基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于領(lǐng)航?跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)，其特征在于；主從四旋翼飛行器上搭載有空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣源影像采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、電源模塊；與上述無線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的地面監(jiān)控系統(tǒng)，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括用于監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的粉塵顆粒傳感器和氣體傳感器；氣源影像采集系統(tǒng)包括用于獲取氣體源的影像信息的攝像頭和圖像傳輸收發(fā)器；無線通信系統(tǒng)包括GPS和nRF2401無線收發(fā)器；電源模塊包括對(duì)各耗電元件進(jìn)行供電的鋰電池，以及與該鋰電池電連接的降壓及穩(wěn)壓模塊；地面監(jiān)控系統(tǒng)包括接收空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息、并對(duì)主從四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制的上位機(jī)；上位機(jī)包括圖像接收機(jī)及顯示器。
【專利說明】
基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機(jī)，是一種有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈交叉式分布的六自由度欠驅(qū)動(dòng)飛行器，可以搭配GoPro或者其它微型相機(jī)錄制空中視頻。四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動(dòng)力源，旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。
[0003]多智能體系統(tǒng)是多個(gè)智能體組成的集合，它的目標(biāo)是將大而復(fù)雜的系統(tǒng)建設(shè)成小的、彼此互相通信和協(xié)調(diào)的，易于管理的系統(tǒng)。它的研究涉及智能體的知識(shí)、目標(biāo)、技能、規(guī)劃以及如何使智能體采取協(xié)調(diào)行動(dòng)解決問題等。研究者主要研究智能體之間的交互通信、協(xié)調(diào)合作、沖突消解等方面，強(qiáng)調(diào)多個(gè)智能體之間的緊密群體合作，而非個(gè)體能力的自治和發(fā)揮，主要說明如何分析、設(shè)計(jì)和集成多個(gè)智能體構(gòu)成相互協(xié)作的系統(tǒng)。
[0004]傳感技術(shù)是關(guān)于從自然信源獲取信息，并對(duì)之進(jìn)行處理(變換)和識(shí)別的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，它涉及傳感器(又稱換能器)、信息處理和識(shí)別的規(guī)劃設(shè)計(jì)、開發(fā)、制/建造、測(cè)試、應(yīng)用及評(píng)價(jià)改進(jìn)等活動(dòng)。傳感技術(shù)是遵循信息論和系統(tǒng)論的，它包含了眾多的高新技術(shù)并被眾多的產(chǎn)業(yè)廣泛采用。傳感器根據(jù)其基本感知功能通?？煞譃闊崦粼?、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置，表面敏感型氣體傳感器可檢測(cè)C0、N02、氟利昂等等可燃性氣體，容積控制型半導(dǎo)體氣體傳感器可檢測(cè)液化石油氣、酒精、燃燒爐氣尾氣等氣體。
[0005]無線通信是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:使用一種可實(shí)時(shí)檢測(cè)任意空域的基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0008]—種基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)，包括:主從四旋翼飛行器、和用于控制主從四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的飛行控制系統(tǒng);其特征在于:
[0009]在所述主從四旋翼飛行器上搭載有空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣源影像采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、電源模塊;至少還包括與上述無線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的地面監(jiān)控系統(tǒng)，其中:
[0010]所述空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括用于監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的粉塵顆粒傳感器和氣體傳感器；
[0011]所述氣源影像采集系統(tǒng)包括用于獲取氣體源的影像信息的攝像頭和圖像傳輸收發(fā)器；
[0012]所述無線通信系統(tǒng)包括GPS和nRF2401無線收發(fā)器；
[0013]所述電源模塊包括對(duì)各耗電元件進(jìn)行供電的鋰電池，以及與該鋰電池電連接的降壓及穩(wěn)壓模塊；
[0014]所述地面監(jiān)控系統(tǒng)包括接收空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息、并對(duì)主從四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制的上位機(jī);在該上位機(jī)包括圖像接收機(jī)及顯示器。
[0015]進(jìn)一步:所述的飛行控制系統(tǒng)包括STM32處理器、與所述STM32處理器電連接的:三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、氣壓計(jì)、光流傳感器和電子調(diào)速器，三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、氣壓計(jì)，所述電子調(diào)速器與主從四旋翼飛行器電機(jī)連接。
