CN107976591A - 一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统 - Google Patents

Abstract

一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统，包括：线圈传感器，信号调理电路、三轴陀螺仪模块、GPS模块以及单片机，线圈传感器采集电磁噪声；信号调理电路，接收线圈传感器的采集信号，对信号处理，传输至单片机；三轴陀螺仪模块，接受单片机的控制，采集天线三个方向的加速度和角速度；GPS模块，接受单片机的控制，实时地接收GPS空间卫星发出的信号，确定采样发生时采样点的位置；单片机发出控制信号，接收信号调理电路输出的电磁噪声信号，转化为数字信号，接收对GPS模块的信息进行处理，采集三轴陀螺仪的天线摆动的角度。本发明采集系统优点减小了系统的电磁噪声，将线圈固定在无人机上进行数据采集，提高了定位精度。

Description

一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统

技术领域

本发明属于多旋翼飞行器技术研究领域，特别涉及一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统。

背景技术

随着核磁共振找水技术的不断完善，对噪声等级的要求越来越高，由于核磁共振的信号十分微弱，特别容易被工作环境的电磁噪声所干扰，对测量系统装置的精度要求提高，提高了测量时的压力。多旋翼飞行系统的空间噪声采集装置，无人机携带着电磁噪声采集系统进行数据采集并存储起来，再通过计算机读取和分析，为野外核磁共振仪器的使用提供了很大便利。

CN103983474A公开了一种水质采样多旋飞行器，提供了一种解决江河、湖泊、浅海等远离岸边人工不易进行水质采样的问题的水质采样多旋翼飞行器。它包括自身装载有自驾仪系统和取水系统。自驾仪系统主要用于保证水质采样多旋翼飞行器的稳定性和精确性，取水系统主要完成水质采样任务。自驾仪系统进一步由传感系统、微处理器、动力系统构成。惯性导航传感器由陀螺仪和加速度计组成，加速度计经过长时间测量后数据将变得准确，陀螺仪的测量结果与加速度计效果相反，故将两者结合起来使用完成对水质数据进行分析和计算。微处理器接受传感系统的数据并做相应处理，确定水质采样多旋翼飞行器的飞行姿态、飞机位置及方向、最终实现飞行器的稳定飞行。这种方法比较精确，实现了人工遥控、自主导航多旋翼飞行器成功返回的功能，但是这种只能采集浅水域的样本，并且体积庞大，操作不方便。

CN204895851U公开了一种低噪音多旋翼无人机，解决了现有多旋翼无人机噪声大、噪声污染的问题。这种无人机包括机架及与其固定连接的连接架，连接架末端安装有电机，还包括第一旋翼及转动频率大于第一旋翼的第二旋翼，这两个旋翼分别与两个电机的输出轴固定链接。其相邻连接架之间的夹角为45度或135度，按准时针/逆时针方向，旋翼的长度逐渐减小，旋翼的厚度逐渐增加，从无人机旋翼规格的角度出发，使相邻或者相对的旋翼之间具有不同的长度、厚度、宽度等参数，这样就避免了旋翼之间共振现象的产生，极大地降低了多旋翼无人机产生的噪声，但是由于这种无人机这种机架及与其固定链接的连接架结构的复杂性，使整个装置的体积特别庞大，给测量工作增大了工作时的功耗。

CN105509874A公开了一种飞行器的环境噪声探测方法，提供了一种基于飞行器的环境噪声探测定位方法，该方法包括远程图像监控，获取实时的位置信息，获取环境噪声数据，声信号预处理，求得噪声源方位角及俯仰角，计算多旋翼飞行器与噪声源的距离，判断噪声源噪声是否超标以及拍照取证。其GPS定位模块测试出飞行器的坐标，通过飞行控制平台的气压计获取飞行器的高度，将坐标和高度传给微处理器，从而获得飞行器的实时位置信息，这种噪声探测方法实现了实时获取信息，精度较高，还可以控制平台的微处理器调整视频图像采集模块角度，对噪声源进行拍照取证。

