基于四旋翼飞行器的空中消防平台.docx

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基于四旋翼飞行器的空中消防平台

北京理工大学第十一届“世纪杯”学生参赛作品

基于四旋翼飞行器的空中消防平台

摘要

本文主要介绍一种以四旋翼飞行器为载体的消防平台，通过对外界信号的采集、分析，然后做出消防判断，扑灭一定的火势。

该系统是集光学、电学、机械学、控制理论、自动化、传感及检测、通讯技术等于一体的智能系统。

通过红外测温传感器，该系统可以感知外界是否有火源。

通过机械结构的设计，该系统能准确打开舵机，使得装载的灭火试剂洒出从而扑灭火焰。

该作品可以通过无线数据传输技术实现PC机与飞行器的实时通信，也可以实现单片机与飞行器的实时通信，完成信息采集功能。

该机体还预留安装无线监控摄像头，GPS等位置。

不仅可以简化为日常生活玩具，也能在消防部门和军事的特殊工作等领域发挥巨大作用。

关键词：

四旋翼，消防，单片机，无线通讯。

Abstract

Thisarticleintroducesakindoffirefightingplatformbasedonfourrotoraircraft.Bycollectingandanalyzingexternalsignal,itwillmakethejudgementandputoutthefirewhennecessary.Thisintelligentsystemutilizesasetoftechnologiessuchasoptical,electrical,mechanical,automation,controltheory,sensoranddetecting,communicationtechnology.Bymeansoftheinfraredtemperaturesensor,thesystemcaneasilynoticethefirenearby.Relyonitsperfectmechanicaldesign,itwillspilloutfireextinguishingreagentswhenopeningthesteeringengineautomatically.Thisworkisdesiredtoimplementthereal-timecommunicationbetweennotonlyPCandaircraftbutalsoMicrocontrollerUnitandaircraft,whichisaccomplishedbywirelesstransmissiontechnology.SomespacehasbeenreservedforwirelesscameraandGPS.Ontheonehanditcanbejustaplaythingforordinarypeople,ontheotherhanditisabletoplayabigroleinfiredepartmentandthespecialworkofmilitary.

Keywords:

fourrotoraircraft,firecontrol,MCU,wirelesscommunication.

目录

第一章四旋翼消防平台的研究背景及意义3

1.1国内外四旋翼的研究背景3

1.2四旋翼开发为消防平台的研究意义4

第二章项目整体概要5

2.1项目整体设计思想5

2.2项目实现的功能7

2.3控制器的选择7

2.4系统采集信息和通信部分7

2.4.1火焰监测部分8

2.4.2信息采集部分8

2.4.3通信部分8

2.5执行机构的设计8

第三章系统硬件，软件详细介绍9

3.1系统硬件部分介绍9

3.1.1电源部分9

3.1.2传感器部分9

3.1.3AD转换器部分13

3.1.4飞行器部分14

3.1.5无线通讯部分16

3.2系统软件设计的介绍16

3.2.1主程序流程图16

3.2.2火焰检测电路工作流程17

3.2.3数据传输18

第四章项目总结20

4.1项目工作总结20

4.2项目学习总结20

4.3项目改造前景20

参考文献21

第一章四旋翼消防平台的研究背景及意义

1.1国内外四旋翼的研究背景

早在1907年，法国人布瑞盖切所发明的世界第一架有人驾驶的四旋翼飞行器就已能升上天空，但由于构造复杂，飞行员不易操纵等原因，四旋翼飞行器发展并非一帆风顺。

近年来，随着新材料，微机电，微小型飞行器控制等技术的进步，微小型多旋翼飞行器逐渐成为迅速发展的重点。

四旋翼无人飞行器是当今无人机研究领域中的一个热点。

据统计，仅在美国注册登记的旋翼机就有几万架，正在进行旋翼机研制的公司有几十家，主要有SPORTCOPTER、GBA等大规模的公司。

格莱恩航空公司第11届北京国际航空展览会上展示的“松雀鹰”（又名“猎鹰”2号，HAWK一2）乘员两人，最大航速185公里／小时，巡航速度为130公里／小时，续航时间4小时，航程500公里，售价6万美元～7．5万美元，是目前市面上最为安全、价位低廉的高性能轻型螺旋桨飞行器。

