【巡检无人机的硬件设计案例分析8100字】

巡检无人机的硬件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u2703巡检无人机的硬件设计案例分析 13421.1巡检无人机设计要求 1203431.2无人机硬件的选用 2230111.2.1飞控板的设计 3306231.2.2遥控器的选取 4217891.2.3机架的选取 539681.2.4动力系统的获取 5171371.3实时图像传输方案 7121001.1.1摄像头的选择 728261.1.24G无线图像传输的设计 9141851.4姿态传感器的选取 10198161.2.1MPU6050陀螺仪 10275231.2.2AK8975磁力计 1173261.2.3MS5611气压计 1392131.5超声波避障系统的设计 14181731.6环境检测传感器的设计 16222911.6.1DHT22数字温湿度传感器 1636491.6.2磁力传感器 17313151.6.3光照强度传感器 17270011.7无线数传模块 1924041.8照明以及指示装置 191.1巡检无人机设计要求针对空中高压电缆巡检的应用场合与要求，本次巡检无人机的硬件设计应满足以下要求：（1）巡检无人机应当具有合理的尺寸，并且留有较大的载重余量。实现在导线间灵活飞行，并且可以搭载其他合适的传感器。（2）巡检无人机的设计应该考虑到恶劣的天气状态。在室外高空巡检作业中，可能碰到诸如暴雨、暴雪、强风、强烈光线干扰等天气，因此无人机的设计应该满足可以抵抗各种极端天气。（3）巡检无人机需要具备稳定的动力系统。动力系统包含电源、电调、电机等，电源应当提供合适的电压、电流。电源容量应当保证无人机有充足的空中作业时间，电机以及电机驱动可以提供充足的动力，并且尽可能提高效率。（4）巡检无人机具备多种通信方式，可以通过遥控器与上位机控制。遥控器应当具有较远的控制距离，并且满足灵活，操作性等特点，电脑上位机应当具有图像显示、参数设定、任务设定的功能。（5）巡检无人机应当具有视觉功能，才能实现巡视与检修的功能。因此无人机设计应当加入高清摄像头传输，高空现场的画面可以通过摄像头实时传回，供工作人员分析，也可以根据需求加入机械臂等具有操作功能的设备。（6）巡检无人机应该具有灵活的避障系统。在空中飞行时，由于摄像头视野的局限性，控制人员无法看到无人机附近的障碍物，所以要求无人机具有主动避障功能来保证安全。（7）巡检无人机应当具有照明与灯光指示的功能。无人机可能在夜间作业，夜间光线暗不足以正常作业，需要进行补光作业，并且在夜间进行灯光指示，以便于工作人员确定无人机的位置。巡检无人的硬件设计将按照以上要求来进行，首先将无人机整体分解为各个子模块，然后根据子模块的设计完成功能.图1.1为本次巡检无人机设计时的功能规划，由主控模块来控制外围模块，实现特定功能。图1.1巡检无人机系统整体图1.2无人机硬件的选用无人机的主要硬件分为飞控板[14]、遥控器、机架、动力系统等模块。主控板为整个飞机的大脑，承担主要的数据读取、数据运算、数据输出与模块控制。遥控器为无人机的主要信息接受渠道。电源、电调、电机桨叶构成无人机的动力系统。1.2.1飞控板的设计本系统中主控MCU选用STM32F4系列单片机，其内核为Cortex™-M4，在外接8Mhz晶振时，其主频最高为168Mhz。此款单片机为意法半导体的中低端产品，采用了90nm的制作工艺，集成了浮点单元控制器，可以实现浮点数的计算。Stm32f4系列单片机具有192KB的SARM，具有多达1MB的flash。单片机工作电压为1.8v到1.6v，具有多达82个标准GPIO，4个USART与2个UART，支持RS485与RS232通信，56个可独立输出的PWM通道。图1.2为单片机外观图。图1.2STM32F4单片机图1.3为巡检无人的飞控板，主控上集成了STM32F407VG6单片机、MPU6050陀螺仪传感器、AK8975磁力计芯片、MS5611气压传感器。通过排针引出了单片机的串口一、串口三、IIC、1.3v与5v供电，为外接模块提供了足够的接口，搭载了一个microusb接口，可以实现供电与isp程序下载[15]。