虽然上述现有技术可于处理和探测噪声，但多用于海洋和低空的领域，由于地下水资源探测噪声处理的特殊性，有用信号比较微弱，常常淹没在无用的噪声中，无法得到比较纯净的信号，达不到理想的信噪比，而且现有的对核磁共振都是需要工人携带着仪器进行测量，如果遇到地形不好的地方，操作起来非常不方便。

发明内容

为了解决现有技术中下水资源探测噪声采集的技术问题，本发明提供一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统，包括：线圈传感器，信号调理电路、三轴陀螺仪模块、GPS模块以及单片机，其中：

线圈传感器，将传感器电路架设在PCB电路板上，采用PCB走线的方式来采集电磁噪声信号；

信号调理电路，接收线圈传感器的采集电磁噪声信号，对电磁噪声信号进行处理，传输至所述单片机；

三轴陀螺仪模块，接受单片机的控制，采集天线三个方向的加速度和速度得到天线摆动的角度；

GPS模块，接受单片机的控制，实时地接收GPS空间卫星发出的信号，确定采样发生时采样点的位置；

单片机，发出控制信号，接收所述信号调理电路输出的电磁噪声信号，转化为数字信号，接收对GPS模块的信息进行处理，对信号进行判断，当信息被判断有效后采集所需要的信息，控制三轴陀螺仪解除休眠状态，采集三轴陀螺仪的天线摆动的角度，通过所述电磁噪声信号与天线摆动的角度确定噪声强度。

进一步，所述系统上电后进行的初始化，初始化成功后，所述单片机开始进入主函数，对串口进行初始化，三轴陀螺仪模块解除休眠状态，当有按键按下时，单片机通过I²C采集三轴陀螺仪模块的信息，根据已存命令执行相应的操作，提取信息。

进一步，所述对串口进行初始化前包括：单片机接收到初始化成功的反馈信息后，设置通信子串口并调用相应的通信协议来传输数据，并对GPS模块的信息进行接收和处理，当信息被判断有效后采集所需要的信息。

进一步，所述单片机判断当有按键按下时，调用FAT32文件，将采集到的数据写入与单片机连接的存储模块中。

进一步，所述存储模块采用SD卡，其中：单片机的SD管脚连接SD卡的SD_CS管脚，用来控制SD卡的读写，SD卡的MOSI引脚连接单片机SPI总线的MOSI管脚，单片机SPI总线的MISO管脚连接SD卡的MISO管脚，SD卡的SCK引脚连接单片机SPI总线的SCK端。

进一步，所述GPS模块通过串口发送数据，单片机通过UART数据总线采集GPS模块发送的数据，GPS模块的RX端为UART数据接收引脚，GPS模块的TX端为UART数据发送引脚，分别接到单片机的I/O口。

进一步，所述GPS模块通过串口发送数据，当单片机接收到一条完整的GPS信息后，对这组数据进行分析；如果这条信息为有效信息，则将此信息存储到外部Flash并进行数据处理和提取，所述信息包括时间、海拔、经度和维度。

本发明的有益效果：

本发明噪声采集系统不需要人工手持着仪器去测量，采用将线圈固定在无人机上进行数据采集，采用GPS模块定位精度提高到了0.5米之内。

本发明噪声采集系统采用体积轻便的PCB线圈来代替原有笨重的线圈，减小了系统的电磁噪声。

本发明噪声采集系统采用新型采集传感器进行电磁噪声的采集，这与常规线圈装置相比，具有体积小、重量轻，续航时间长，噪声采集动态范围高于80dB的优点。

本发明噪声采集系统采用低噪声的双级运算放大器易于控制放大倍数。

本发明噪声采集系统采用MSP430单片机作为中央处理器，这考虑到空间噪声采集系统的工作环境需要、飞行器的续航时间和载重量的限制，从而保证了整个硬件电路设计和软件架构的体积小、重量轻、低功耗的设计思路。