值得注意的是，一些国家的政府机构已经在关注旋翼机的发展。

美国NASA正在资助CarterCopter旋翼机的研制，其最大平飞速度可达804．5krrgh或更高。

GBA公司在美国政府的资助下，进行大型喷气发动机式旋翼机的研制。

美国海军还对无人旋翼机展开了研究，并进行相关自转风洞试验。

旋翼机在国内的研究还较少。

在1998年中国珠海国际航空航天展览会上，泰克（天津）飞行器制造有限公司制造的泰克150型旋翼机是本次航展中唯一的旋翼机，并以其卓越的机动性能吸引了人们的极大关注。

最近，北京东方神鹰科技发展有限责任公司与南京航空航天大学直升机技术研究所合作，共同研发了ZX1型“开拓者”自转旋翼机。

图1-1图1-2

德国的Draganfly微型四旋翼飞行器美国格莱恩兄弟公司“猎鹰”4号旋翼机

1.2四旋翼开发为消防平台的研究意义

鉴于消防车存在的弊端和消防机器人的优点，我们小组经过讨论，并结合运用实际，准备设计一种基于单片机控制的空中自主消防平台。

该平台主要是以四旋翼为基础的，与固定翼飞机消防相比，四旋翼飞行器更加灵活，稳定性更高，特别是它的悬停性能优异，能够比较精确的飞抵火灾地点，更适合在小范围内灭火。

四旋翼与传统直升机相比，由于四旋翼的四个螺旋桨启动相对于传统直升机来讲，载重量得到了提高，而且小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有在小区域范围内起飞，盘旋，飞行，着陆的能力。

“基于四旋翼飞行器的空中消防平台”的创新点在于发挥了四旋翼的特点并将其利用在了消防方面。

就目前旋翼机的发展上看，一般市场上四旋翼机基本是用来作为航拍平台，并未发挥它的潜力。

如能将其开发为辅助消防的一种工具，必将大有前景。

第二章项目整体概要

2.1项目整体设计思想

本项目结合光学，电学，机械学，控制学等多种理论，形成了一个高水平的实验体系。

总体设计图如图2-1，2-2：

项目采用的是ATMER公司的89C52单片机，该单片机操作处理简单，运算速度能满足本项目要求。

项目结合信号采集，无线控制，遥控器控制等多种技术。

利用51单片机作为整体核心，采用超声波传感器，红外测温传感器TN9以及火焰传感器采集外界信息。

采用舵机控制消防装置。

通过上位机与单片机数据传输实现对消防平台的适时监测和控制。

实物如图2-3和2-4所示：

图2-3图2-4

总电路图如图2-5所示：

图2-5

2.2项目实现的功能

●实现温度采集、监控、报警

●可携带灭火试剂（比如水或者沙土）灭火

●巡逻监测

●远程监视

●引导地面消防人员

2.3控制器的选择

目前常见的主控制器有MOTOROLA单片机，MICROCHIP单片机，东芝单片机，ATMER的AVR单片机，51单片机等很多类型，但基本原理都很类似。

综合成本，速度，存储容量，本项目采用的是ATMER公司的89c52单片机，该类单片机共有1个串口中断，3个定时器中断，2个外部中断，4KB的程序存储容量，采用的是11.0592MHz晶振。

因为为了实现与上位机数据传输，必须使用特定波特率。

前期采用的是12MHz晶振，但是实验发现由于波特率误差，数据传输过程中出错，改变晶振频率能很容易的解决该问题。

本系统使用了89C52的2个定时器中断，2个外部中断和1个串口中断。

2.4系统采集信息和通信部分

图2-6

2.4.1火焰监测部分

该检测部分主要依靠火焰传感器来完成。

如图2-6左侧。

2.4.2信息采集部分

该检测部分主要依靠红外测温传感器TN9（图2-6右侧）以及超声波传感器来完成。

火焰传感器主要判断是否有火焰从而启动消防模式，TN9以及超声波传感器主要负责采集外界信息并反馈给地面人员。

2.4.3通信部分

本项目采用的是NRF905无线透传模块，上位机采用labview进行编程。

上位机如图2-7所示：

图2-7

2.5执行机构的设计

本项目采用的是直流电机提供升力，通过4个电子调速器4个电机。

实现前后4个直流电机的正反转，从而控制飞行器的运动状态。

舵机充当灭火装置的开关，具体详见第3章

第三章系统硬件，软件详细介绍

3.1系统硬件部分介绍

3.1.1电源部分

为简化设计同时有效减轻飞机起飞重量，增大飞机载荷，本项目的单片机采用手机移动电源供电，可靠性较高。

3.1.2传感器部分

本项目采用的传感器有三种：

红外测温传感器，火焰传感器，超声波传感器。

下面分别简要介绍各传感器的功能。

●红外测温传感器

（1）.红外测温传感器概述：

安装在飞机的前方用于检测温度，我们采用的传感器是凌阳科技公司生产的TN9红外测温传感器，引脚和实物图如图3-1。

图3-1

（2）.各引脚的功能如下：

V———电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V

D———数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平

C———2KHzClock输出引脚；G为接地引脚

G———接地引脚

A———测温启动信号引脚，低电平有效

（3）.红外测温模块的时序及测量结果的计算

红外测温模块的时序图如下图，在CLOCK的下降沿时接收数据。

一帧数据包括五个字节，每个字节代表含义如下：

Item:

“L”（4CH）:

代表此阵数据为目标温度

“f”（66H）:

代表此帧数据为环境温度

MSB:

8bitDataMsb

LSB:

8bitDataLsb

Sum:

item+MSB+LSB=SUM

CR:

0DH，结束码

例如：

如果一次温度测量需接收5个字节的数据，这5个字节中：

Item为0x4c表示测量目标温度，为0x6c表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确时Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0xodH时表示完成一次温度数据接收。

图3-2

（4）红外测温模块温度值的计算：

以上面的例子：

无论测量环境温度还是目标温度，只要检测到Item为0x4cH或者0x66H同时检测到CR为0x0dH，他们的温度的计算方法都相同。

计算公式：

目标温度/环境温度=Temp/16-273.15

其中Temp为十进制，当把它转换成十六进制的高八位为MSB，低八位为LSB；比如MSB为0x14H，LSB为0x2Ah，则Temp十六进制时为0x142aH，十进制时为5162，则测得的温度值为5162/16-273.15=39.475℃.

●火焰传感器

本项目使用的是雁凌电子的火焰传感器YL—38模块，并配合ADC0832模数转换器（将在后一节介绍）完成火焰的感测和火焰温度的大致测量。

火焰传感器也安装在飞机前方，用于在飞行过程中检测是否有火焰，如果感测到火焰，火焰传感器的数字口输出低电平，触发单片机的中断，在中断服务程序里根据预先设定的温度门限值判定是否驱动舵机，放水灭火。

其实物和引脚图如图3-3所示。

图3-3

引脚介绍：

VCC———电源正极

GND———电源地

D0————数字量输出口，检测到火焰时输出高电平，否则为低电平

A0————模拟量输出口，输出模拟电压，电压越低，火焰亮度越高

●超声波传感器

（1）超声波传感器概述

飞机的前后部各有一个该模块，前面的用于配合玉兔飞控板，后面用于测量飞机到地面的高度，同时通过无线数传模块把高度发回地面方便地面操控人员对飞机的操控。

实物图和引脚图如图3-4所示。

图3-4

（2）引脚介绍

VCC----电源正极，接5V电源；

GND----地线；

Trig----触发控制信号输入，

Echo----回响信号输出

（3）模块操作时序及测量结果的计算

首先利用单片机输出一个10us以上的触发信号，把触发信号通过Trig管脚输入到超声波测距模块，再由超声波测距模块的发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机通过软件开始计时（本项目使用单片机的T0定时器计时，测距结果较准确），超声波在空气中传播，途中碰到障碍物返回，超声波测距模块的接收器收到反射波后通过产生一个回应信号并通过ECHO脚反馈给单片机，此时单片机就立即停止计时。

时序图如图所示。

由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即：

S=VT/2，通过单片机来算出距离。

图3-5

3.1.3AD转换器部分

（1）ADC0832芯片概述：

为了测量火焰传感器的模拟电压输出值，本项目采用ADC0832芯片来进行模数转换，它体积比较小固定在电机臂上，实物和引脚图如下。

图3-6

（2）引脚功能简介：

CS------片选使能，低电平芯片使能。

CH0-----模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1------模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

GND------芯片参考0电位（地）。

DI------数据信号输入，选择通道控制。

DO------数据信号输出，转换数据输出。

CLK------芯片时钟输入。

Vcc/REF-----电源输入及参考电压输入（复用）。

（3）操作时序：

图3-7

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时我们将DO和DI并联在一根数据线上使用。

本项目中，芯片所用的时钟信号用软件模拟产生。

CS置零时启动转换，前2个时钟周期完成转换通道的选择，以后8个时钟周期完成数据位的转换输出，再后8个时钟周期完成数据校验位的输出，这样一次AD转换就完成了。

3.1.4飞行器部分

●电机选择

本项目采用新西达2212（KV1000）直流电机，性价比高。

图3-8

●电调选择

本项目采用好盈天行者电调（40A），性价比高,功率稳定，是目前航模主流电调。

图3-9

●飞控板选择

飞控板采用32位ARM处理器的玉兔飞控板，以及现有最新的传感器，飞行稳定，安全可靠，简单连接好飞控板后默认设置下就可稳定飞行，基本板已包含高精度数字3轴陀螺和数字3轴加速度计，结构紧凑，体积小，不用附加任何板就可以实现稳定和平衡功能，还可以外接扩超声波、气压计、3轴地磁传感器、GPS等实现定高、定点、自动起降等更多的功能。