图1.3巡检无人机飞行控制板1.2.2遥控器的选取遥控器是无人机被控制的关键设备，只有稳定的控制才能保证巡检无人机的正常工作，遥控器选择主要有以下两种方式：（1）采用单片机开源遥控器[16]，如图1.4为开源遥控器，其主控MCU为STC公司的STC15单片机，使用2.4G无线模块作为数据收发功能，2.4GHz是世界上公开使用的无线频段，在这个频段下，设备过于繁多，干扰较大，在不另外配置天线的情况下，只有50m到100m的遥控距离。开源遥控器依赖用户编写程序或者直接使用开源的程序，遥控器的控制效果取决于用户的编程水平，可能会有未知因素对控制结果产生影响。无人机造价昂贵，需要稳定的控制信号，所以，STC开源遥控器不适合本课题。图1.4STC15开源遥控器（2）采用某品牌AT10商用遥控器，图1.5为AT10商用遥控器与接收机实物图。AT10使用12V电池供电，兼容性强，具有十二个通道，使用DSSS&FHSS混合双频，7dBi低噪声高增益发射天线，可以实现在复杂环境4KM的遥控距离。在本课题中，AT10具有以下实用点：①具有优秀的稳定性，在高压强磁环境中仍能正常使用。②遥控距离达标，可以实现更远距离的高空作业。③具有电压回传，低压报警的功能，使得作业更加安全。图1.5某品牌AT10商用遥控器1.2.3机架的选取巡检无人机应当具有合适的尺寸，图1.6为无人机机架图片，与无人机尺寸直接关系的为机架的轴距，符合本课题设计主要有330MM、380MM、450MM、500MM轴距机架，更小轴距的机架在作业过程具有更好的灵活性，但是载重能力较差并且稳定性较差，在调整PID参数也要花费更多的精力。更大轴距的机架则有更强的带载能力与更稳定的控制性能，灵活性稍差但是大轴距机架在PID调参时更快捷。综合考虑，本课题采用轴距为450MM的机架为主要的开发平台[17]。图1.6450MM轴距碳纤维机架1.2.4动力系统的获取巡检无人机在运行过程中，功率较高，因此需要稳定的大功率电源供电[18]，在本课题中选用动力电池供电，动力电池具有安全高效、电压平稳、故障率低等优点。图1.7为某品牌动力电池，标准电压为12V，拥有高达25C的放电倍率，持续放电电流高达50A，可以满足飞机长达15min的空中续航。图1.7某品牌2200mah动力电池电机为无人机的升力来源，通常分为空心杯有刷电机与无刷电机，如图1.8、1.9所示，空心杯[19]电机的体积小与质量较小，便于集成在小型无人机上，通常使用减速组来增加一些拉力。无刷电机动力强，耗电量大，但是性能强劲，需要较大且较为结实的机架[20]，目前的主流飞行器中，大多数多轴飞行器仍采用无刷电机作为动力来源。结合本课题的需求，巡检无人机需要部分负重能力搭载必要的设备诸如图像传输模块等，因此选用负载能力较大的无刷电机作为无人机的升力来源。图1.8空心杯无刷电机图1.9三相无刷电机在本课题中使用无刷电机作为升力来源，无刷电机需要通过对应的电子调速器[21]电路对其进行驱动和控制，电调是驱动无刷电机用的电子调速器，根据控制信号调节电机的转速，在与飞控板连接的过程中，一般情况下，电调的供电由电池提供，三条负载输出线与三相电机相连，单片机的信号接在飞控板上。在本课题中，使用的某品牌30A电调，瞬时电流可以达到40A，实物图如图1.10所示。在飞控通过电调控制无刷电机转速的过程中，通常是使用占空比10%~20%的PWM波，通过不同的占空比可以实现对电机的无级调速，具有很好的线性稳定性。图1.10某品牌30A电调无刷电机与桨叶作为飞行器的共同组合，是飞行器升力的直接来源，无刷电机通常与桨叶搭配选型，电机有一个很重要的性能参数就是KV值，KV值代表每升高一个单位的电压，转数提高相应的单位，例如KV1100,在1V的电压下空转转速是1100转每分钟。10V的电压下是11000转每分钟的空转转速。桨叶的尺寸为∅其中，ϕ为轴距，综上所述，在本课题450MM轴距，2.2AH动力电池的平台上，我们选用920KV无刷电机搭配1045寸桨，来获得最好的能效比。经过实际拉力测试，最大瞬时拉力可以达到1200g，持续拉力在900g左右。1.3实时图像传输方案工作人员通过摄像头获取现场的工作情况，摄像头是否清晰直接影响到现场情况图像的效果，因此摄像头应当具有较高的像素，并且可以实现稳定传输，具有较高的帧率。除此之外，还应该具有对恶劣环境有一定的适应能力，能在下雨天气或者炎热天气中依然保证较好的工作能力。