[0016]進(jìn)一步:所述的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括碳氧化物傳感器、硫化物傳感器、粉塵顆粒傳感器。
[0017]進(jìn)一步:所述鋰電池的輸出電壓為11.1V;所述降壓及穩(wěn)壓模塊的輸出電壓為5V和3.3Vo
[0018]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0019]1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，負(fù)重適中，成本低。
[0020]2、實(shí)現(xiàn)了特定環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而可避免由環(huán)境引起的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。[0021 ] 3、能夠自動(dòng)追蹤氣源并完成取證任務(wù)。
[0022]4、采用無線充電技術(shù)，無需過多人力干預(yù)，從而可節(jié)省人力資源。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的整體系統(tǒng)框圖；
[0024]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中主機(jī)結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中從機(jī)結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖中，1-四旋翼，2-四旋翼飛行支架。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下:
[0029]請(qǐng)參閱圖1至圖4，一種基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)，包括:
[0030]主從四旋翼飛行器、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣源影像采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、電源模塊和地面監(jiān)控系統(tǒng)，其中:
[0031]主從四旋翼飛行器通過飛行控制系統(tǒng)確保其飛行姿態(tài)穩(wěn)定并用來搭載空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；
[0032]空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括粉塵顆粒傳感器、氣體傳感器，用于空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)；
[0033]氣源影像采集系統(tǒng)包括攝像頭、圖像傳輸收發(fā)器，用于獲取氣體源的影像信息；
[0034]無線通信系統(tǒng)包括GPS和nRF2401無線收發(fā)器，用來實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的定位以及主機(jī)、從機(jī)和上位機(jī)之間的通訊；
[0035]電源模塊包括鋰電池、降壓及穩(wěn)壓模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的供電；
[0036]地面監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)控制及數(shù)據(jù)顯示界面、圖像接收機(jī)及顯示器，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制四旋翼飛行器的姿態(tài)并顯示空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣源影像采集影像。
[0037]如圖2和圖3所示:主從四旋翼分別包括一個(gè)四旋翼I和一個(gè)四旋翼飛行支架2;
[0038]上述的飛行控制系統(tǒng)包括STM32處理器、三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、氣壓計(jì)、光流傳感器和電子調(diào)速器，三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、氣壓計(jì)、光流傳感器均與STM32處理器相連，電子調(diào)速器還連接主從四旋翼飛行器電機(jī)。
[0039]上述的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括碳氧化物傳感器、硫化物傳感器、粉塵顆粒傳感器(PM2.5^PPM10)o
[0040 ] 上述的電源模塊包括鋰電池(11.1V)、5V和3.3V降壓及穩(wěn)壓模塊。
[0041]上述的通信系統(tǒng)包括GPS和nRF2401無線收發(fā)器，用來實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的定位以及主機(jī)、從機(jī)和上位機(jī)之間的通訊。
[0042]上述優(yōu)選實(shí)施例主要包括飛行系統(tǒng)與地面上位機(jī)，飛行系統(tǒng)包括主機(jī)和從機(jī)及搭載的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量并判斷氣源方位，從機(jī)負(fù)責(zé)拍攝圖像，飛行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都是通過無線通訊模塊與地面上位機(jī)進(jìn)行信息的交換，同時(shí)，主機(jī)與從機(jī)也有信息的交流以確保飛行的平穩(wěn)與協(xié)同。