3.1.5无线通讯部分

本项目采用nrf905来进行无线通讯，电脑作为上位机，实时接收单片机系统发出的温度，高度的数值，并通过Labview开发的界面程序以图表的形式显示温度和高度情况。

nrf905的实物图3-10

图3-10

由于该模块采用驱动板，大大简化了软件的设计，只要在单片机上编写好串口收发程序通过TXD引脚把数据发送出去，通过RXD引脚来接收数据，同时每次发送数据成功驱动板的绿灯会闪一下，接收数据成功红灯会闪一下，方便判断模块是否正常工作。

3.2系统软件设计的介绍

3.2.1主程序流程图

在四旋翼行进过程中检测火焰，一旦发现火焰则切换到消防程序，计算火焰位置，准确定位并启动舵机，打开开关，灭火后检测火焰是否被扑灭，确定火焰被扑灭后回到原始位置，流程图如图3-12所示：

图3-11

3.2.2火焰检测电路工作流程

不同于其他灭火方式，我们在飞行器飞行之前设定火焰的门限值，一旦火焰传感器通过AD转换后的电压值低于门限值，便启动灭火程序，启动舵机洒水或沙土灭火。

图3-12

3.2.3数据传输

飞行器在巡逻过程中不断采集温度信息，通过无线模块发送至终端，其中单片机充当移动设备如图3-14所示，方便消防人员携带，起到引导地面人员赶赴火灾地点。

另一个终端PC机也就是上位机充当后台如图3-15所示，监控地区的火情。

数据传输如图3-13所示：

简易移动设备总监视平台

图3-13

图3-14单片机图3-15上位机

第四章项目总结

4.1项目工作总结

本课题主要进行了：

（1）四旋翼的研究，虽然是使用飞控板，但是对飞行器也了解了不少。

（2）在一系列外部传感器的应用前提下，完成了环境数据的采集和分析，并通过无线传输模块发至地面单片机和PC机，实现单片机与外界的通信。

（3）实现了四旋翼飞行器自主扑灭一定的火势。

4.2项目学习总结

完成本项目最重要的是学会了设计理念，能完成一个项目的规划和设计。

制作项目的过程，通过和同学们的交流，更体会到了团队意识的重要性。

通过做该项目，学会了如何综合设计一个项目，如何开始做项目。

更重要的是学到了很多课内很难学到的东西，更加熟悉了单片机。

学会使用了很多的芯片和电子器件。

4.3项目改造前景

“基于四旋翼飞行器的空中消防平台”的创新点在于发挥了四旋翼的特点并将其利用在了消防方面，并且该项目在做的过程中预留了GPS,航拍的空间，这两项都是目前旋翼类飞行器最擅长的方面，如果加入这两个模块，该项目消防效果会更出色，实用性更好。

参考文献

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【2】韩广，王田苗，梁建宏，赵建昌基于nRF905的温度数据采集及无线传输系统的设计武汉科技大学控制理论与控制工程2006年

【3】林继建，昊明光PC机和单片机串行通信程序设计浙江大学工业控制研究所2009年

【4】黄涛四旋翼飞行器建模、控制与仿真西安电子科技大

【5】于　祯,王秀清基于LabVIEW与单片机串口的信号处理的研究天津科技大学电子信息与自动化学院2006

【6】贾定宏何智力韦升俊四旋翼微型飞行器控制系统设计南京航空航天大学自动化学院

【7】刘自范小型地面移动遥控机器人的设计与实现郑州大学

【8】陆雯基于单片机的PWM控制直流电机转速方法

【9】蔡国玮．无人驾驶旋翼飞行器系统[M].北京:

清华大学出版社,2012.

【10】史莹晶．航空飞行器控制与仿真[M].北京:

电子科技大学出版社,2011.

【11】方震，赵湛，郭鹏，等．基于RSSI测距分析［J］．传感技术学报，2007，20（11）:

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