所以，无线图传包括摄像头的选择和图像传输的选择。1.1.1摄像头的选择在无人机作业过程中，需要将现场中清晰的图像传输给工作人员，像素是考虑的一个关键因素，此外考虑到图传设备搭载在无人机上，无人机对载重、空间有着更为苛刻的需求，所以摄像头的重量与尺寸也是需要考虑的问题，经过多次筛选，初步将摄像头确定在下面两种之中：（1）选用OV7670摄像模组[22]。OV7670是OV公司出品的1/6寸的CMOSVGA感光元件。该感光器件提供摄像模组与处理器通信的所有功能，并且工作电压兼容低压。VGA可高达30帧/秒。实物图如图1.11所示。图1.11OV7670摄像头模组实物图（2）使用OV2640摄像头模组[23]，OV2640是OV公司出品的1/4寸的CMOSUXGA（1632*1232）图像传感器。主要功能与OV7670相近，但是提供UXGA最高15帧/秒（SVGA可达30帧，CIF可达60帧）。用户可以通过编程控制图像质量，对比度，白平衡等参数。下列为OV2640的主要特点：· 灵敏度较高，兼容嵌入式电压。· 标准的SCCB接口，兼容IIC接口。· 支持RawRGB、RGB(RGB565/RGB555)、GRB422、YUV(422/420)和YCbCr（422）输出格式。· 支持多种图像模式以及支持多种缩放格式。· 支持自定义缩放图像以及补光灯。· 支持图片数组压缩，支持输出jpeg格式。OV2640摄像头模组实物图如图1.12所示。综上所述，OV7670封装尺寸为37*42mm，OV2640封装尺寸为8*10mm，OV7670像素为30W、OV2640像素为200W，并且OV2640比OV7670能够兼容更多的协议。所以，本课题选取体积更小、像素更高的OV2640摄像头作为无人机图像采集的摄像头。实物图如图1.12所示。图1.12OV2640摄像头模组实物图1.1.24G无线图像传输的设计针对本课题的研究内容，调查了物联网的发展现状，现阶段最常用的实时图像传输方式为Wi-Fi与4G通道传输。Wi-Fi模块通常的传输距离为50m左右[24]，在无人机进行高空作业时，无人机距离接收机的距离通常大于50m，不符合本课题的研究场景，4G模块由于其信息传输通过移动基站，其带宽也足够满足实时的视频传输，所以针对无人机特殊的工作环境，在室外工作需要考虑对距离的需求，在此使用4G图像传输。本课题4G图像传输采用的主要模块是SIM900A无线通信模块[25]，该模块为SMT封装，尺寸为24*24*3mm，待机工作状态下仅仅消耗18mA、睡眠模式低于2mA，电压为5V，支持GSM/GPRS900/18800MHz频段，该模块实物图如下图1.13所示。模块内部自带固件，用户操作简单，仅仅只用串口TTL电平即可通信，无需编写时序信号，表1.1为SIM900A模块的主要电气参数。表1.1SIM900电气参数表特性参数供电1.2V~2.8V频段EGSM900、DCS1800GPRS连接特性GPRSmulit-slotclass10（默认）工作功率2W温度范围-30°C~+80°CGPRS传输上行最大42.8kpbs下行最大83.6kpbs用户配置AT+指令集为了实现图像采集以及无线传输，终端设计思路如下：采用MicroUSB输入5V直流电源，通过LM2596电路将5V电压转为2.2V给SIM900AGPRS无线通信模块供电，单片机通过总线信号控制摄像头模组拍照，并且将图像数组储存在内存中，紧接着通过AT指令将数据上传至上位机，实现GPRS图像无线传输。图1.13SIM900A-4G模块实物图1.4姿态传感器的选取1.2.1MPU6050陀螺仪MPU6050是最早的六轴传感器[26]，整合了三轴陀螺仪、三轴加速度，大大降低了外围元件的数量。MPU6050同时具有一个读取总线，可以与其他厂家的磁力计进行连接数据融合，可以直接输出九轴数据。其内建了一个温度传感器，可以通过数字信号输出，通过测量值与温度值的融合，使得输出值更加准确。并且支持可程序控制式的中断输出。由于其优异的特性，被广泛应用在现实增强、电子稳像、智能设备中。图1.14为MPU6050芯片。