CN104149982A - 基于四轴飞行器的空气质量探测器 - Google Patents
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Abstract
基于四轴飞行器的空气质量探测器，包括四轴飞行器和控制系统，四轴飞行器主要包括机械臂、主机体、安放平台、机体腔、螺旋桨、脚架、摄像头云台等，控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，机载控制系统包括姿态测量单元、应用测量单元、机载微控制器，地面控制系统包括手动控制单元和自动驾驶控制中心，本发明采用飞行稳定、可控性好的四轴飞行器搭载摄像头和探测器，飞行器可以受地面遥控器控制，同时也可实现自动控制，能够扩大探测范围，在低空不同高度、不同位置进行空气质量的多指标探测并传回地面接收，具有体积小、重量轻、成本低、对飞行空域要求不高、安全可靠、灵活高效的特点。
Description
技术领域
本发明涉及空气质量探测器技术领域，特别涉及基于四轴飞行器的空气质量探测器。
背景技术
近年来空气污染越来越严重，部分城市的空气质量已经成为人们身体健康的最大隐患，特别是近两年出现在部分城市的PM2.5已经成对人们生活产生困扰的最大危害，所以及时地检测出空气的质量指数，对人们更好地了解自己周围的空气指数或污染程度并采取及时的预防和治理措施以及人们的生活安排具有重大的意义。尤其对PM2.5的测定，由于探测设备昂贵，不可能在每一个地方设定检测点。如果动用直升机搭载设备去空中探测，耗费成本更大。
四轴翼飞行器是多旋翼飞行器的一种，主要靠四个电机带动桨叶的旋转实现飞行器的移动和滚动。这种四旋翼飞行器最大的特点是成本较低，自身飞行稳定性好，可控性好，可悬停，可以承受一定的载荷等，适合搭载摄像头和空气探测器定点探测空气指数。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于四轴飞行器的空气质量探测器，能够在300米以下的空中对空气质量指数进行定点探测，具有成本低、能耗低、可控性好、灵活性高的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于四轴飞行器的空气质量探测器，包括四轴飞行器和控制系统，所述四轴飞行器包括成十字交叉的四个机械臂3，交叉角度为90°，机械臂3的交叉点设有主机体5，连接并固定四个机械臂3，主机体5上方设有安放平台1，主机体5内部设有机体腔10，四个机械臂3的末端分别固定设有电机6，电机6上安装有螺旋桨4，并且所在一条直线上的两个螺旋桨4互为正反螺旋桨，机械臂3上固定设有旋桨罩2，脚架7通过脚架固定头8固定安装在主机体5的下方，脚架7的一侧安装有摄像头云台11，脚架7的下方设有电池9。
所述控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，所述机载控制系统包括姿态测量单元、应用测量单元、机载微控制器18，均固定设置在机体腔10内；所述地面控制系统包括手动控制单元和自动驾驶控制中心。
所述机体腔10内还设有GPS传感器模块23、空气质量探测器24、电机驱动电路25，机载微控制器18的输入端与GPS传感器模块23、空气质量探测器24的输出端电连接，所述GPS传感器模块23的天线设置在安放平台1上，机载微控制器18与电机驱动电路25电连接受其控制，电机驱动电路25连接并驱动电机6。
所述姿态测量单元包括三轴陀螺仪15、三轴加速度计16和磁阻17，分别通过其数据线SDA和时钟线SCL连接至机载微控制器18的IIC对应的SDA和SCL引脚。
所述应用测量单元包括数字摄像头12、气压计13、超声波传感器14，数字摄像头12搭载在摄像头云台11上，并与机载微控制器18电连接，气压计13和超声波传感器14分别通过其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器18的IIC对应的数据SDA和时钟SCL引脚。
所述手动控制单元包括遥控器26和机载接收机21，机载接收机21设置在机体腔10内，与机载微控制器18相连接，遥控器26与机载接收机21通过无线连接方式进行通信。
所述遥控器26遥控控制的优先级高于自动驾驶。
所述自动驾驶控制中心包括地面微控制器22、上位机27，地面微控制器22与上位机27电连接，并通过第一无线射频通信模块19和第二无线射频通信模块20与机载微控制器18进行无线通信。
本发明的有益效果：
1、本发明采用飞行稳定、可控性好的四轴飞行器搭载摄像头和探测器，能够扩大探测范围，在低空不同高度、不同位置进行空气质量探测并传回地面接收，具有安全、可靠的特点。
2、飞行器可以受地面遥控器控制，同时也可实现自动控制，能够进行多指标测量，灵活、高效地完成探测任务。
3、飞行器可以定高定位的悬停，可在一个空间里设置若干个空间点作为探测任务点来实现不同高度空气质量测量对比，以及同一高度不同位置空气质量信息统计并传回地面，可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等物质指数进行探测，从而科学准确地测量某一地方的空气质量。
4、本发明克服了传统的飞机探测成本高和传统探测的固定性、信息样本少、代表性差等不足，具有体积小、重量轻、成本低、制作简单、便于携带、对飞行空域要求不高的特点，具有良好的应用前景和价值。
附图说明
图1为四轴飞行器的结构示意图。
图2为四轴飞行器侧面的结构示意图。
图3为控制系统原理框图。
图4为微控制器外围电路原理图。
图5为姿态检测和测量模块电路。
