CN203338081U

CN203338081U - 一种基于探测搜救功能的四轴飞行器装置

Info

Publication number: CN203338081U
Application number: CN2012205904899U
Authority: CN
Inventors: 毛丽民; 许震; 徐本连; 刘同连; 孙世成; 李增增; 刘聪聪; 王玮
Original assignee: Changshu Institute of Technology
Current assignee: Changshu Institute of Technology
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2022-11-09

Abstract

本实用新型公开了一种基于探测搜救功能的四轴飞行器装置，洪水、飓风、地震等灾难过后，桥梁断裂，路面塌方时有发生，救援人员很难了解前方事故现场的情况，导致不能及时进入事故现场进行搜救，基于探测搜救功能的四轴飞行器，携带有摄像头，并能通过舵机调整视角，通过无线通信将采集的现场的信息传送回上位机，救援人员能根据传回的信息了解现场情况，做出及时准确的判断，为搜救工作带来极大的方便。

Description

一种基于探测搜救功能的四轴飞行器装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于探测搜救功能的四轴飞行器装置，属于机器人搜救领域。

背景技术

我国是世界上灾害，事故发出最多的国家之一，地震、洪水，塌方，以及各类人为事故，给人民生命财产安全造成极大的危害。过去的几年中，我国多灾并发，灾害强度大，影响范围广，人员伤亡多，城镇受灾重，民房倒塌和基础设施损毁严重。特别是汶川、青海玉树强震，甘肃舟曲特大山洪泥石流等数次重特大自然灾害，造成伤亡人数之多、给我国经济社会发展和人民生命财产安全带来严重影响。

洪水、飓风、地震等灾难过后，桥梁断裂，路面塌方时有发生，救援人员很难进入事故现场进行搜救，如何能及时有效的搜救到那些被困者就成了当务之急。调查表明，被困者受到生理和心理两方面的压力，会迅速崩溃于困难面前，失去求生的意志，尤其在缺水的环境下，所以我们要灾情过后做出迅速的救援行动，给予必要的医疗救助,争取救得每一个无辜的灾民，

而基于探测搜救功能的四轴飞行器，能进入到救援人员很难进入到的事故现场，携带有摄像头，并能通过无线通信将现场的具体情况传送到上位机，基于探测搜救功能的四轴飞行器,具有垂直起降、结构简单、操纵方便及机动灵活等特点，救援人员能根据传回的信息做出及时准确的判断，为搜救工作带来极大的方便。

实用新型内容

为了解决救援人员在受到有害物、山洪泥石流，塌方，道路不同等危险的情况下很难进入现场开展救援工作，具有探测搜救功能的四轴飞行器能代替救援人员深入事故现场，救援人员能通过传输回的信号查看现场的具体情况，使救援工作能及时有效的展开，能快速、准确的搜索到幸存者的任务，从而提高搜救效率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于探测搜救功能的四轴飞行器装置，由超声波定位系统、红外接收调控电路、单片机电路、惯性测量单元电路、电机、和视频采集设备组成，超声波定位电路、惯性测量单元电路、红外接收调控电路单片机和视频采集设备分别与单片机连接，单片机控制电机。

单片机电路PD5、PD2分别与超声波定位电路发射控制端，接收控制端相接，单片机电路PB0、PB1、PB2、PB3分别与无刷直流电机电路控制端相接，单片机电路PD1与红外接收调控电路相接，单片机电路PC2与惯性测量单元电路相接、单片机电路PA0、PA1、PA2、 PA3、PA4、PA5、PA6、PA7、PC0、PC1与视频采集电路连接。

本实用新型单片机电路由单片机U1、晶振Y1、电容C1-C3、电阻R1组成，电解电容C3负极和电阻R1的一端同接单片机U1的1脚，电解电容C3的正极接电源VCC，电阻R1的另一端接地，电容C1的一端和晶振Y1的一端接单片机U1的9脚，电容C2的一端和晶振Y1的另一端接单片机U1的10脚，电容C1、C2的另一端接地，单片机U1的7脚、20脚接VCC。单片机U1的22脚、8脚接地。

