智能仪器设计报告

1设计课题名称：基于多轴飞行器的智能巡逻系统设计人姓名：郭煜淳设计人所在班级：物联网1304联系电话：[phone]E－Mail：[e-mail]设计时间：2015.11江南大学物联网学院2015年制2一、摘要摘要（不少于300字）：该系统以多轴飞行器为搭载平台，搭载红外摄像头、热释电红外传感器、光敏电阻、超声波传感器和无线充电模块等配件，来达到长时间自动/人工巡航、实时监控的目的。多轴飞行器具有成本低、结构简单、飞行稳定性好等特点。因此可以应用在人无法到达的一些复杂环境之中。目前多旋翼飞行器已经在很多行业比如航空拍摄、实时监控、中得到了广泛的应用,并已经形成了相关产业。热释电红外传感器探测人体发出的红外辐射,在有效范围内可实现运动人体检测。具有低成本、低功耗和高灵敏度等特点,在人体检测识别方面其具有巨大的优势。校园室外面积大，人工巡防难以面面俱到、存在死角，该系统灵活性好、单位时间巡防面积大、人体侦测灵敏度高，弥补了人工巡防的不足，甚至可以取代人工巡防。关键词（用分号隔开，最多5个）多轴飞行器；监控；二、报告正文（一）设计选题依据与研究内容：1、设计选题依据1.1国内外研究现状分析及发展动态这项研究的意义在于利用多轴飞行器灵活快速，体积小，热释电红外传感器灵敏度高等特点弥补人工巡防的不足，甚至取代人工巡防来节省人力成本。目前国内外对于多轴飞行器的研究正如火如荼，多轴飞行器已经形成了一个产业，而热释电传感器技术和超声波测距技术早已成熟。我需要解决的是飞行器自动规避、飞行器自动降落充电以及系统的整合问题。1.2有待解决的一些关键问题体积缩小电池容量不够飞行器搭载稳定性主要参考文献：[1]刘焕晔.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[D].上海交通大学2009[2]刘舒祺,施国梁.基于热释电红外传感器的报警系统[J].国外电子元器件.2005(03)[3]刘芝福.基于WiFiAP模式下的多轴飞行器数据传输系统设计[J].现代电子技术.2015(13)[4]华成英,童诗白主编,清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2006[5]阎石主编,清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础[M].高等教育出版社,2006[6]史健芳主编.智能仪器设计基础[M].电子工业出版社,2012[7]王化祥,张淑英主编.传感器原理及应用[M].天津大学出版社,20143[8]李俊.具有公共安全功能的四旋翼飞行器的研究[D].中国计量学院2012[9]潘丰,徐颖秦主编.自动控制原理[M].机械工业出版社,201042、设计内容、设计目标，以及拟解决的关键问题2.1设计目标长时间自动/人工巡航、自动充电、红外实时监控、夜间探照2.2设计内容设计包括了红外系统、照明系统、多轴飞行器系统。红外系统：热释电红外传感器、红外摄像头热释电红外传感器探测到人体，打开红外摄像头进行实时画面传输。照明系统：光敏电阻、探照灯光敏电阻因天黑阻值变大，三极管导通，探照灯打开。多轴飞行器系统：超声波传感器、无线充电模块、多轴飞行器超声波测距传感器测距发送给飞行器控制系统进行规避，或者在自动降落无线充电站时控制下降速度直到着陆。2.3拟解决的关键问题多轴飞行器自动规避问题：多轴飞行器在自动巡航状态下在楼宇间穿行面临着碰撞的热释电红外传感器红外摄像头检测到人监控室超声波传感器多轴飞行器检测距离传输画面无线充电站电量小于临界值光敏电阻探照灯天黑红外系统照明系统搭载多轴系统5危险，利用超声波测距传感器来控制多轴飞行器的飞行速度，在临界距离时悬停。多轴飞行器自动降落充电问题：当电量减少到临界值时，多轴飞行器自动飞往无线充电站，利用超声波测距传感器控制多轴飞行器降落在无线充电站。红外感应系统、照明系统、多轴系统的整合问题：将三个系统整合到一块PCB板上（甚至一个电路中）。3、拟采取的设计方案及可行性分析多轴飞行器系统：采用现有的基于stm32的系统多轴飞行器可以采用现成的飞行器进行改动。电路图如下：超声波测距传感器：采用KS109超声波测距模块无人机在飞行过程中能否自动识别到飞行轨迹上的障碍物(固定、移动或突然出现)，并且能及时的躲避，改变和调整飞行轨迹，这个是影响无人机安全运行的重要方面。这样的系统被称为自动避障系统”(ObstacleAvoidance)，属于飞控子系统的重要组成部分之一。无人机系统主要由飞控子系统、舵机云台及视频子系统、以及地面遥控子系统组成。飞控子系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对无人机飞行性能起着决定性的作用。舵机云台及视频子系统主要用于对相机(可以用于航拍、地理测绘等多种用途)的控制(包6括360度旋转方位控制及俯视角度控制)、图像数据的传输等。而地面遥控器主要用于向飞控系统发送控制指令、接收无人机的飞行状态信息及接收图像数据。