附图说明

图1为本发明噪声采集系统的模块框图；

图2为本发明噪声采集系统的信号调理电路中第一二级放大电路电路图；

图3为本发明噪声采集系统中存储模块的工作流程；

图4为本发明噪声采集系统GPS模块的信号采集存储工作流程；

图5为本发明噪声采集系统的三轴陀螺仪模块的信号采集存储工作流程

图6为本发明噪声采集系统的单片机存储数据工作流程；

图7为本发明噪声采集系统的电脑软件数据处理流程；

图8为本发明噪声采集系统中三轴陀螺仪模块电路图；

图9为本发明噪声采集系统中数据存储模块电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集装置，包括：线圈传感器、信号调理电路、三轴陀螺仪模块、GPS模块、单片机、供电电路以及存储模块，其中：线圈传感器采集电磁噪声的采集信号调理电路，接收线圈传感器的采集电磁噪声信号，对电磁噪声信号进行处理，传输至所述单片机；三轴陀螺仪模块，接受单片机的控制，采集天线三个方向的加速度和速度得到天线摆动的角度；接受单片机的控制，实时地接收GPS空间卫星发出的信号，确定采样发生时采样点的位置；单片机，发出控制信号，接收所述信号调理电路输出的电磁噪声信号，转化为数字信号，接收对GPS模块的信息进行处理，对信号进行判断，当信息被判断有效后采集所需要的信息，控制三轴陀螺仪解除休眠状态，采集三轴陀螺仪的天线摆动的角度，通过所述电磁噪声信号与天线摆动的角度确定噪声强度；所述存储模块，连接所述单片机的输出端，由所述单片机对单片机中的数据进行存储；供电电路为采集装置提供电源，供电电压为5V。

本实施例中单片机采用MSP430单片机，接收到调节后的电磁噪声信号后采用A/D数模转换将模拟噪声信号转换为数字信号；接收到初始化成功的反馈信息后，设置通信子串口并调用相应的通信协议来传输数据，并对GPS信息进行接收和处理，当GPS信息判断为有效后采集所需要的信息，将GPS模块采集的时间、海拔、经度和纬度存储到存储模块中；接收三轴陀螺仪模块采集的天线摆动的角度信号，通过电磁噪声信号与天线摆动的角度确定噪声强度。

三轴陀螺仪模块，参见图8，采用MPU6050芯片，对串口进行初始化，对三轴陀螺仪解除休眠状态，通过单片机的I²C传输模块采集三轴陀螺仪模块的数据，将三轴陀螺仪模块采集的三个方向的加速度和速度存储到存储模块中；判断当有按键按下时，调用FAT32文件系统，将采集到的数据信息写入存储模块中；将三轴陀螺仪模块采集的三个方向的加速度和角速度存储到存储模块卡中，其数据存储格式入下表1所示。

表1:

加速度	Acc：	X＝-0.023g	Y＝0.016g	Z＝-1.123g
					角速度	Gyro：	X＝-4.028deg/s	Y＝1.709deg/s	Z＝-1.587deg/s

GPS模块通过串口发送数据，上电后GPS进入冷启动状态，经过两分钟后开始正常工作，单片机通过UART数据总线采集GPS模块发送的数据，GPS模块的RX端为UART数据接收引脚，GPS模块的TX端为UART数据发送引脚，分别接到单片机的I/O口；当单片机接收到一条完整的GPS信息后，对这组数据进行分析；如果这条信息为有效信息，则将此信息存储到外部Flash并进行数据处理和提取，信息包括时间、海拔、经度和纬度；存储GPS模块采集的时间、海拔、经度和纬度，GPS数据在SD卡的存储格式如下表2所示：

表2:

信号调理电路主要是对电压进行放大，本实施例中采用低噪声运算放大器采用第一级放大电路和第二级放大电路进行放大，参见图2，第一级放大电路U3选用低功耗、低失真的INA163芯片，INA163芯片采用三个运算放大器，通过其中两个运算放大器的两个输入端管脚4和管脚5与线圈连接，输入端管脚3与管脚12之间连接电阻R10，然后分别接地，两个运算放大器的输出端接入另一运算放大器的的输入端，其输出端管脚9连接第二级放大电路，第二级放大电路U4采用更为精密的运算放大器OPA177芯片，其管脚3连接电阻R2后连接运算放大器的输入端，其管脚2连接电阻R1后连接运算放大器的输入端，输出端管脚6连接AD数模转换器；第一级放大倍数为第二级放大倍数为总放大倍数为G＝G₁×G₂。这样可以使反馈电路达到很宽的带宽和良好的动态响应，整个装置提高工作效率，由于芯片本身的噪声，则可以大大减少放大电路的噪声干扰，反馈电路又电阻构成，更容易控制其放大倍数。

线圈传感器采用PCB走线的方式制作一个线圈，并采用印刷电路板制作，本实施例中采用50匝的线圈的PCB电路板图，这种线圈节约了空间，大大减少了传感器的质量和体积，抗干扰能力增强，在实际应用中便于携带到无人机上，使整个装置的稳定性提高。

存储模块采用SD卡，单片机调用FAT32文件系统，将采集到的数据写入SD卡中，参见图9，单片机的片选SD管脚链接SD卡的SD_CS管脚，用来控制SD卡的读写。当SD_CS为低电平时，单片机才可以对SD卡进行读写；SD卡的MOSI引脚连接单片机SPI总线的MOSI管脚，用来读取SD卡内的数据，单片机SPI总线的MISO管脚连接SD卡的MISO管脚，单片机通过MISO管脚向SD卡内写入数据；SD卡的SCK引脚连接单片机SPI总线的SCK端。

本发明一种多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统的工作过程供电电路提供5V供电电压，每隔0.5秒采集一次数据；接通电源后，首先对GPS模块、三轴陀螺仪模块、存储模块进行初始化，线圈传感器将采集到的电磁噪声经过信号调理电路进行放大之后传送到单片机中，通过AD数模转换器将电磁噪声信号转化为数字信号，再通过单片机的UART数据总线采集GPS模块传输的数据，通过单片机的I²C传输模块采集三轴陀螺仪模块的数据，单片机控制将采集到的数据写入存储模块中。

本发明采集系统的存储模块的工作流程参见图3，上电之后，首先系统初始化，各个模块进入工作状态，进行各个模块初始化，之后，系统读取内部Flash的已存命令，根据命令配置I/O口，串口初始化(恢复单片机断电以前的状态)接着进入主循环，当有按键按下时，单片机采集并处理数据，数据有效后，单片机调用FAT32的文件系统，将采集到的数据写入存储模块，没有按键按下时，系统继续串口初始化状态。

系统完成初始化后，本系统的GPS模块的信号采集存储工作流程参加图4，系统初始化，单片机开始进入主函数，GPS模块初始化，GPS模块通过串口发送数据，检测是否有按键按下，如果有按键按下，单片机通过UART数据总线来采集GPS发送的数据，判断是否为一条完整GPS信息，如果接收到一条完整的GPS信息后，对这组数据进行分析，如果这条信息为有效信息，则将此GPS信息存储到外部Flash并进行数据处理和提取，提取所需要采集的：时间、海拔、经度和维度，然后将提取到的有用信息存储到SD卡中，如果不是一条完整的GPS信息返回，重新进行采集。

系统完成初始化后，本系统的三轴陀螺仪模块的信号采集存储工作流程参加图5，系统初始化后，三轴陀螺仪模块进行初始化，单片机开始进入主函数，当有按键按下时，三轴陀螺仪解除休眠状态，单片机通过I²C采集三轴陀螺仪的信息，并且根据已存命令执行相应的操作，提取我们需要的信息：三个方向的加速度和速度。然后将提取到的信息存储到存储模块中。