图1.14MPU6050芯片MPU6050包含陀螺仪与加速度计，角速度的测量使用陀螺仪，可以测的为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps)。加速度计顾名思义是输出加速度值的传感器，根据牛二定律，一个物体的加速度与所受到的合力正相关，与质量成反比，加速度传感器通过测量捕获而得到加速度值，本质上测量到的是力。表1.2为MPU6050传感器的产品特性。表1.2MPU6050产品特性MPU6050陀螺仪产品特性具有6轴传感器，解决了六个轴的兼容问题内置16位ADC采集，可以通过读取寄存器直接输出，实现AD转换集成片上1024字节的FIFO可以通过程序调整测量范围，加速度计的测量范围可设为±2，±4，±8，±16多种协议共存的的数据通信模式，SPI通信方式具有更高的速度集成了高精度温度传感器和振荡器芯片尺寸很小，便于集成到各种设备内部，具有抵抗外力的能力配套了DMP函数库，大大降低了MCU在姿态结算时的占用时间如图1.15所示，陀螺仪与STM32通过IIC总线进行连接，陀螺仪使用1.3V供电电压，SDA连接STM32的PB7，SCL连接STM32的PB6，MPUINT接到STM32的PD7引脚。将中断引脚配置为下降沿触发，在完成一个周期的采样后，拉低电平，通知单片机获取新的数据。图1.15MPU6050与STM32连接图1.2.2AK8975磁力计从上文的对陀螺仪的原理介绍中我们可以得知，陀螺仪可以准确的测得横滚角与俯仰角的真实角度，但是就偏航角而言，是通过积分的方式测得，在长时间静止的情况下会产生漂移误差。为了解决陀螺仪不准确的问题，我们需要引入磁力计进行偏航角度的矫正。AK8975为AKM公司研发的一款三轴磁力计，该模块采用高精度磁场感应技术，使用时可以不考虑干扰效果直接贴在PCB上，内置多种驱动电路，芯片尺寸大小仅仅3*3*0.9mm，芯片实物图如图1.15所示。图1.16AK8975芯片实物图芯片通过IIC通信协议与单片机进行通信[27]，，满足大部分的工业要求。STM32经过IIC协议得到磁力传感器的数据，通过拟合数据得到比较精确的横向角定位。表1.3为AK8975的电气参数。表1.3AK8975芯片电气参数AK8975电气参数工作电压2.16V~1.6V功耗正常工作状态2uA精度在±16gcuus磁场环境下具有5mgauus分辨率频率输出频率可达到160HZ工作温度-30℃~＋85℃技术特性使用AMR技术，提高了获得到的数据精确度，提升了测量数据的可靠性。在与STM32飞控的连接中，因为IIC总线下可以外挂多个设备，陀螺仪与磁力计挂载在同一IIC总线下，时钟线连接单片机的PB6，数据线连接单片机的PB7，具体连接图如图1.17所示。图1.17磁力计与STM32连接图1.2.3MS5611气压计气压计的设计是利用压强关系与海拔的数学关系设立的一套模型，单片机通过算法将压强与当前位置进行拟合，再根据设定好的初始值，获得自己的实时高度[28]。本课题采用MS5611数字气压高度计，实物图如图1.18所示MS5611是由MEAS公司生产的一款高精度气压计，精度达到10厘米以内。MS5611气压传感器正常状态电压为1.3v，测量范围在10~1200mbar，封装为QFN封装，可以直接贴片到电路板上。图1.18MS5611气压计实物图在出厂时，每个气压计都在实验室中进行校准，并且将相应的数据存储在FLASH中。MS5611电气参数如表1.4所述。表1.4MS5611电气参数MS5611性能描述气压分辨率10cm转换时间＜1ms工作电流工作电流1uA（待机状态＜0.15uA）QFN封装尺寸5*3*1mm供电电压1.8V~1.6V集成数字气压传感器24位ADC测量/工作范围10~1200mbar工作温度-40℃~+85℃通信接口IIC传输速率最高20MHz该传感器具有高精度压力传感器和一个高位的ADC转换处理器，同时也可以输出一个24位的数字温度值。其原理框图如图1.19所示。图1.19MS5611气压计工作原理图在本课题中，MS5611通过IIC总线与stm32进行连接，则SPI模式不过多阐述。单片机通过输入时钟信号和数据线来传输数据。在IIC总线上可以使用多个传感器和两个不同的地址。MS5611与飞控的连接如图1.20所示。