基于四旋翼無人機的溫度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

蔡瑩玥，陸慧晨，計晨旭

（南京工程學(xué)院計算機工程學(xué)院，南京 211167）

基于四旋翼無人機的溫度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

蔡瑩玥，陸慧晨，計晨旭

（南京工程學(xué)院計算機工程學(xué)院，南京 211167）

特殊環(huán)境（如高空電線環(huán)境、水面環(huán)境、危險動物生活環(huán)境溫度、防踐踏植被環(huán)境）溫度采集是研究熱點。以四旋翼無人機為平臺，首先設(shè)計并實現(xiàn)平臺的軟、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后搭建服務(wù)器并將傳回的溫度數(shù)據(jù)存放到服務(wù)器，通過終端訪問服務(wù)器實現(xiàn)特殊環(huán)境溫度采集，設(shè)計實現(xiàn)的溫度采集系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用意義。

四旋翼；無人機；溫度采集；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

高空高壓電線環(huán)境溫度、風(fēng)機設(shè)備環(huán)境溫度、水面環(huán)境溫度、危險動物生活環(huán)境溫度、防踐踏植被生長環(huán)境溫度等特殊環(huán)境的溫度采集問題一直是研究的熱點和難點。近年來，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，基于無人機的特殊環(huán)境溫度采集技術(shù)迅速成為現(xiàn)計算機控制領(lǐng)域中一項非常重要的技術(shù)，并逐漸在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外特殊環(huán)境溫度的采集主要是作業(yè)人員通過手工方式、機械延長設(shè)備、高技術(shù)感應(yīng)設(shè)備等完成的，這也是特殊環(huán)境溫度采集最繁雜的工作之一。手工采集方法往往會對現(xiàn)場環(huán)境造成破壞，延長機械設(shè)備采集又受到面積和延長長度等的限制，高技術(shù)感應(yīng)設(shè)備則因價格昂貴不被人們所接受。如何以價格低廉、方便、快捷的方式實現(xiàn)自動溫度采集就成為亟需解決的問題。因此，本文研究基于四旋翼無人機的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，給出所研究系統(tǒng)軟、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體過程，并以實現(xiàn)的四旋翼無人機的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進行相關(guān)實例的實驗研究，實驗結(jié)果表明，本文研究的基于四旋翼無人機的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)具有一定的工程實踐和應(yīng)用價值，對無人機技術(shù)及特殊環(huán)境溫度采集等問題的研究有重要的參考意義。

1 特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于四旋翼無人機的溫度采集系統(tǒng)主要基于嵌入式技術(shù)設(shè)計開發(fā)完成，以BCM283x微處理器和STM32微控制器作為系統(tǒng)開發(fā)硬件核心設(shè)計和實現(xiàn)，通過硬件平臺設(shè)計、軟件控制系統(tǒng)開發(fā)、定點飛行控制算法的研究及數(shù)據(jù)回傳模塊的開發(fā)等實現(xiàn)特殊環(huán)境中實時溫度的采集，通過手動控制旋翼無人機，實現(xiàn)特殊環(huán)境實時溫度的采集、回傳，在手機終端進行溫度數(shù)據(jù)的查看分析，并根據(jù)溫度標(biāo)準(zhǔn)值進行預(yù)警等?；谒男頍o人機的溫度采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

溫度采集系統(tǒng)中的四旋翼無人機硬件采用四個旋翼的機械結(jié)構(gòu)組成，使用四個電機作為飛行的直接動力源，通過改變四個螺旋槳產(chǎn)生的升力來控制，結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性得到了簡化，飛行過程中可以實現(xiàn)垂直起降、上下飛行和自由懸停。硬件主要由四軸機架、起落架、螺旋槳、無刷電機、無刷電調(diào)、電源、飛控板、遙控接收機等部分組成。

圖1 四旋翼無人機溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)設(shè)計一個高性能的濾波器來估計四旋翼的飛行狀態(tài)。通過改變四個螺旋槳產(chǎn)生的升力來控制平衡性，四旋翼的前槳1和后槳3逆時針旋轉(zhuǎn)，左右兩槳順時針旋轉(zhuǎn)，通過改變四個旋翼的轉(zhuǎn)速，四旋翼將產(chǎn)生各種飛行姿態(tài)使四旋翼向預(yù)定方向運動，完成溫度采集任務(wù)。

溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)過程中選用Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。DS18B20傳感器采集到的現(xiàn)場溫度直接以單總線數(shù)據(jù)通信方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。溫度采集控制系統(tǒng)的軟件主要包括主程序、溫度上下限值設(shè)定子程序、溫度讀取子程序、溫度顯示子程序、輸出控制子程序等模塊。

基于四旋翼無人機的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)電路板及無人機硬件部分設(shè)計如圖2所示：

圖2 四旋翼無人機硬件部分實現(xiàn)

2 系統(tǒng)結(jié)果演示

通過四旋翼無人機硬件平臺的設(shè)計、Android端平衡控制程序及溫度采集系統(tǒng)程序的實現(xiàn)，本文設(shè)計實現(xiàn)的四旋翼無人機特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)有效實現(xiàn)了平穩(wěn)飛行及特定環(huán)境中溫度的采集，采集后的溫度保存在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)溫度超過閾值則進行報警提醒。系統(tǒng)展示效果如圖3所示。

圖3 四旋翼無人機溫度采集系統(tǒng)效果演示

3 結(jié)語

本文給出了基于嵌入式的視覺跟蹤系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計過程，并基于開源圖像處理庫實現(xiàn)了視覺跟蹤系統(tǒng)，通過實例實驗演示，驗證了所實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性和有效性，具有一定的工程應(yīng)用價值，系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法對于視覺跟蹤系統(tǒng)的研究具有重要的參考意義。

[1]劉云平，李先影，王田苗等．四旋翼無人機偏航飛行過程量化穩(wěn)定性分析[J]．南京理工大學(xué)學(xué)報，2016，40（5）：520-526.

[2]嚴(yán)孝鑫，張航，周鑫．基于四旋翼無人機的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]．自動化與儀器儀表，2016，10（204）：85-86.

[3]王玉菡，曾自強，陳鴻雁等．基于ZigBee和VC6.0的無線溫度采集系統(tǒng)[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，30（5）：108-111.

Implementation of Temperature Acquisition System Based on Quad-Rotor UAV

CAI Ying-yue ，LU Hui-chen ，JI Chen-xu
（College of Computer Engineering,Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167）

Special ambient temperature acquisition problem such as the ambient temperature of high altitude wire,water surface,dangerous animal living environment and wide lawn,has become a research focus for many scholars.Based on the platform of Quad-rotor UAV,designs a special ambient temperature acquisition system which including software module,hardware module,server module and temperature acquisition module,discusses and presents the numerical experiments to validate the practical application value of the system.

Quad-Rotor;UAV;Temperature Acquisition;Embedded System

1007-1423（2017）07-0055-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.07.014

蔡瑩玥（1997-），女，江蘇沭陽人，在讀本科，研究方向為嵌入式技術(shù)

2016-12-13

2017-02-10

江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新計劃項目（No.201611276016Z）

陸慧晨（1995-），男，江蘇常熟人，在讀本科，研究方向為嵌入式方向

計晨旭（1994-），男，江蘇蘇州人，在讀本科，研究方向為嵌入式硬件方向