[0043]主從四旋翼飛行器接到上位機(jī)的指令后，主機(jī)和從機(jī)會(huì)同時(shí)起飛。飛行過程中，飛行控制系統(tǒng)會(huì)控制主從四旋翼飛行器的穩(wěn)定和安全飛行。待主從四旋翼飛行器飛行到一定高度后，由飛行控制系統(tǒng)控制其懸停在空中。此時(shí)，主機(jī)上的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，由STM32微處理器控制傳感器采集周圍空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過無線端口及A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并通過地面監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)界面顯示出來，與此同時(shí)，四個(gè)方位的硫化物傳感器會(huì)經(jīng)STM32微處理器控制，在上位機(jī)界面顯示出污染氣體濃度超標(biāo)的方位，從機(jī)會(huì)接到控制指令，向其濃度超標(biāo)的方位自動(dòng)飛行，并拍攝取證，將其影像通過圖像傳輸發(fā)射器傳回到地面監(jiān)控系統(tǒng)。
[0044]空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括粉塵顆粒傳感器、氣體傳感器，用于空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，各傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換模塊連接STM32微處理器。STM32微處理器通過PB 口和12C接口將傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)。四旋翼飛行器飛行過程中，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中粉塵顆粒、碳氧化物(CO)和硫化物(S02)含量，并拍攝圖像取證。
[0045]本優(yōu)選實(shí)施例的工作過程為:
[0046]由上位機(jī)對(duì)主從四旋翼飛行器發(fā)出起飛指令，使得主機(jī)和從機(jī)同時(shí)起飛至一定位置，當(dāng)主機(jī)處于懸停狀態(tài)時(shí)，其搭載的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，檢測(cè)該區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量，其中硫化物碳氧化物和粉塵顆粒(PM2.5和PM10)的含量數(shù)據(jù)會(huì)通過無線模塊傳回到地面端;與此同時(shí)，分布在東西南北四個(gè)方位上的硫化物傳感器會(huì)把數(shù)據(jù)傳回到上位機(jī)，經(jīng)地面監(jiān)控系統(tǒng)的程序算法與設(shè)定的硫化物氣體閾值比較后判斷出哪個(gè)方位的氣體含量超標(biāo)，主機(jī)會(huì)向從機(jī)發(fā)出向超標(biāo)方位飛行的指令，從機(jī)飛至氣源處并將影像數(shù)據(jù)傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)，然后，由上位機(jī)發(fā)出指令，從機(jī)飛回初始懸停位置，最后，主機(jī)和從機(jī)同時(shí)降落，任務(wù)完成。
[0047]以上對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)，包括:主從四旋翼飛行器、和用于控制主從四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的飛行控制系統(tǒng);其特征在于: 在所述主從四旋翼飛行器上搭載有空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣源影像采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、電源模塊;至少還包括與上述無線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的地面監(jiān)控系統(tǒng)，其中: 所述空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括用于監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的粉塵顆粒傳感器和氣體傳感器； 所述氣源影像采集系統(tǒng)包括用于獲取氣體源的影像信息的攝像頭和圖像傳輸收發(fā)器； 所述無線通信系統(tǒng)包括GPS和nRF2401無線收發(fā)器； 所述電源模塊包括對(duì)各耗電元件進(jìn)行供電的鋰電池，以及與該鋰電池電連接的降壓及穩(wěn)壓模塊； 所述地面監(jiān)控系統(tǒng)包括接收空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息、并對(duì)主從四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制的上位機(jī);在該上位機(jī)包括圖像接收機(jī)及顯示器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)，其特征在于: 所述的飛行控制系統(tǒng)包括STM32處理器、與所述STM32處理器電連接的:三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、氣壓計(jì)、光流傳感器和電子調(diào)速器，三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、氣壓計(jì)，所述電子調(diào)速器與主從四旋翼飛行器電機(jī)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)，其特征在于: 所述的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括碳氧化物傳感器、硫化物傳感器、粉塵顆粒傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述基于領(lǐng)航-跟隨法的空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)四旋翼編隊(duì)系統(tǒng)，其特征在于: 所述鋰電池的輸出電壓為11.1V;所述降壓及穩(wěn)壓模塊的輸出電壓為5V和3.3V。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK105974934SQ201610485243
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】高強(qiáng), 劉文杰, 田廣旭, 李俊芳
【申請(qǐng)人】天津理工大學(xué)