目前主流的无人机避障系统主要有三种，超声波雷达、TOF测距、以及相对更复杂的、由多种测距方法和视觉图像处理组成的复合型避障系统。超声波测距超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：S=340t/2。这就是时间差测距法。超声波测距原理与雷达原理是一样的。无人机上飞控系统即可。加装定向的超声波发射和接收器，由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在飞行器的研制上也得到了广泛的应用。为了使飞行器能自动避障，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。）超声波测距系统，就是为飞行器了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。超声波测距原理1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。72、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。3、超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2图1超声波传感器结构这就是所谓的时间差测距法。三、超声波测距系统的电路设计8图2超声波测距电路原理图本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。红外系统：采用D203B热释电红外传感器热释电红外传感器采用国内外最流行的PIR人体热释电传感器作信号探测器，灵敏度高，探测距离可达10米以上，其俯视角可达86°，水平视角可达120°。因它仅对人体释放的、特定波长的红外光最敏感，因而误动作极小。当有人在其探测区域内以0.3～3Hz的频率活动时，PIR探头就能感生出微弱的电信号，经U1-1、U1-2两级放大后，从U1(7)脚输出0.5～5.5V的强信号。D4、D5、R12～R15及U1-3组成双门限比较器，因PIR感生的信号电压可正可负，故U1(7)脚输出的电压亦可正可负(对中心电压3V而言)。当其输出的电压达到4.1V以上时，通过D4施加于U1(10)脚的电压高于(9)脚的电压(3.3V)，使U1(8)脚输出高电位;而当U1(7)脚输出的电位低于2V时，则U1(9)脚的电压将通过D2下降至2.7V以下，U1(8)脚也输出高电位。平时无信号时，由于U1(9)脚的电位3.3V高于(10)脚(2.7V)，故(8)脚无输出。当PIR接收到信号时，(8)脚就一定输出高电位，通过D6、R17给C9充电，使U1(12)脚电位高于(13)脚，其(14)脚输出高电位触发双向可控硅导通，点亮电灯。由于C8所储电能通过R19、RW2放电需时约2分钟，故在此2分钟内灯一直亮着。当C9上的电压低于(13)脚电压(1V)时，(14)脚无输出，可控硅关闭，灯自动熄灭。光敏电阻CDS及三极管Q1等组成光控电路，白天因光敏电阻的阻值很小(10KΩ以下)，三极管Q1饱和导通，将U1(8)脚钳位至0.3V左右，故无论有无感应信号，可控硅均不能导通，灯不能点亮;到了夜晚，因光敏电阻的阻值变大到几兆欧，三极管Q1截止，U1(8)脚不再受其钳位，一旦PIR接收到信号，(8)脚就立即输出高电平，使可控硅导通，将灯点亮。9无线充电：1无线充电器原理与结构无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过2M有源晶振逆变转换成高频交流电供给初级绕组。通过2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电。102发射电路模块如图3，主振电路采用2MHz有源晶振作为振荡器。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经三极管13003及其外围电路组成的丙类放大电路后输出至线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去．为接收部分提供能量。1112测得与电容组成的并联谐振回路的空芯耦合线圈的线径为O．5mm，直径为7cm，电感为47uH，载波频率为2MHz。根据并联谐振公式得匹配电容C约为140pF。因而．发射部分采用2MHz有源晶振产生与谐振频率接近的能源载波频率。照明系统：由光敏电阻组成的自动照明灯电路图。它在白天灭而晚上自动亮。也可以加一个人工控制的开关。134、本设计的特色与创新之处将多种已有的系统整合成一个新的大系统。将娱乐学习用的多轴飞行器利用在实用的安防巡逻方面。通过自动充电实现长时间续航5、总结与展望设计还处于很初级的阶段，只是一个想法加以扩充，最初对系统没有一个完整的概貌，考虑不是很全面，用的都是已有的技术。未来可能加一些新的功能或者换一些更实用的传感器来丰富这个设计。