【巡檢無人機的硬件設計案例分析8100字】

巡檢無人機的硬件設計案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u2703巡檢無人機的硬件設計案例分析 13421.1巡檢無人機設計要求 1203431.2無人機硬件的選用 2230111.2.1飛控板的設計 3306231.2.2遙控器的選取 4217891.2.3機架的選取 539681.2.4動力系統的獲取 5171371.3實時圖像傳輸方案 7121001.1.1攝像頭的選擇 728261.1.24G無線圖像傳輸的設計 9141851.4姿態傳感器的選取 10198161.2.1MPU6050陀螺儀 10275231.2.2AK8975磁力計 1173261.2.3MS5611氣壓計 1392131.5超聲波避障系統的設計 14181731.6環境檢測傳感器的設計 16222911.6.1DHT22數字溫濕度傳感器 1636491.6.2磁力傳感器 17313151.6.3光照強度傳感器 17270011.7無線數傳模塊 1924041.8照明以及指示裝置 191.1巡檢無人機設計要求針對空中高壓電纜巡檢的應用場合與要求，本次巡檢無人機的硬件設計應滿足以下要求：（1）巡檢無人機應當具有合理的尺寸，并且留有較大的載重余量。實現在導線間靈活飛行，并且可以搭載其他合適的傳感器。（2）巡檢無人機的設計應該考慮到惡劣的天氣狀態。在室外高空巡檢作業中，可能碰到諸如暴雨、暴雪、強風、強烈光線干擾等天氣，因此無人機的設計應該滿足可以抵抗各種極端天氣。（3）巡檢無人機需要具備穩定的動力系統。動力系統包含電源、電調、電機等，電源應當提供合適的電壓、電流。電源容量應當保證無人機有充足的空中作業時間，電機以及電機驅動可以提供充足的動力，并且盡可能提高效率。（4）巡檢無人機具備多種通信方式，可以通過遙控器與上位機控制。遙控器應當具有較遠的控制距離，并且滿足靈活，操作性等特點，電腦上位機應當具有圖像顯示、參數設定、任務設定的功能。（5）巡檢無人機應當具有視覺功能，才能實現巡視與檢修的功能。因此無人機設計應當加入高清攝像頭傳輸，高空現場的畫面可以通過攝像頭實時傳回，供工作人員分析，也可以根據需求加入機械臂等具有操作功能的設備。（6）巡檢無人機應該具有靈活的避障系統。在空中飛行時，由于攝像頭視野的局限性，控制人員無法看到無人機附近的障礙物，所以要求無人機具有主動避障功能來保證安全。（7）巡檢無人機應當具有照明與燈光指示的功能。無人機可能在夜間作業，夜間光線暗不足以正常作業，需要進行補光作業，并且在夜間進行燈光指示，以便于工作人員確定無人機的位置。巡檢無人的硬件設計將按照以上要求來進行，首先將無人機整體分解為各個子模塊，然后根據子模塊的設計完成功能.圖1.1為本次巡檢無人機設計時的功能規劃，由主控模塊來控制外圍模塊，實現特定功能。圖1.1巡檢無人機系統整體圖1.2無人機硬件的選用無人機的主要硬件分為飛控板[14]、遙控器、機架、動力系統等模塊。主控板為整個飛機的大腦，承擔主要的數據讀取、數據運算、數據輸出與模塊控制。遙控器為無人機的主要信息接受渠道。電源、電調、電機槳葉構成無人機的動力系統。1.2.1飛控板的設計本系統中主控MCU選用STM32F4系列單片機，其內核為Cortex?-M4，在外接8Mhz晶振時，其主頻最高為168Mhz。此款單片機為意法半導體的中低端產品，采用了90nm的制作工藝，集成了浮點單元控制器，可以實現浮點數的計算。Stm32f4系列單片機具有192KB的SARM，具有多達1MB的flash。