智能儀器設(shè)計報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 設(shè)計課題名稱： 基于多軸飛行器的智能巡邏系統(tǒng) 設(shè) 計 人 姓 名： 郭煜淳 設(shè)計人所在班級： 物聯(lián)網(wǎng)1304 聯(lián) 系 電 話： E Mail： 設(shè) 計 時 間： 2015.11 江南大學物聯(lián)網(wǎng)學院2015年制專心-專注-專業(yè)一、 摘要摘要（不少于300字）：該系統(tǒng)以多軸飛行器為搭載平臺，搭載紅外攝像頭、熱釋電紅外傳感器、光敏電阻、超聲波傳感器和無線充電模塊等配件，來達到長時間自動/人工巡航、實時監(jiān)控的目的。多軸飛行器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、飛行穩(wěn)定性好等特點。因此可以應用在人無法到達的一些復雜環(huán)境之中。目前多旋翼飛行器已經(jīng)在很多行業(yè)比如航空拍攝、實時監(jiān)控、中得到了廣泛

2、的應用,并已經(jīng)形成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)。熱釋電紅外傳感器探測人體發(fā)出的紅外輻射,在有效范圍內(nèi)可實現(xiàn)運動人體檢測。具有低成本、低功耗和高靈敏度等特點,在人體檢測識別方面其具有巨大的優(yōu)勢。校園室外面積大，人工巡防難以面面俱到、存在死角，該系統(tǒng)靈活性好、單位時間巡防面積大、人體偵測靈敏度高，彌補了人工巡防的不足，甚至可以取代人工巡防。關(guān)鍵詞（用分號隔開，最多5個）多軸飛行器；監(jiān)控；二、 報告正文（一） 設(shè)計選題依據(jù)與研究內(nèi)容：1、 設(shè)計選題依據(jù)1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展動態(tài)這項研究的意義在于利用多軸飛行器靈活快速，體積小，熱釋電紅外傳感器靈敏度高等特點彌補人工巡防的不足，甚至取代人工巡防來節(jié)省人力成本。

3、目前國內(nèi)外對于多軸飛行器的研究正如火如荼，多軸飛行器已經(jīng)形成了一個產(chǎn)業(yè)，而熱釋電傳感器技術(shù)和超聲波測距技術(shù)早已成熟。我需要解決的是飛行器自動規(guī)避、飛行器自動降落充電以及系統(tǒng)的整合問題。1.2 有待解決的一些關(guān)鍵問題體積縮小電池容量不夠飛行器搭載穩(wěn)定性· 主要參考文獻：1 劉煥曄.  小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計D. 上海交通大學 20092 劉舒祺,施國梁.  基于熱釋電紅外傳感器的報警系統(tǒng)J. 國外電子元器件. 2005(03)3 劉芝福.  基于WiFi AP模式下的多軸

4、飛行器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計J. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2015(13)4 華成英,童詩白主編,清華大學電子學教研組編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 高等教育出版社, 20065 閻石主編,清華大學電子學教研組編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 高等教育出版社, 20066 史健芳主編.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)M. 電子工業(yè)出版社, 20127 王化祥,張淑英主編.傳感器原理及應用M. 天津大學出版社, 20148 李俊.  具有公共安全功能的四旋翼飛行器的研究D. 中國計量學院 20129 潘豐,徐穎秦主編.自動控制原理M. 機械工業(yè)出版社, 20102、 設(shè)計內(nèi)容、設(shè)

5、計目標，以及擬解決的關(guān)鍵問題2.1 設(shè)計目標長時間自動/人工巡航、自動充電、紅外實時監(jiān)控、夜間探照2.2 設(shè)計內(nèi)容紅外系統(tǒng)傳輸畫面檢測到人熱釋電紅外傳感器監(jiān)控室紅外攝像頭照明系統(tǒng)天黑探照燈光敏電阻搭載多軸系統(tǒng)電量小于臨界值無線充電站檢測距離多軸飛行器超聲波傳感器設(shè)計包括了紅外系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、多軸飛行器系統(tǒng)。紅外系統(tǒng)：熱釋電紅外傳感器、紅外攝像頭熱釋電紅外傳感器探測到人體，打開紅外攝像頭進行實時畫面?zhèn)鬏敗Ｕ彰飨到y(tǒng)：光敏電阻、探照燈光敏電阻因天黑阻值變大，三極管導通，探照燈打開。多軸飛行器系統(tǒng)：超聲波傳感器、無線充電模塊、多軸飛行器超聲波測距傳感器測距發(fā)送給飛行器控制系統(tǒng)進行規(guī)避，或者在自動降落無

6、線充電站時控制下降速度直到著陸。2.3 擬解決的關(guān)鍵問題多軸飛行器自動規(guī)避問題：多軸飛行器在自動巡航狀態(tài)下在樓宇間穿行面臨著碰撞的危險，利用超聲波測距傳感器來控制多軸飛行器的飛行速度，在臨界距離時懸停。多軸飛行器自動降落充電問題：當電量減少到臨界值時，多軸飛行器自動飛往無線充電站，利用超聲波測距傳感器控制多軸飛行器降落在無線充電站。紅外感應系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、多軸系統(tǒng)的整合問題：將三個系統(tǒng)整合到一塊PCB板上（甚至一個電路中）。3、 擬采取的設(shè)計方案及可行性分析多軸飛行器系統(tǒng)：采用現(xiàn)有的基于stm32的系統(tǒng)多軸飛行器可以采用現(xiàn)成的飛行器進行改動。電路圖如下：超聲波測距傳感器：采用KS109超聲波測