本实用新型超声波定位电路由六反相缓冲器CD4049、超声波专用接收芯片CX20106、电容C4-C7、电阻R2-R7和超声波发射器Q1、接收器Q2组成，单片机的PD5脚同接CD4049的3、9、11脚，CD4049的2脚同接CD4049的5、6脚，CD4049的4、7脚同接电阻R5一端，R5另一端接超声波发射器Q1一端，CD4049的10、12脚同接电阻R6一端，电阻R6另一端接超声波发射器Q1另一端，超声波接收器一端与CX20106的1脚相接，另一端接地，CX20106的2脚接电阻R7一端，R7另一端接电容C4一端，电容C4另一端接地，CX20106的3脚接电容C5一端，电容C5另一端接地，CX20106的4脚接地，CX20106的5脚电阻R2一端，电阻R2另一端接VCC，CX20106的6脚电容C6一端，电容C6另一端接地，CX20106的7脚同接电阻R3、R4一端，电阻R3另一端接VCC，电阻R4另一端接单片机的PD2脚，CX20106的8脚接地，电容C7一端接单片机的PD2脚，另一端接地。

本实用新型无刷直流电机电路由锂电池E、无刷电调DLG5A、无刷直流电机组成，DLG5A0的1脚接VCC、2脚接单片机PB0、3脚接地、4脚接锂电池负端、5脚接电机C相、6脚接电机B相、7脚接电机A相、8脚接锂电池正端。

本实用新型红外接收调控电路由红外接收头IC1、IC2锁相环集成电路LM567、电容C8-C11、电阻R8-R11组成，IC1的1端接地，2端接+5v电源，3端接电阻R8一端，电阻R8另一端接LM567的3脚。LM567的4脚接+5v电源，电阻R11一端接+5v电源、另一端接LM567的8脚，LM567的8脚接单片机的PD1端口作为输出信号，LM567的5脚接电阻R10一端，R10另一端接电阻R9一端，电阻R9另一端接LM567的6脚，电容C8一端接LM567的6脚，另一端接地，电容C11一端接LM567的2脚，另一端接地，电容C10一端接LM567的1脚，另一端接地，LM567的7脚接地。

本实用新型惯性测量单元电路由陀螺仪ENC03、电阻R12-R14、电容C12-C14，低功率放大器LM358AM组成，ENC03的3脚接3.3V电源，2脚接地，电容C14一端接ENC03的1脚，另一端接地，电容C13一端接ENC03的4脚，另一端同接电阻R12、LM358AM的3脚，电阻R12另一端接ENC03的1脚，电阻R13一端接ENC03的1脚，另一端接LM358AM 的2脚，电阻R14一端接LM358AM的2脚，另一端接LM358AM的1脚，电容C12一端接LM358AM的2脚，另一端接LM358AM的1脚，LM358AM的8脚接3.3V，LM358AM的8脚接地，LM358AM的1脚接单片机PC2端口。

本实用新型视频采集电路由芯片C3088、电阻R15、R16组成，C3088的1脚接单片机PA0，2脚接单片机PA1，3脚接单片机PA2，4脚接单片机PA3，5脚接单片机PA4，6脚接单片机PA5，7脚接单片机PA6，8脚接单片机PA7，9脚接地，10脚接地，14脚接PD3，15脚接地，16脚接PD4，17脚接地，18脚接PD2，20脚接VCC，21脚接地，22脚接VCC，电阻R15一端接地，另一端接C3088的11脚，电阻R16一端接地，另一端接C3088的13脚，C3088的11脚接单片机PC1，C3088的13脚接单片机PC0。.

附图说明

图1为本实用新型组成框架图。

图2为本实用新型的俯视图（1：处理器2：ISP3：电机驱动输出端4：4通道接收端5：ROL翻滚陀螺仪6：YAW航向陀螺仪7：PIT俯仰陀螺仪8：ROL电位器9：PIT电位器10：YAW电位器11：充电正极12：充电负极16：螺旋桨17：机架18：电机电调）。

图3为本实用新型的侧视图（1：处理器2：ISP3：电机驱动输出端6：YAW航向陀螺仪7：PIT俯仰陀螺仪10：YAW电位器13：摄像头14：锂电池15：支架16：螺旋桨17：机架18：电机电调19：电机20：舵机）。