單片機工作電壓為1.8v到1.6v，具有多達82個標準GPIO，4個USART與2個UART，支持RS485與RS232通信，56個可獨立輸出的PWM通道。圖1.2為單片機外觀圖。圖1.2STM32F4單片機圖1.3為巡檢無人的飛控板，主控上集成了STM32F407VG6單片機、MPU6050陀螺儀傳感器、AK8975磁力計芯片、MS5611氣壓傳感器。通過排針引出了單片機的串口一、串口三、IIC、1.3v與5v供電，為外接模塊提供了足夠的接口，搭載了一個microusb接口，可以實現供電與isp程序下載[15]。圖1.3巡檢無人機飛行控制板1.2.2遙控器的選取遙控器是無人機被控制的關鍵設備，只有穩定的控制才能保證巡檢無人機的正常工作，遙控器選擇主要有以下兩種方式：（1）采用單片機開源遙控器[16]，如圖1.4為開源遙控器，其主控MCU為STC公司的STC15單片機，使用2.4G無線模塊作為數據收發功能，2.4GHz是世界上公開使用的無線頻段，在這個頻段下，設備過于繁多，干擾較大，在不另外配置天線的情況下，只有50m到100m的遙控距離。開源遙控器依賴用戶編寫程序或者直接使用開源的程序，遙控器的控制效果取決于用戶的編程水平，可能會有未知因素對控制結果產生影響。無人機造價昂貴，需要穩定的控制信號，所以，STC開源遙控器不適合本課題。圖1.4STC15開源遙控器（2）采用某品牌AT10商用遙控器，圖1.5為AT10商用遙控器與接收機實物圖。AT10使用12V電池供電，兼容性強，具有十二個通道，使用DSSS&FHSS混合雙頻，7dBi低噪聲高增益發射天線，可以實現在復雜環境4KM的遙控距離。在本課題中，AT10具有以下實用點：①具有優秀的穩定性，在高壓強磁環境中仍能正常使用。②遙控距離達標，可以實現更遠距離的高空作業。③具有電壓回傳，低壓報警的功能，使得作業更加安全。圖1.5某品牌AT10商用遙控器1.2.3機架的選取巡檢無人機應當具有合適的尺寸，圖1.6為無人機機架圖片，與無人機尺寸直接關系的為機架的軸距，符合本課題設計主要有330MM、380MM、450MM、500MM軸距機架，更小軸距的機架在作業過程具有更好的靈活性，但是載重能力較差并且穩定性較差，在調整PID參數也要花費更多的精力。更大軸距的機架則有更強的帶載能力與更穩定的控制性能，靈活性稍差但是大軸距機架在PID調參時更快捷。綜合考慮，本課題采用軸距為450MM的機架為主要的開發平臺[17]。圖1.6450MM軸距碳纖維機架1.2.4動力系統的獲取巡檢無人機在運行過程中，功率較高，因此需要穩定的大功率電源供電[18]，在本課題中選用動力電池供電，動力電池具有安全高效、電壓平穩、故障率低等優點。圖1.7為某品牌動力電池，標準電壓為12V，擁有高達25C的放電倍率，持續放電電流高達50A，可以滿足飛機長達15min的空中續航。圖1.7某品牌2200mah動力電池電機為無人機的升力來源，通常分為空心杯有刷電機與無刷電機，如圖1.8、1.9所示，空心杯[19]電機的體積小與質量較小，便于集成在小型無人機上，通常使用減速組來增加一些拉力。無刷電機動力強，耗電量大，但是性能強勁，需要較大且較為結實的機架[20]，目前的主流飛行器中，大多數多軸飛行器仍采用無刷電機作為動力來源。結合本課題的需求，巡檢無人機需要部分負重能力搭載必要的設備諸如圖像傳輸模塊等，因此選用負載能力較大的無刷電機作為無人機的升力來源。