系统完成初始化后，本系统的单片机存储数据工作流程参见附图6。单片机开始进入主函数，单片机调用FAT32文件系统，当有按键按下时，单片机将采集到的数据写入SD卡中。数据采集后，可以使用读卡器将存储到SD卡中的数据从电脑上读取出来。写入SD卡的数据有：时间、海拔、经度、纬度、三个方向的加速度、三个方向的速度、电磁噪声幅度。

存储模块SD卡存储数据后，通过读卡器插入电脑，电脑软件数据处理流程参见图7；在计算机读出SD卡存储的数据后，打开txt文件，创建一个新的txt文件，判断是否为文件末尾，如果不是重新判断文件末尾，如果是文件末尾继续从文件读行，判断首字符，是否为数字，如果不是数字重新判断首字符，如果是数字将数字存入新建的txt文件，画出空间噪声分布图，飞行轨迹图和天线摆动情况。进而清楚地观察空间电磁噪声的分布情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明所作的等同变化与修饰，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轻便式多旋翼飞行系统的空间噪声采集系统，其特征在于，包括：线圈传感器，信号调理电路、三轴陀螺仪模块、GPS模块以及单片机，其中：

线圈传感器，将传感器电路架设在PCB电路板上，采用PCB走线的方式来采集电磁噪声信号；

信号调理电路，接收线圈传感器的采集电磁噪声信号，对电磁噪声信号进行处理，传输至所述单片机；

三轴陀螺仪模块，接受单片机的控制，采集天线三个方向的加速度和速度得到天线摆动的角度；

GPS模块，接受单片机的控制，实时地接收GPS空间卫星发出的信号，确定采样发生时采样点的位置；

单片机，发出控制信号，接收所述信号调理电路输出的电磁噪声信号，转化为数字信号，对GPS模块的信息进行处理，对信号进行判断，当信息被判断有效后采集所需要的信息，控制三轴陀螺仪解除休眠状态，采集三轴陀螺仪的天线摆动的角度，通过所述电磁噪声信号与天线摆动的角度确定噪声强度。

2.根据权利要求1所述的噪声采集系统，其特征在于，所述系统上电后进行初始化，初始化成功后，所述单片机开始进入主函数，对串口进行初始化，三轴陀螺仪模块解除休眠状态，当有按键按下时，单片机通过I²C采集三轴陀螺仪模块的信息，根据已存命令执行相应的操作，提取信息。

3.根据权利要求2所述的噪声采集系统，其特征在于，所述对串口进行初始化前包括：单片机接收到初始化成功的反馈信息后，设置通信子串口并调用相应的通信协议来传输数据，并对GPS模块的信息进行接收和处理，当信息被判断有效后采集所需要的信息。

4.根据权利要求2所述的噪声采集系统，其特征在于，所述单片机判断当有按键按下时，调用FAT32文件，将采集到的数据写入与单片机连接的存储模块中。

5.根据权利要求4所述的噪声采集系统，其特征在于，所述存储模块采用SD卡，其中：单片机的SD管脚连接SD卡的SD_CS管脚，用来控制SD卡的读写，SD卡的MOSI引脚连接单片机SPI总线的MOSI管脚，单片机SPI总线的MISO管脚连接SD卡的MISO管脚，SD卡的SCK引脚连接单片机SPI总线的SCK端。

6.根据权利要求1所述的噪声采集系统，其特征在于，所述GPS模块通过串口发送数据，单片机通过UART数据总线采集GPS模块发送的数据，GPS模块的RX端为UART数据接收引脚，GPS模块的TX端为UART数据发送引脚，分别接到单片机的I/O口。

7.根据权利要求6所述的噪声采集系统，其特征在于，所述GPS模块通过串口发送数据，当单片机接收到一条完整的GPS信息后，对这组数据进行分析；如果这条信息为有效信息，则将此信息存储到外部Flash并进行数据处理和提取，所述信息包括时间、海拔、经度和维度。