图1.20MS5611气压计与STM32连接图1.5超声波避障系统的设计无人机飞行在复杂的环境中，由于操作人员与摄像头视野的局限性，可能与障碍物发生碰撞剐蹭，进而损坏无人机本体或设备造成不必要的经济损失。为了避免这种损失，降低人工操作的失误率，需要为无人机设定一套超声波避障系统[29]，图1.21为超声波测距原理，该模块主要包含两个压电晶片，压电晶片一负责发送高频脉冲，另一个负责接收，由于压电效应，晶片会震动产生电压。超声波信号遇到障碍物便会反射回来，另一个压电晶片负责接受空气中的震动，通过压电效应的逆过程，将震动转换成电信号，模块上自带MCU，来处理这个信号。图1.21超声波测距原理图该模块可以实现2厘米到5米的测量范围，可以5V供电，工作时功耗很低，有多重通信方式，内带看门狗，工作可靠稳定，图1.22为US-100超声波模块实物图，表1.5列出该模块的部分电气参数。图1.22US-100超声波模组实物图表1.5US-100超声波模块电气参数表电气参数US-100超声波测距模块工作电压DC2.4V~3.5V静态电流2mA工作温度-10~+40度输出方式电平或串口通信感应角度小于15度探测距离2cm~450cm探测精度0.3cm+1%US-100与STM32通过串口进行连接，VCC为模块供电电源，本模块为宽电压供电，范围为2.4v到3.5v，TRIG为信号输入，MCU触发这个信号，ECHO为接收信号，当接收到信号后，外部中断反馈为单片机得到信息。在本课题中的超声波避障系统的设计中，为了保证无人机全方位的避障，需要在无人机的横向四个方向安装超声波模块，对侧面四个方向的障碍物进行扫描，当探测阈值小于安全阈值时，单片机作出反应，控制无人机保证安全。1.6环境检测传感器的设计1.6.1DHT22数字温湿度传感器每一个DHT22温湿度传感器都经过实验室校准[30]。自带一个低功耗单片机，将数据存储在内存中，在读取温度时，首先读取这些系数，大大提高数据的精确性，通过上拉电阻，大大提到通讯距离。使其多种应用场合的最佳选择产品。图1.23为DHT22温湿度模块的实物图。图1.23DHT22数字温湿度模块实物图DHT22测温范围较宽，精度尚可，符合实际使用需求；采样时间最少可以降低到5毫秒，但是采样周期在2秒以上，虽然采样周期较长，但根据无人机的运行环境，并不需要很高的采样周期。供电电压为1.3~5V，满足本课题的需求。表1.6为DHT22温湿度模块的部分电气参数。表1.7DHT22温湿度模块电气参数项目参数范围湿度测量范围0%~99%（0~55℃）湿度测量误差±2%温度测量范围-40~80℃温度测量误差±0.5℃分辨率16bit采样周期2s采样时间5ms供电电压3~3.5VDHT22使用三个引脚，分别为电源正极，电源地与信号线，3端口为数字通信接口，使用时需要提供上拉电阻，图1.24为该模块的应用连接图。图1.24DHT22与STM32连接1.6.2磁力传感器无人机需要搭载磁场传感器[31]，工作人员通过读取无人机上所搭载的磁场传感器，判断无人机的正常工作是否会受到强磁力的干扰，或者在检测到有故障状态时判断环境是否可以让工作人员正常作业，从而保护工作人员的安全。KY-003是一款磁力霍尔传感器模块，实物图如1.25所示，该模块基于霍尔效应原理，输出值为模拟信号，根据磁场强度的不同具有不同的模拟量输出。该模块体积小便与集成。在传感器没有磁通量时，输出的模拟电压为2.5V，在检测到有磁通量变化后，模拟电压值发生变化，所以，可以直接将输出口连接到STM32的ADC采集口。图1.25磁性感应器实物图1.6.3光照强度传感器光照强度传感器的原理是光敏电阻在受到光照时，电阻率会减低，市场上的光照传感器大致分为两类：一种是模拟量输出，需要用户自己进行运算处理，另外一种提供数字量输出[32]。第一种原理简单，使用方便，但是精确度有限。实物图如图1.26所示。后者采集精度高，但是速度慢、成本高，实物图如图1.27所示。具体结合本课题的研究内容，无人机是一种需要实时性很强的系统，而且本课题所需的光照环境仅仅为大致的光照环境，所以，本课题采用第一种作为所需的光照传感器。1.26光敏传感器模块实物图图1.27数字式光照强度传感器实物图该传感器采用光敏电阻，集成运放，输出无杂波，可以调节灵敏度，供电根据单片机的种类不同选择不同的供电，兼容多种单片机，拥有两种输出方式，模块在光照强度足够