圖1.8空心杯無刷電機圖1.9三相無刷電機在本課題中使用無刷電機作為升力來源，無刷電機需要通過對應的電子調速器[21]電路對其進行驅動和控制，電調是驅動無刷電機用的電子調速器，根據控制信號調節電機的轉速，在與飛控板連接的過程中，一般情況下，電調的供電由電池提供，三條負載輸出線與三相電機相連，單片機的信號接在飛控板上。在本課題中，使用的某品牌30A電調，瞬時電流可以達到40A，實物圖如圖1.10所示。在飛控通過電調控制無刷電機轉速的過程中，通常是使用占空比10%~20%的PWM波，通過不同的占空比可以實現對電機的無級調速，具有很好的線性穩定性。圖1.10某品牌30A電調無刷電機與槳葉作為飛行器的共同組合，是飛行器升力的直接來源，無刷電機通常與槳葉搭配選型，電機有一個很重要的性能參數就是KV值，KV值代表每升高一個單位的電壓，轉數提高相應的單位，例如KV1100,在1V的電壓下空轉轉速是1100轉每分鐘。10V的電壓下是11000轉每分鐘的空轉轉速。槳葉的尺寸為?其中，?為軸距，綜上所述，在本課題450MM軸距，2.2AH動力電池的平臺上，我們選用920KV無刷電機搭配1045寸槳，來獲得最好的能效比。經過實際拉力測試，最大瞬時拉力可以達到1200g，持續拉力在900g左右。1.3實時圖像傳輸方案工作人員通過攝像頭獲取現場的工作情況，攝像頭是否清晰直接影響到現場情況圖像的效果，因此攝像頭應當具有較高的像素，并且可以實現穩定傳輸，具有較高的幀率。除此之外，還應該具有對惡劣環境有一定的適應能力，能在下雨天氣或者炎熱天氣中依然保證較好的工作能力。所以，無線圖傳包括攝像頭的選擇和圖像傳輸的選擇。1.1.1攝像頭的選擇在無人機作業過程中，需要將現場中清晰的圖像傳輸給工作人員，像素是考慮的一個關鍵因素，此外考慮到圖傳設備搭載在無人機上，無人機對載重、空間有著更為苛刻的需求，所以攝像頭的重量與尺寸也是需要考慮的問題，經過多次篩選，初步將攝像頭確定在下面兩種之中：（1）選用OV7670攝像模組[22]。OV7670是OV公司出品的1/6寸的CMOSVGA感光元件。該感光器件提供攝像模組與處理器通信的所有功能，并且工作電壓兼容低壓。VGA可高達30幀/秒。實物圖如圖1.11所示。圖1.11OV7670攝像頭模組實物圖（2）使用OV2640攝像頭模組[23]，OV2640是OV公司出品的1/4寸的CMOSUXGA（1632*1232）圖像傳感器。主要功能與OV7670相近，但是提供UXGA最高15幀/秒（SVGA可達30幀，CIF可達60幀）。用戶可以通過編程控制圖像質量，對比度，白平衡等參數。下列為OV2640的主要特點：· 靈敏度較高，兼容嵌入式電壓。· 標準的SCCB接口，兼容IIC接口。· 支持RawRGB、RGB(RGB565/RGB555)、GRB422、YUV(422/420)和YCbCr（422）輸出格式。· 支持多種圖像模式以及支持多種縮放格式。· 支持自定義縮放圖像以及補光燈。· 支持圖片數組壓縮，支持輸出jpeg格式。OV2640攝像頭模組實物圖如圖1.12所示。綜上所述，OV7670封裝尺寸為37*42mm，OV2640封裝尺寸為8*10mm，OV7670像素為30W、OV2640像素為200W，并且OV2640比OV7670能夠兼容更多的協議。所以，本課題選取體積更小、像素更高的OV2640攝像頭作為無人機圖像采集的攝像頭。實物圖如圖1.12所示。圖1.12OV2640攝像頭模組實物圖1.1.24G無線圖像傳輸的設計針對本課題的研究內容，調查了物聯網的發展現狀，現階段最常用的實時圖像傳輸方式為Wi-Fi與4G通道傳輸。