图4为本实用新型的单片机电路图。

图5为本实用新型的超声波定位电路图。

图6为本实用新型的无刷直流电机电路图。

图7为本实用新型的红外接收调控电路图。

图8为本实用新型的惯性测量单元电路图。

图9为本实用新型的视频采集电路图。

具体实施方式

一种基于探测搜救功能的四轴飞行器装置，通过单片机电路实现整个系统的核心控制，使用惯性测量单元电路，检测四轴飞行器的飞行姿态，将检测信息返回单片机，单片机根据返回信息控制无刷电机的转速，调整四轴飞行器的飞行姿态，为使摄像头采集到的图像清晰，四轴飞行器需要贴近地面飞行，使用超声波定位，实现四轴飞行器与地面保持一定的距离，并能通过舵机，调整摄像头视角，使拍摄更加灵活，通过无线通信将采集的现场的信息传送回单片机，救援人员能根据传回的信息了解现场情况，做出及时准确的判断，为搜救工作带来极大的方便。

本实用新型的探测搜救功能的四轴飞行器，包括：单片机电路、超声波定位电路、无刷直流电机电路、红外接收调控电路、惯性测量单元电路、视频采集设备。单片机电路PD5、PD2分别与超声波定位电路发射控制端，接收控制端相接，单片机电路PB0、PB1、PB2、PB3分别与无刷直流电机电路控制端相接，单片机电路PD1与红外接收调控电路相接，单片机电路PC2与惯性测量单元电路相接、单片机电路PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7、PC0、PC1与视频采集电路连接。

图4为本实用新型的单片机电路图，图中单片机选用由ATMEL公司生产的ATmega168，是一款基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega168的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统功耗同时满足处理速度的需要。AVR单片机为本实例的核心，与其他各电路相连，实现整个系统的控制。

图5为本实用新型的超声波定位电路图，图中通过单片机PD5端口输出40KHz的方波经过反相器(所用芯片为六缓冲反相器CD4049)波形整理后，加在超声波转换器两端使其发射40KHz超声波。反相器提高了电路的驱动能力，保证超声波发射探头的输出功率，PD5端输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。超声波探头接收到的40KHz方波信号通过CX20106A进行滤波放大后输入单片机PD2端口，上拉电阻R2、R6一方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力。另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。CX20106A的第5脚的电阻决定接收的中心频率，200k的电阻决定了接收的中心频率为40KHz，当CX20106A接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，C7作为旁路电容，起稳压滤波的作用。

图6为本实用新型的无刷直流电机电路图，图中无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。可靠性高、无换向火花、机械噪声低。通过单片机PB0端口，实现对电机转速的控制，在电机起动的瞬间，电流很大，通过电调处理，实现软起动。

图7为本实用新型的红外接收调控电路图，图中LM567是一种锁相环集成电路，工作电压为+4·75～+9V，工作频率从直流到500KHz交流，静态电流约8mA。8脚为输出端，静态时为高电平，LM567的5、6脚外接的电阻（R9+R10）和电容C10、C8连地，形成滤波网络，IC1是红外接收头，接收红外发射器发射的38KHz的信号，接收信号经IC1解调后，在其输出端OUT输出频率为f1的方波信号，只要将LM567的中心频率f01调到（用R10）与发射端f1相同，即f01=f1，则当发射端发射时，LM567开始工作，8号脚由高电平变为低电平，而8号脚接到PD1作为红外信号输入。

图8为本实用新型的惯性测量单元电路图，图中ENC03D3端接3.3V电压，2端接地，1、4脚通过C13、C14滤波后产生电压差送至低功率放大器LM358AM的3、2脚，且LM358A的1、2接电阻C1形成电压跟随器，调整R14的大小即可。

图9为本实用新型的视频采集电路图，图中摄像头视频采集电路单独选用ATmega16单片机，单片机与C3088相连，单片机对C3088工作时序的控制可用IIC方式，而C3088采集到的图像可通过单片机的AD采样口送入单片机。

探测搜救功能的四轴飞行器上电后，首先初始化系统，即设置相应引脚的状态；然后进入传感器检测，检查超声波是否正常，陀螺仪是否正常，是否装反，若传感器正常，则进入主循环，进行视频采集，加载及调节参数，通过惯性单元调节飞行姿态使四轴处于水平状态，接着检测电池电压，若电压不足，则发出报警并人为降落，不然则进入无线命令接收环节，未收到命令飞行器则降落，收到命令则通过PID算法控制4个电机的转速，调节飞行姿态，最后再次循环到加载及调节参数环节。

