 处理器和树莓派作为系统整体的控制核心，机载摄像头与树莓派相连接，
激光传感器和姿态传感器与 STM32 相连接，STM32 发出的控制信号通过控制电路对电机转速
进行调节。控制系统结构见图 2。
系统通过姿态传感器、激光传感器和机载摄像头测出系统的姿态、高度和位置，并将数据传入
STM32 中，控制器根据测量的数据和期望的姿态、位置数值计算出电机的控制信号，并根据控
制信号，调节四个电机的转速，从而调整系统姿态、位置的目的。此外，通过树莓派向 STM32
发送控制命令可以控制系统的启动停止，并且可以将系统的数据可视化。
2.2 核心控制模块
系统的核心控制器是由 STM32 单片机、树莓派和控制底板组成，控制底板将单片机和树莓派
连接起来，并提供所需要的 I/O 引脚。核心控制器部分见图 3。
标签： #无人机
摘要：
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四旋翼无人机自主降落系统摘要：针对目前四旋翼无人机自主降落精度较低，降落偏差较大的问题，设计了一种基于视觉定位的四旋翼无人机自主降落系统，该系统可以有效减少四旋翼无人机自主降落时所产生的偏差。该系统以STM32单片机和树莓派为系统核心，通过机身所带的传感器对飞行时的数据进行收集。系统会利用偏差值调整四旋翼的姿态与位置，最终完成四旋翼无人机的自主降落。此方案有效的提高了四旋翼无人机自主降落时的精度。关键词：STM32单片机;树莓派;四旋翼;自主降落;Abstract：Inviewoftheproblemsoflowautonomouslandingaccuracyandlargelandingd...
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