Wi-Fi模塊通常的傳輸距離為50m左右[24]，在無人機進行高空作業時，無人機距離接收機的距離通常大于50m，不符合本課題的研究場景，4G模塊由于其信息傳輸通過移動基站，其帶寬也足夠滿足實時的視頻傳輸，所以針對無人機特殊的工作環境，在室外工作需要考慮對距離的需求，在此使用4G圖像傳輸。本課題4G圖像傳輸采用的主要模塊是SIM900A無線通信模塊[25]，該模塊為SMT封裝，尺寸為24*24*3mm，待機工作狀態下僅僅消耗18mA、睡眠模式低于2mA，電壓為5V，支持GSM/GPRS900/18800MHz頻段，該模塊實物圖如下圖1.13所示。模塊內部自帶固件，用戶操作簡單，僅僅只用串口TTL電平即可通信，無需編寫時序信號，表1.1為SIM900A模塊的主要電氣參數。表1.1SIM900電氣參數表特性參數供電1.2V~2.8V頻段EGSM900、DCS1800GPRS連接特性GPRSmulit-slotclass10（默認）工作功率2W溫度范圍-30°C~+80°CGPRS傳輸上行最大42.8kpbs下行最大83.6kpbs用戶配置AT+指令集為了實現圖像采集以及無線傳輸，終端設計思路如下：采用MicroUSB輸入5V直流電源，通過LM2596電路將5V電壓轉為2.2V給SIM900AGPRS無線通信模塊供電，單片機通過總線信號控制攝像頭模組拍照，并且將圖像數組儲存在內存中，緊接著通過AT指令將數據上傳至上位機，實現GPRS圖像無線傳輸。圖1.13SIM900A-4G模塊實物圖1.4姿態傳感器的選取1.2.1MPU6050陀螺儀MPU6050是最早的六軸傳感器[26]，整合了三軸陀螺儀、三軸加速度，大大降低了外圍元件的數量。MPU6050同時具有一個讀取總線，可以與其他廠家的磁力計進行連接數據融合，可以直接輸出九軸數據。其內建了一個溫度傳感器，可以通過數字信號輸出，通過測量值與溫度值的融合，使得輸出值更加準確。并且支持可程序控制式的中斷輸出。由于其優異的特性，被廣泛應用在現實增強、電子穩像、智能設備中。圖1.14為MPU6050芯片。圖1.14MPU6050芯片MPU6050包含陀螺儀與加速度計，角速度的測量使用陀螺儀，可以測的為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)。加速度計顧名思義是輸出加速度值的傳感器，根據牛二定律，一個物體的加速度與所受到的合力正相關，與質量成反比，加速度傳感器通過測量捕獲而得到加速度值，本質上測量到的是力。表1.2為MPU6050傳感器的產品特性。表1.2MPU6050產品特性MPU6050陀螺儀產品特性具有6軸傳感器，解決了六個軸的兼容問題內置16位ADC采集，可以通過讀取寄存器直接輸出，實現AD轉換集成片上1024字節的FIFO可以通過程序調整測量范圍，加速度計的測量范圍可設為±2，±4，±8，±16多種協議共存的的數據通信模式，SPI通信方式具有更高的速度集成了高精度溫度傳感器和振蕩器芯片尺寸很小，便于集成到各種設備內部，具有抵抗外力的能力配套了DMP函數庫，大大降低了MCU在姿態結算時的占用時間如圖1.15所示，陀螺儀與STM32通過IIC總線進行連接，陀螺儀使用1.3V供電電壓，SDA連接STM32的PB7，SCL連接STM32的PB6，MPUINT接到STM32的PD7引腳。將中斷引腳配置為下降沿觸發，在完成一個周期的采樣后，拉低電平，通知單片機獲取新的數據。圖1.15MPU6050與STM32連接圖1.2.2AK8975磁力計從上文的對陀螺儀的原理介紹中我們可以得知，陀螺儀可以準確的測得橫滾角與俯仰角的真實角度，但是就偏航角而言，是通過積分的方式測得，在長時間靜止的情況下會產生漂移誤差。