图6为无线射频通信模块电路。
图7为GPS传感器电路原理图。
图8为空气质量探测器模块电路原理图。
图9为电机执行模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1、图2，基于四轴飞行器的空气质量探测器，包括四轴飞行器和控制系统，所述四轴飞行器包括成十字交叉的四个机械臂3，交叉角度为90°，机械臂3的交叉点设有主机体5，连接并固定四个机械臂3，主机体5上方设有安放平台1，主机体5内部设有机体腔10，四个机械臂3的末端分别固定设有电机6，电机6上安装有螺旋桨4，并且所在一条直线上的两个螺旋桨4互为正反螺旋桨，机械臂3上固定设有旋桨罩2，用于防止螺旋桨碰到物体造成危险，脚架7通过脚架固定头8固定安装在主机体5的下方，用于在飞行器降落时起支撑和缓冲作用，脚架7的一侧安装有摄像头云台11，脚架7的下方设有电池9。
参见图3，控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，机载控制系统包括姿态测量单元、应用测量单元、机载微控制器18，均固定设置在机体腔10内，其中，机载微控制器18采用STM32F103RBT6；姿态测量单元包括三轴陀螺仪15，采用MPU6050芯片，MPU6050的数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器18的IIC对应的SDA和SCL上，把数据传回机载微控制器18并通过其内部计算，把角速度积分转换成角度，磁阻17采用HMC5883L芯片，三轴加速度计16和磁阻17的数据线SDA和时钟线SCL连接机载微控制器18的IIC的对应SDA和SCL上，把检测三个维度的受力传回机载机载微控制器18，通过四元数与欧拉角的转换得到飞行器姿态角（PITCH、ROLL、YAW），机载微控制器18通过Kalman滤波算法对原始数据进行滤波处理，在通过融合算法对两种方式的姿态角进行融合处理得到飞行器的当前姿态，并通过PID算法调节输出的4路PWM脉宽的变换来控制电动机转速实现姿态修正。
应用测量单元包括数字摄像头12、气压计13、超声波传感器14，数字摄像头12搭载在摄像头云台11上，并与机载微控制器18电连接，拍摄图像或照片传回到机载微控制器18上进行辅助定位，气压计13采用BMP085芯片，超声波传感器14采用HC-SR04，气压计13和超声波传感器14分别通过其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器18的IIC对应的数据SDA和时钟SCL引脚，机载微控制器18把数据进行融合，计算出飞行器所在高度信息，辅助定位定高。
机体腔10还设有GPS传感器模块23、空气质量探测器24、电机驱动电路25，机载微控制器18的输入端与GPS传感器模块23、空气质量探测器24的输出端电连接，所述GPS传感器模块23的天线设置在安放平台1上。
机体腔10还设有GPS传感器模块23、空气质量探测器24、电机驱动电路25，机载微控制器18的输入端与GPS传感器模块23、空气质量探测器24的输出端电连接，所述GPS传感器模块23的天线设置在安放平台1上，机载微控制器18与电机驱动电路25电连接受其控制，电机驱动电路25连接并驱动电机6。
手动控制单元包括遥控器26和机载接收机21，机载接收机21设置在机体腔10内，与机载微控制器18相连接，遥控器26与机载接收机21通过无线连接方式进行通信。遥控器26通过机载接收机21发出5-7路PWM信号，机载微控制器18检测到每个通道的PWM信号，并通过PID算法控制输出的4路PWM控制电动机转速实现飞行器的姿态控制和航线飞行，远程控制飞行器定位定高，且遥控器26遥控控制的优先级高于自动驾驶，可以实现安全可靠地控制飞行器完成探测任务。
自动驾驶控制中心包括地面微控制器22、上位机27，地面微控制器22采用STM32F103RBT6芯片，第一无线射频通信模块19和第二无线射频通信模块20均采用NRF24L01，地面微控制器22与上位机27电连接，并通过第一无线射频通信模块19和第二无线射频通信模块20与机载微控制器18进行无线通信、传送指令，实现自动驾驶，定点定高定位，同时上位机27实时监测飞行器飞行姿态和空气探测任务，并可发送规划位置指令通过第一无线射频通信模块19和第二无线射频通信模块20控制飞行器的飞行任务和探测任务。
参见图4，机载微控制器18的外围电路模块：机载微控制器18为STM32F103RBT6（U1），电源引脚1与电源相连，其他电源端口相应连接，其引脚12和13之间接2个电容滤波，引脚3和4之间连接时钟晶振，频率为32.768KHz，引脚60和28分别是BOOT0、BOOT1，为程序下载模式选择端口，用短路帽短接选择下载模式，引脚8、9、10、11、24为AD输入端口，连接遥控器接收机（P3）的输出信号CH1-CH5的PWM_IN1-PWM_IN5，引脚34、35、58、59定时器的输出端口，输出的4路PWM信号接电机电调组（P2）的电调信号入口，引脚44和45的USB接口与图4的USB接口连接，引脚42和43接到图5的PL2302的引脚1和5上。空气质量探测器模块（P4）的数字输出引脚2接到MCU的引脚20上，传送检测的空气质量数据。GPS传感器模块23的数据收发引脚2和3分别加到MCU的数据发收引脚17和16。
参见图5，姿态传测量单元电路：三轴陀螺仪15选用MPU6050芯片，时钟总线SCL和数据总线SDA分别连接图3中机载微控制器18的IIC的时钟和数据总线引脚PB6和PB7，内置有电子指南针（HMC5883L）的时钟总线SCL和数据总线SDA分别连接图4中MCU的IIC的时钟和数据总线引脚PB6和PB7。TTl转USB电平信号的PL2302连接按钮（BUTTON）。
