智能儀器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 設(shè)計(jì)課題名稱： 基于多軸飛行器的智能巡邏系統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 人 姓 名： 郭煜淳 設(shè)計(jì)人所在班級(jí)： 物聯(lián)網(wǎng)1304 聯(lián) 系 電 話： E Mail： 設(shè) 計(jì) 時(shí) 間： 2015.11 江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)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(tái)，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(dá)到長時(shí)間自動(dòng)/人工巡航、實(shí)時(shí)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(diǎn)。因此可以應(yīng)用在人無法到達(dá)的一些復(fù)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(shí)時(shí)監(jiān)控、中得到了廣泛

2、的應(yīng)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)人體檢測。具有低成本、低功耗和高靈敏度等特點(diǎn),在人體檢測識(shí)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(shí)間巡防面積大、人體偵測靈敏度高，彌補(bǔ)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(hào)隔開，最多5個(gè)）多軸飛行器；監(jiān)控；二、 報(bào)告正文（一） 設(shè)計(jì)選題依據(jù)與研究內(nèi)容：1、 設(shè)計(jì)選題依據(jù)1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展動(dòng)態(tài)這項(xiàng)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(diǎn)彌補(bǔ)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(duì)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(gè)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(dòng)規(guī)避、飛行器自動(dòng)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(xiàn)：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(jì)D. 上海交通大學(xué) 20092 劉舒祺,施國梁.  基于熱釋電紅外傳感器的報(bào)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(jì)J. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2015(13)4 華成英,童詩白主編,清華大學(xué)電子學(xué)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(xué)電子學(xué)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(jì)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(yīng)用M. 天津大學(xué)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(jì)量學(xué)院 20129 潘豐,徐穎秦主編.自動(dòng)控制原理M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 20102、 設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)

5、計(jì)目標(biāo)，以及擬解決的關(guān)鍵問題2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)長時(shí)間自動(dòng)/人工巡航、自動(dòng)充電、紅外實(shí)時(shí)監(jiān)控、夜間探照2.2 設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏?。照明系統(tǒng)：光敏電阻、探照燈光敏電阻因天黑阻值變大，三極管導(dǎo)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(jìn)行規(guī)避，或者在自動(dòng)降落無

6、線充電站時(shí)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(dòng)規(guī)避問題：多軸飛行器在自動(dòng)巡航狀態(tài)下在樓宇間穿行面臨著碰撞的危險(xiǎn)，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(shí)懸停。多軸飛行器自動(dòng)降落充電問題：當(dāng)電量減少到臨界值時(shí)，多軸飛行器自動(dòng)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(yīng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、多軸系統(tǒng)的整合問題：將三個(gè)系統(tǒng)整合到一塊PCB板上（甚至一個(gè)電路中）。3、 擬采取的設(shè)計(jì)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(jìn)行改動(dòng)。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(jī)在飛行過程中能否自動(dòng)識(shí)別到飛行軌跡上的障礙物(固定、移動(dòng)或突然出現(xiàn))，并且能及時(shí)的躲避，改變和調(diào)整飛行軌跡，這個(gè)是影響無人機(jī)安全運(yùn)行的重要方面。這樣的系統(tǒng)被稱為自動(dòng)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(jī)系統(tǒng)主要由飛控子系統(tǒng)、舵機(jī)云臺(tái)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(dāng)于無人機(jī)系統(tǒng)的“心臟”部分，對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實(shí)時(shí)性等都有重要影響，對(duì)無人機(jī)飛行性能起著決定性的作用。舵機(jī)云臺(tái)及視頻子系統(tǒng)主要用于對(duì)相機(jī)(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)?。而地面遙控器主要用于向飛控系統(tǒng)發(fā)送控制指令、接收無人機(jī)的飛行狀態(tài)信息及接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。目前主流的無人機(jī)避障系統(tǒng)主要有三種，超聲波雷達(dá)、TOF測距、以及相對(duì)更復(fù)雜的、由多種測距方法和視覺圖像處理組成的復(fù)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(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(S)，即：S=340t/2 。這就是時(shí)間差

9、測距法。超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。無人機(jī)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(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，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(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在飛行器的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 為了使飛行器能自動(dòng)避障，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時(shí)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(gè)運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jī)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(dòng)型等；機(jī)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(shí)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(gè)壓電晶片和

11、一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)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(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)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(shí)間差測距法。 三、 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)  圖2 超聲波測距電路原理圖 本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用8751，經(jīng)濟(jì)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(hào)探測器，靈敏度高，探測距離可達(dá)10米以上，其俯視角可達(dá)86°，水平視角可達(dá)120°。

13、因它僅對(duì)人體釋放的、特定波長的紅外光最敏感，因而誤動(dòng)作極小。當(dāng)有人在其探測區(qū)域內(nèi)以0.33Hz的頻率活動(dòng)時(shí)，PIR探頭就能感生出微弱的電信號(hào)，經(jīng)U1-1、U1-2兩級(jí)放大后，從U1(7)腳輸出0.55.5V的強(qiáng)信號(hào)。D4、D5、R12R15及U1-3組成雙門限比較器，因PIR感生的信號(hào)電壓可正可負(fù)，故U1(7)腳輸出的電壓亦可正可負(fù)(對(duì)中心電壓3V而言)。當(dāng)其輸出的電壓達(dá)到4.1V以上時(shí)，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(dāng)U1(7)腳輸出的電位低于2V時(shí)，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(shí)無信號(hào)時(shí)，由于U1(9)腳的電位3.3V高于(10)腳(2.7V)，故(8)腳無輸出。當(dāng)PIR接收到信號(hào)時(shí)，(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(dǎo)通，點(diǎn)亮電燈。由于C8所儲(chǔ)電能通過R19、RW2放電需時(shí)約2分鐘，故在此2分鐘內(nèi)燈一直亮著。當(dāng)C9上的電壓低于(13)腳電壓(1V)時(shí)，(14)腳無輸出，可控硅關(guān)閉，燈自動(dòng)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(dǎo)通，將U1(8)腳鉗位至0.3V左右，故無論有無感應(yīng)信號(hào)，可控硅均不能導(dǎo)通，燈不能點(diǎn)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(hào)，(8)腳就立即輸出高電平，使可控硅導(dǎo)通，將燈點(diǎn)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(yīng)原理，通過線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)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(jí)繞組。通過2個(gè)電感線圈耦合能量，次級(jí)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