Claims

1.一种基于探测搜救功能的四轴飞行器装置，其特征在于，由超声波定位系统、红外接收调控电路、单片机电路、惯性测量单元电路、电机、和视频采集设备组成，超声波定位电路、惯性测量单元电路、红外接收调控电路单片机和视频采集设备分别与单片机连接，单片机控制电机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单片机电路PD5、PD2分别与超声波定位电路发射控制端，接收控制端相接，单片机电路PB0、PB1、PB2、PB3分别与电机电路控制端相接，单片机电路PD1与红外接收调控电路相接，单片机电路PC2与惯性测量单元电路相接，单片机电路PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7、PC0、PC1分别与视频采集设备连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电机为无刷直流电机。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单片机电路由单片机U1、晶振Y1、电容C1-C3、电阻R1组成，其中电解电容C3负极和电阻R1的一端同接单片机U1的1脚，电解电容C3的正极接电源VCC，电阻R1的另一端接地，电容C1的一端和晶振Y1的一端接单片机U1的9脚，电容C2的一端和晶振Y1的另一端接单片机U1的10脚，电容C1、C2的另一端接地，单片机U1的7脚、20脚接VCC，单片机U1的22脚、8脚接地。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波定位系统由六反相缓冲器CD4049、超声波专用接收芯片CX20106、电容C4-C7、电阻R2-R7、超声波发射器Q1和接收器Q2组成，其中单片机的PD5脚同接CD4049的3、9、11脚，CD4049的2脚同接CD4049的5、6脚，CD4049的4、7脚同接电阻R5一端，R5另一端接超声波发射器Q1一端，CD4049的10、12脚同接电阻R6一端，电阻R6另一端接超声波发射器Q1另一端，超声波接收器一端与CX20106的1脚相接另一端接地，CX20106的2脚接电阻R7一端，R7另一端接电容C4一端，电容C4另一端接地，CX20106的3脚接电容C5一端，电容C5另一端接地，CX20106的4脚接地，CX20106的5脚接电阻R2一端，电阻R2另一端接VCC，CX20106的6脚接电容C6一端，电容C6另一端接地，CX20106的7脚同接电阻R3、R4一端，电阻R3另一端接VCC，电阻R4另一端接单片机的PD2脚，CX20106的8脚接地，电容C7一端接单片机的PD2脚另一端接地。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红外接收调控电路由红外接收头IC1、IC2锁相环集成电路LM567、电容C8-C11和电阻R8-R11组成；其中IC1的1端接地，2端接+5v电源，3端接电阻R8一端，电阻R8另一端接LM567的3脚；LM567的4脚接+5v电源，电阻R11一端接+5v电源、另一端接LM567的8脚，LM567的8脚接单片机的PD1端口作为输出信号，LM567的5脚接电阻R10一端，R10另一端接电阻R9一端，电阻R9另一端接LM567的6脚，电容C8一端接LM567的6脚，另一端接地，电容C11一端接LM567的2脚，另一端接地，电容C10一端接LM567的1脚，另一端接地，LM567的7脚接地。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述惯性测量单元电路由陀螺仪ENC03、电阻R12-R14、电容C12-C14和低功率放大器LM358AM组成，其中ENC03的3脚接3.3V电源，2脚接地，电容C14一端接ENC03的1脚，另一端接地，电容C13一端接ENC03的4脚，另一端同接电阻R12、LM358AM的3脚，电阻R12另一端接ENC03的1脚，电阻R13一端接ENC03的1脚，另一端接LM358AM的2脚，电阻R14一端接LM358AM的2脚，另一端接LM358AM的1脚，电容C12一端接LM358AM的2脚，另一端接LM358AM的1脚，LM358AM的8脚接3.3V，LM358AM的8脚接地，LM358AM的1脚接单片机PC2端口。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述视频采集设备由芯片C3088、电阻R15、R16组成，其中C3088的1脚接单片机PA0，2脚接单片机PA1，3脚接单片机PA2，4脚接单片机PA3，5脚接单片机PA4，6脚接单片机PA5，7脚接单片机PA6，8脚接单片机PA7，9脚接地，10脚接地，14脚接PD3，15脚接地，16脚接PD4，17脚接地，18脚接PD2，20脚接VCC，21脚接地，22脚接VCC，电阻R15一端接地，另一端接C3088的11脚，电阻R16一端接地，另一端接C3088的13脚，C3088的11脚接单片机PC1，C3088的13脚接单片机PC0。