為了解決陀螺儀不準確的問題，我們需要引入磁力計進行偏航角度的矯正。AK8975為AKM公司研發的一款三軸磁力計，該模塊采用高精度磁場感應技術，使用時可以不考慮干擾效果直接貼在PCB上，內置多種驅動電路，芯片尺寸大小僅僅3*3*0.9mm，芯片實物圖如圖1.15所示。圖1.16AK8975芯片實物圖芯片通過IIC通信協議與單片機進行通信[27]，，滿足大部分的工業要求。STM32經過IIC協議得到磁力傳感器的數據，通過擬合數據得到比較精確的橫向角定位。表1.3為AK8975的電氣參數。表1.3AK8975芯片電氣參數AK8975電氣參數工作電壓2.16V~1.6V功耗正常工作狀態2uA精度在±16gcuus磁場環境下具有5mgauus分辨率頻率輸出頻率可達到160HZ工作溫度-30℃~＋85℃技術特性使用AMR技術，提高了獲得到的數據精確度，提升了測量數據的可靠性。在與STM32飛控的連接中，因為IIC總線下可以外掛多個設備，陀螺儀與磁力計掛載在同一IIC總線下，時鐘線連接單片機的PB6，數據線連接單片機的PB7，具體連接圖如圖1.17所示。圖1.17磁力計與STM32連接圖1.2.3MS5611氣壓計氣壓計的設計是利用壓強關系與海拔的數學關系設立的一套模型，單片機通過算法將壓強與當前位置進行擬合，再根據設定好的初始值，獲得自己的實時高度[28]。本課題采用MS5611數字氣壓高度計，實物圖如圖1.18所示MS5611是由MEAS公司生產的一款高精度氣壓計，精度達到10厘米以內。MS5611氣壓傳感器正常狀態電壓為1.3v，測量范圍在10~1200mbar，封裝為QFN封裝，可以直接貼片到電路板上。圖1.18MS5611氣壓計實物圖在出廠時，每個氣壓計都在實驗室中進行校準，并且將相應的數據存儲在FLASH中。MS5611電氣參數如表1.4所述。表1.4MS5611電氣參數MS5611性能描述氣壓分辨率10cm轉換時間＜1ms工作電流工作電流1uA（待機狀態＜0.15uA）QFN封裝尺寸5*3*1mm供電電壓1.8V~1.6V集成數字氣壓傳感器24位ADC測量/工作范圍10~1200mbar工作溫度-40℃~+85℃通信接口IIC傳輸速率最高20MHz該傳感器具有高精度壓力傳感器和一個高位的ADC轉換處理器，同時也可以輸出一個24位的數字溫度值。其原理框圖如圖1.19所示。圖1.19MS5611氣壓計工作原理圖在本課題中，MS5611通過IIC總線與stm32進行連接，則SPI模式不過多闡述。單片機通過輸入時鐘信號和數據線來傳輸數據。在IIC總線上可以使用多個傳感器和兩個不同的地址。MS5611與飛控的連接如圖1.20所示。圖1.20MS5611氣壓計與STM32連接圖1.5超聲波避障系統的設計無人機飛行在復雜的環境中，由于操作人員與攝像頭視野的局限性，可能與障礙物發生碰撞剮蹭，進而損壞無人機本體或設備造成不必要的經濟損失。為了避免這種損失，降低人工操作的失誤率，需要為無人機設定一套超聲波避障系統[29]，圖1.21為超聲波測距原理，該模塊主要包含兩個壓電晶片，壓電晶片一負責發送高頻脈沖，另一個負責接收，由于壓電效應，晶片會震動產生電壓。超聲波信號遇到障礙物便會反射回來，另一個壓電晶片負責接受空氣中的震動，通過壓電效應的逆過程，將震動轉換成電信號，模塊上自帶MCU，來處理這個信號。圖1.21超聲波測距原理圖該模塊可以實現2厘米到5米的測量范圍，可以5V供電，工作時功耗很低，有多重通信方式，內帶看門狗，工作可靠穩定，圖1.22為US-100超聲波模塊實物圖，表1.5列出該模塊的部分電氣參數。