四轴飞行器监控系统

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【摘要】针对传统监控系统的监控范围小、布线复杂等特点，利用四轴飞行器搭载摄像头进行任意位置的多角度监控，同时监控电量，自动返航。该系统可利用飞行器自身WIFI采用电脑控制，时时将监控信息回传。此系统包含无线通信，单片机，传感器等技术，整合四轴飞行与拍摄监控。

【关键词】四轴飞行器 传感器 STM32 监控

四轴飞行器监控系统是以学校与住宅为平台，利用无线通信技术、安全防范技术、自动控制技术使安保系统变得更加轻松，可控与安全。作为多旋翼飞行器的最常用型四轴飞行器，飞行器的飞行姿态由螺旋桨的速度控制，根据操控者的要求进行拍摄监控，以此达到安保作用。

一、飞行器硬件构成

本系统由飞控板、GPS模块、WIFI模块、机架、螺旋桨、MPU6050陀螺仪、无刷电机、电子调速器等硬件构成。总分以下五个模块，分别为：控制器模块、机体平台、数据处理模块、无线传输模块、姿态控制模块。控制器模块选用意法半导体旗下的一款增强型32位微控制器STM32F103作为核心控制器，在电力电子系统和嵌入式应用领域有它独特的优势，更有利于低功耗和低成本的开发。STM32F103拥有多达9个的通信接口，分别为：USB、USART、SPI、2C、CAN。控制器获取系统控制所需的信息，发出控制指令。机体平台选用无刷电机作为动力，与螺旋桨组成推进动力。数据处理模块在控制器的自动控制下，完成数据的转换、信息的处理与参数的解算。采用MPU-6050陀螺仪测算姿态，综合有3轴陀螺仪、3轴加速器的MPU-6050，以单一数据流的形式主要通过I2C端口将完整的9轴融合演算技术传输给应用端。运动感测的复杂数据由InvenSense的运动处理资料库进行分析整理，降低了运动处理运算对操作系统的符合，并为应用开发提供架构化的API。通过高达400KHz的I2C或最高至20MHz的API，MPU-6050都可准确测算快速与慢速姿态。同时以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。无线传输模块选用NRF24L01 2.4GHz。该模块可以进行空旷场地200米远的通信。接收控制室的控制命令，同时将监控画面时时回传，展现给监控室的安保人员。姿态控制模块为四轴飞行系统提供各种运动及姿态信息，是导航系统的重要组成部分。

二、四轴飞行器飞行原理

四轴飞行器由4个螺旋桨和1个飞行控制器组成，在结构上有X型和十字型两种形式分类，螺旋桨安装与堆成的4个顶点之上。如左图所示，对称的两组螺旋桨旋转方向相反，以此抵消扭力矩。如右图所示，当四轴飞行器的电机旋转速度发生改变时，就可以产生升力，以此控制姿态。当四轴飞行器的升力等于本身的重力时，若要四轴飞行器实现悬停，只需让四轴飞行器的升力等于本身的重力，。在悬停的基础上，对任意一对螺旋桨的转速进行改变，四轴飞行器即可以实现偏航运动，同时改变两对螺旋桨的转速，可实现四轴飞行器的上下运动。

三、飞行器姿态运算

（1）欧拉角法测算飞行姿态。使用欧拉角表示姿态，令ф，θ和β代表XYZ欧拉角，分别成为偏航角、俯仰角和横滚角。载体坐标系下的加速度和参考坐标系下的加速度之间的关系可表示为（1）MPU6050测算出以下三个值axB，ayB，azB，其中S代表SIN，C代表COS。由于矩阵的乘法可以代表旋转，因此这个矩阵就是三个旋转矩阵相乘所得到的。当飞行器处于悬停状态，在此参考系下的重力加速度相等于加速度，通过加速度计测得载体坐标系下的加速度同时进行计算，便可得到初始俯仰角与横滚角，通过电子罗盘可以测算出偏航角。

（2）四元数法（通过处理单位采样时间内的角增量（mpu的陀螺仪得到的就是角增量）。

因为零点漂移的原因，开始时一定要对陀螺仪进行补偿。以下程序即是在mpu6050.c中对补偿了直流偏执。

四、地面控制室设计

安保人员可以在飞行器飞行之前进行预先规划。或者在飞行过程中通过电脑或移动端对四轴飞行器进行控制，修改飞行轨迹。控制软件主要有三大功能。1.对飞行的监控功能。在接收到回传的信息后，发送各种遥控指令对飞行路线、姿态进行干预。2.地图导航功能。地图导航功能和飞行监控功能累死，同样需要传感器及通讯技术的支持，用于获取四轴飞行器的位置，将这些信息打包回传给控制室，更重要的是地图导航功能还需要GPS的支持，实时地在地图上标示出四轴飞行器在地图上的当前准确位置和航向，对于四轴飞行器导航的顺利完成至关重要。3.航线规划。作为四轴飞行器监控系统中的一个重要功能的航线规划，无人机可提前对飞行路线等进行规划。

五、应用前景

四轴飞行器的发展历史接近一个世纪，随着社会的发展和科技的快速进步，四轴飞行器的技术日渐成熟，也有越来越多的商家将四轴飞行器应用到商业中。但是对于监控这一行业至今没有很好的应用，本文提出的系统设想从理论到现实，可以填补这一方面的空白。运用四轴飞行器体积小，质量轻，飞行控制简单的特点，使得安保工作更加轻松。在监控方面，可以更加多角度，大范围的监控区域。

参考文献：

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