蔡瑩玥，陸慧晨，計(jì)晨旭

（南京工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，南京 211167）

基于四旋翼無人機(jī)的溫度采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

蔡瑩玥，陸慧晨，計(jì)晨旭

（南京工程學(xué)院計(jì)算機(jī)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(xiǎn)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(diǎn)。以四旋翼無人機(jī)為平臺，首先設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)平臺的軟、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境溫度采集，設(shè)計(jì)實(shí)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(jī)；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(jī)設(shè)備環(huán)境溫度、水面環(huán)境溫度、危險(xiǎn)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(diǎn)和難點(diǎn)。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于無人機(jī)的特殊環(huán)境溫度采集技術(shù)迅速成為現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，并逐漸在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，給出所研究系統(tǒng)軟、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體過程，并以實(shí)現(xiàn)的四旋翼無人機(jī)的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)例的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究的基于四旋翼無人機(jī)的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)具有一定的工程實(shí)踐和應(yīng)用價值，對無人機(jī)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于四旋翼無人機(jī)的溫度采集系統(tǒng)主要基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)和實(shí)現(xiàn)，通過硬件平臺設(shè)計(jì)、軟件控制系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)飛行控制算法的研究及數(shù)據(jù)回傳模塊的開發(fā)等實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境中實(shí)時溫度的采集，通過手動控制旋翼無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境實(shí)時溫度的采集、回傳，在手機(jī)終端進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的查看分析，并根據(jù)溫度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行預(yù)警等?；谒男頍o人機(jī)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(jī)硬件采用四個旋翼的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，使用四個電機(jī)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(shí)現(xiàn)垂直起降、上下飛行和自由懸停。硬件主要由四軸機(jī)架、起落架、螺旋槳、無刷電機(jī)、無刷電調(diào)、電源、飛控板、遙控接收機(jī)等部分組成。

圖1 四旋翼無人機(jī)溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個高性能的濾波器來估計(jì)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(yùn)動，完成溫度采集任務(wù)。

溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)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(jī)的特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)電路板及無人機(jī)硬件部分設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 四旋翼無人機(jī)硬件部分實(shí)現(xiàn)

2 系統(tǒng)結(jié)果演示

通過四旋翼無人機(jī)硬件平臺的設(shè)計(jì)、Android端平衡控制程序及溫度采集系統(tǒng)程序的實(shí)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的四旋翼無人機(jī)特殊環(huán)境溫度采集系統(tǒng)有效實(shí)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(jìn)行報(bào)警提醒。系統(tǒng)展示效果如圖3所示。

圖3 四旋翼無人機(jī)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(jì)過程，并基于開源圖像處理庫實(shí)現(xiàn)了視覺跟蹤系統(tǒng)，通過實(shí)例實(shí)驗(yàn)演示，驗(yàn)證了所實(shí)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(jì)與實(shí)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(jī)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(bào)，2016，40（5）：520-526.

[2]嚴(yán)孝鑫，張航，周鑫．基于四旋翼無人機(jī)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(qiáng)，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(bào)（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?yàn)榍度胧郊夹g(shù)

2016-12-13

2017-02-10

江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（No.201611276016Z）

陸慧晨（1995-），男，江蘇常熟人，在讀本科，研究方向?yàn)榍度胧椒较?/p>

計(jì)晨旭（1994-），男，江蘇蘇州人，在讀本科，研究方向?yàn)榍度胧接布较?/p>