7、距模塊無人機在飛行過程中能否自動識別到飛行軌跡上的障礙物(固定、移動或突然出現(xiàn))，并且能及時的躲避，改變和調(diào)整飛行軌跡，這個是影響無人機安全運行的重要方面。這樣的系統(tǒng)被稱為自動避障系統(tǒng)”(Obstacle Avoidance)，屬于飛控子系統(tǒng)的重要組成部分之一。無人機系統(tǒng)主要由飛控子系統(tǒng)、舵機云臺及視頻子系統(tǒng)、以及地面遙控子系統(tǒng)組成。飛控子系統(tǒng)又稱為飛行管理與控制系統(tǒng)，相當于無人機系統(tǒng)的“心臟”部分，對無人機的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實時性等都有重要影響，對無人機飛行性能起著決定性的作用。舵機云臺及視頻子系統(tǒng)主要用于對相機(可以用于航拍、地理測繪等多種用途)的控制(包括360度旋轉(zhuǎn)方

8、位控制及俯視角度控制)、圖像數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取６孛孢b控器主要用于向飛控系統(tǒng)發(fā)送控制指令、接收無人機的飛行狀態(tài)信息及接收圖像數(shù)據(jù)。目前主流的無人機避障系統(tǒng)主要有三種，超聲波雷達、TOF測距、以及相對更復雜的、由多種測距方法和視覺圖像處理組成的復合型避障系統(tǒng)。超聲波測距超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(S)，即：S=340t/2 。這就是時間差

9、測距法。超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。無人機上飛控系統(tǒng)即可。加裝定向的超聲波發(fā)射和接收器，由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在飛行器的研制上也得到了廣泛的應用。 為了使飛行器能自動避障，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。）超聲波測距系統(tǒng)，就是為飛行器了解其前方、左側(cè)

10、和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。  超聲波測距原理 1、 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 2、壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個壓電晶片和

11、一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 3、超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2  圖1 超聲波

12、傳感器結(jié)構(gòu) 這就是所謂的時間差測距法。 三、 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計  圖2 超聲波測距電路原理圖 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用8751，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有4K的ROM，便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同，故省略之。紅外系統(tǒng)：采用D203B熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器采用國內(nèi)外最流行的PIR人體熱釋電傳感器作信號探測器，靈敏度高，探測距離可達10米以上，其俯視角可達86°，水平視角可達120°。

13、因它僅對人體釋放的、特定波長的紅外光最敏感，因而誤動作極小。當有人在其探測區(qū)域內(nèi)以0.33Hz的頻率活動時，PIR探頭就能感生出微弱的電信號，經(jīng)U1-1、U1-2兩級放大后，從U1(7)腳輸出0.55.5V的強信號。D4、D5、R12R15及U1-3組成雙門限比較器，因PIR感生的信號電壓可正可負，故U1(7)腳輸出的電壓亦可正可負(對中心電壓3V而言)。當其輸出的電壓達到4.1V以上時，通過D4施加于U1(10)腳的電壓高于(9)腳的電壓(3.3V)，使U1(8)腳輸出高電位;而當U1(7)腳輸出的電位低于2V時，則U1(9)腳的電壓將通過D2下降至2.7V以下，U1(8)腳也輸出高電位。平

14、時無信號時，由于U1(9)腳的電位3.3V高于(10)腳(2.7V)，故(8)腳無輸出。當PIR接收到信號時，(8)腳就一定輸出高電位，通過D6、R17給C9充電，使U1(12)腳電位高于(13)腳，其(14)腳輸出高電位觸發(fā)雙向可控硅導通，點亮電燈。由于C8所儲電能通過R19、RW2放電需時約2分鐘，故在此2分鐘內(nèi)燈一直亮著。當C9上的電壓低于(13)腳電壓(1V)時，(14)腳無輸出，可控硅關(guān)閉，燈自動熄滅。光敏電阻CDS及三極管Q1等組成光控電路，白天因光敏電阻的阻值很小(10K以下)，三極管Q1飽和導通，將U1(8)腳鉗位至0.3V左右，故無論有無感應信號，可控硅均不能導通，燈不能點亮

15、;到了夜晚，因光敏電阻的阻值變大到幾兆歐，三極管Q1截止，U1(8)腳不再受其鉗位，一旦PIR接收到信號，(8)腳就立即輸出高電平，使可控硅導通，將燈點亮。無線充電：1 無線充電器原理與結(jié)構(gòu)無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電。經(jīng)過電源管理模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電。2 發(fā)射電路模塊如圖3，主振電路采用2 MHz有源晶振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經(jīng)過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)三極管13003及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出至線圈與電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去為接收部分提供能量。測得與電容組成的并聯(lián)諧振回路的空芯耦合線圈的線徑為O5 mm，直徑為7 cm，電感為47 uH，載波頻率為2 MHz。根據(jù)并聯(lián)諧振公式得匹配電容C約為140 pF。因而