参见图6，无线射频通信模块电路：nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片，工作模式有发送模式和接收模式。CE引脚1为使能发射或接收模式，微处理器19可通过以下引脚配置nRF24L01：CSN引脚2，SCK引脚3，MOSI引脚4，MISO引脚5。引脚9和10为晶振端口，外接16M晶振。引脚12和13连接电感构成天线，引脚16为参考电流输入端口。
参见图7，GPS传感器模块电路：由于卫星的位置为已知，首先测定地面某点A至卫星之间的距离，则A点是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。再测得A第三个卫星的距离，则可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置，从而得到A点定位。
参见图8，空气质量探测器模块：运放LM393的引脚2接探测器件的模拟输出端口，引脚3接变阻器RP，输出端引脚1接R3和C1构成比较器，把模拟输入转换成数字量输出，空气质量探测器成为兼有模拟量和数字量输出的探测器。
参见图9，电机执行模块：该模块输入端为机载微控制器18控制输出的PWM信号，UPE接受PWM信号，同时把12V直流电转换成三相交流电驱动，并控制电机转动或停止。
Claims (8)
1.基于四轴飞行器的空气质量探测器，包括四轴飞行器和控制系统，其特征在于，所述四轴飞行器包括成十字交叉的四个机械臂（3），交叉角度为90°，机械臂（3）的交叉点设有主机体（5），连接并固定四个机械臂（3），主机体（5）上方设有安放平台（1），主机体（5）内部设有机体腔（10），四个机械臂（3）的末端分别固定设有电机（6），电机（6）上安装有螺旋桨（4），并且所在一条直线上的两个螺旋桨（4）互为正反螺旋桨，机械臂（3）上固定设有旋桨罩（2），脚架（7）通过脚架固定头（8）固定安装在主机体（5）的下方，脚架（7）的一侧安装有摄像头云台（11），脚架（7）的下方设有电池（9）；所述控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，所述机载控制系统包括姿态测量单元、应用测量单元、机载微控制器（18），均固定设置在机体腔（10）内；所述地面控制系统包括手动控制单元和自动驾驶控制中心。
2.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的空气质量探测器，其特征在于，所述机体腔（10）内还设有GPS传感器模块（23）、空气质量探测器（24），机载微控制器（18）的输入端与GPS传感器模块（23）、空气质量探测器（24）的输出端电连接，所述GPS传感器模块（23）的天线设置在安放平台（1）上。
3.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的空气质量探测器，其特征在于，所述机体腔（10）内还设有GPS传感器模块（23）、空气质量探测器（24）、电机驱动电路（25），机载微控制器（18）的输入端与GPS传感器模块（23）、空气质量探测器（24）的输出端电连接，所述GPS传感器模块（23）的天线设置在安放平台（1）上，机载微控制器（18）与电机驱动电路（25）电连接受其控制，电机驱动电路（25）连接并驱动电机（6）。
4.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的空气质量探测器，其特征在于，所述姿态测量单元包括三轴陀螺仪（15）、三轴加速度计（16）和磁阻（17），分别通过其数据线SDA和时钟线SCL连接至机载微控制器（18）的IIC对应的SDA和SCL引脚。
5.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的空气质量探测器，其特征在于，所述应用测量单元包括数字摄像头（12）、气压计（13）、超声波传感器（14），数字摄像头（12）搭载在摄像头云台（11）上，并与机载微控制器（18）电连接，气压计（13）和超声波传感器（14）分别通过其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器（18）的IIC对应的数据SDA和时钟SCL引脚。
6.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的空气质量探测器，其特征在于，所述手动控制单元包括遥控器（26）和机载接收机（21），机载接收机（21）设置在机体腔（10）内，与机载微控制器（18）相连接，遥控器（26）与机载接收机（21）通过无线连接方式进行通信。
7.根据权利要求6所述的基于四轴飞行器的空气质量探测器，其特征在于，所述遥控器（26）遥控控制的优先级高于自动驾驶。
8.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的空气质量探测器，其特征在于，所述自动驾驶控制中心包括地面微控制器（22）、上位机（27），地面微控制器（22）与上位机（27）电连接，并通过第一无线射频通信模块（19）和第二无线射频通信模块（20）与机载微控制器（18）进行无线通信。
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