圖1.22US-100超聲波模組實物圖表1.5US-100超聲波模塊電氣參數表電氣參數US-100超聲波測距模塊工作電壓DC2.4V~3.5V靜態電流2mA工作溫度-10~+40度輸出方式電平或串口通信感應角度小于15度探測距離2cm~450cm探測精度0.3cm+1%US-100與STM32通過串口進行連接，VCC為模塊供電電源，本模塊為寬電壓供電，范圍為2.4v到3.5v，TRIG為信號輸入，MCU觸發這個信號，ECHO為接收信號，當接收到信號后，外部中斷反饋為單片機得到信息。在本課題中的超聲波避障系統的設計中，為了保證無人機全方位的避障，需要在無人機的橫向四個方向安裝超聲波模塊，對側面四個方向的障礙物進行掃描，當探測閾值小于安全閾值時，單片機作出反應，控制無人機保證安全。1.6環境檢測傳感器的設計1.6.1DHT22數字溫濕度傳感器每一個DHT22溫濕度傳感器都經過實驗室校準[30]。自帶一個低功耗單片機，將數據存儲在內存中，在讀取溫度時，首先讀取這些系數，大大提高數據的精確性，通過上拉電阻，大大提到通訊距離。使其多種應用場合的最佳選擇產品。圖1.23為DHT22溫濕度模塊的實物圖。圖1.23DHT22數字溫濕度模塊實物圖DHT22測溫范圍較寬，精度尚可，符合實際使用需求；采樣時間最少可以降低到5毫秒，但是采樣周期在2秒以上，雖然采樣周期較長，但根據無人機的運行環境，并不需要很高的采樣周期。供電電壓為1.3~5V，滿足本課題的需求。表1.6為DHT22溫濕度模塊的部分電氣參數。表1.7DHT22溫濕度模塊電氣參數項目參數范圍濕度測量范圍0%~99%（0~55℃）濕度測量誤差±2%溫度測量范圍-40~80℃溫度測量誤差±0.5℃分辨率16bit采樣周期2s采樣時間5ms供電電壓3~3.5VDHT22使用三個引腳，分別為電源正極，電源地與信號線，3端口為數字通信接口，使用時需要提供上拉電阻，圖1.24為該模塊的應用連接圖。圖1.24DHT22與STM32連接1.6.2磁力傳感器無人機需要搭載磁場傳感器[31]，工作人員通過讀取無人機上所搭載的磁場傳感器，判斷無人機的正常工作是否會受到強磁力的干擾，或者在檢測到有故障狀態時判斷環境是否可以讓工作人員正常作業，從而保護工作人員的安全。KY-003是一款磁力霍爾傳感器模塊，實物圖如1.25所示，該模塊基于霍爾效應原理，輸出值為模擬信號，根據磁場強度的不同具有不同的模擬量輸出。該模塊體積小便與集成。在傳感器沒有磁通量時，輸出的模擬電壓為2.5V，在檢測到有磁通量變化后，模擬電壓值發生變化，所以，可以直接將輸出口連接到STM32的ADC采集口。圖1.25磁性感應器實物圖1.6.3光照強度傳感器光照強度傳感器的原理是光敏電阻在受到光照時，電阻率會減低，市場上的光照傳感器大致分為兩類：一種是模擬量輸出，需要用戶自己進行運算處理，另外一種提供數字量輸出[32]。第一種原理簡單，使用方便，但是精確度有限。實物圖如圖1.26所示。后者采集精度高，但是速度慢、成本高，實物圖如圖1.27所示。具體結合本課題的研究內容，無人機是一種需要實時性很強的系統，而且本課題所需的光照環境僅僅為大致的光照環境，所以，本課題采用第一種作為所需的光照傳感器。1.26光敏傳感器模塊實物圖圖1.27數字式光照強度傳感器實物圖該傳感器采用光敏電阻，集成運放，輸出無雜波，可以調節靈敏度，供電根據單片機的種類不同選擇不同的供電，兼容多種單片機，擁有兩種輸出方式，模塊在光照強度足夠