基于四旋翼的火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

魏 雅

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 咸陽(yáng) 712000）

1 引言

傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)的方式主要有人工巡航、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、定點(diǎn)監(jiān)控、空中巡邏等。當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的日益改善及生活水平的提高，火災(zāi)發(fā)生率也增高了，消防人員所面臨的消防滅火和救援任務(wù)也變的復(fù)雜，針對(duì)各類(lèi)山林火災(zāi)，次生災(zāi)害或高層火災(zāi)等情況，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)偵查監(jiān)測(cè)方式的局限性已日益凸顯，偵查手段的落后所帶來(lái)的生命和財(cái)產(chǎn)損失不可估量。國(guó)內(nèi)外也設(shè)計(jì)了用于火災(zāi)探測(cè)、監(jiān)測(cè)和滅火的多協(xié)同工作的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。他們主要著重于通過(guò)對(duì)森林的全方位監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展情況的準(zhǔn)確把握，尋找著火點(diǎn)。但不能為救援提供火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套基于四旋翼飛行器平臺(tái)的火災(zāi)檢測(cè)裝置，將解決和彌補(bǔ)開(kāi)闊區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)和災(zāi)后次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)過(guò)程中，傳統(tǒng)感溫、感煙等監(jiān)測(cè)手段和方法的局限性［1］。可以通過(guò)系統(tǒng)裝置完成溫度、煙霧檢測(cè)，以及航拍監(jiān)測(cè)的任務(wù)，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)即時(shí)返回控制中心，控制中心根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)做出應(yīng)急處理。

2 飛行器控制算法

監(jiān)測(cè)飛行裝置的姿態(tài)控制包括縱向運(yùn)動(dòng)、懸停運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制。在設(shè)計(jì)中通過(guò)建立飛行器的動(dòng)力學(xué)模型、設(shè)計(jì)PID控制器來(lái)對(duì)飛行裝置進(jìn)行姿態(tài)控制，通過(guò)對(duì)PID控制算法［8］的設(shè)計(jì)及模擬確定監(jiān)測(cè)裝置。

因?yàn)樗男盹w行器的控制比較復(fù)雜，所以將四旋翼飛行器視為一個(gè)均勻?qū)ΨQ(chēng)體，其重心放在飛行器的幾何中心，將機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)與飛行器重心位置重合；忽略飛行器近地飛行時(shí)的地效效應(yīng)，空氣阻力僅與飛行速度相關(guān)；認(rèn)為螺旋槳產(chǎn)生的升力與旋翼轉(zhuǎn)速的平方成正比，產(chǎn)生的反扭矩大小也與旋翼轉(zhuǎn)速的平方成正比［2］。建立數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)PID控制算法的要求，在Matlab環(huán)境下采用試湊法獲取參數(shù)值，再將PID控制器與動(dòng)力學(xué)模型聯(lián)立起來(lái)，建立四旋翼控制器模型。經(jīng)過(guò)仿真得到對(duì)應(yīng)的仿真曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)觀察，表明PID控制器下系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，有較小的穩(wěn)態(tài)誤差和較小的超調(diào)量，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好。

3 四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型建立和PID控制

3.1 四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型建立

系統(tǒng)中采用牛頓歐拉方程建立動(dòng)力學(xué)模型，在慣性坐標(biāo)系E（OXYZ）和機(jī)體坐標(biāo)系B（OXYZ）下，寫(xiě)出飛行器的慣性矩陣，通過(guò)牛頓歐拉方程表達(dá)式寫(xiě)出其中姿態(tài)角矩陣，再得到機(jī)體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。因四旋翼飛行器所受力包括：旋翼升力，豎直向下的機(jī)體重力，與運(yùn)動(dòng)方向相反的空氣阻力，所以可以通過(guò)牛頓歐拉方程、機(jī)體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣、地面坐標(biāo)系下四旋翼飛行器合力三個(gè)公式聯(lián)立，可得到四旋翼飛行器線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模型方程如下：

四旋翼飛行器飛行過(guò)程中所受力矩為

其中kd為空氣阻力系數(shù)。最后得到飛行器的力矩表達(dá)式：

由式（4）、（5）整理可得到飛行器的角運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中k為與空氣密度以及飛行器移動(dòng)時(shí)的速度方向垂直的有效面積有關(guān)的一常量，式（1～3）和式（6～8）即為系統(tǒng)所建立的四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型。考慮到在無(wú)風(fēng)或慢速飛行條件下，角度變化率幾乎為零，所以通過(guò)以上聯(lián)立可將平衡點(diǎn)位置四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化為

3.2 PID控制

根據(jù)建立的PID模型設(shè)計(jì)，PID控制傳遞函數(shù)表示為

設(shè)定在穩(wěn)定飛行中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為常量，電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型可寫(xiě)作：

通過(guò)多次飛行試驗(yàn)以獲得飛行器相關(guān)數(shù)據(jù)和PID仿真參數(shù)，如表1所示。其中K為升力系數(shù)，d為反扭矩系數(shù)。

表1 四旋翼飛行器相關(guān)參數(shù)表

接下通過(guò)試湊法獲參數(shù)值，如表2所示。

表2 仿真參數(shù)取值表

把相關(guān)參數(shù)代入四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型和PID控制器傳遞函數(shù)中，在Matlab環(huán)境下編程，仿真獲得階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。從仿真曲線(xiàn)可以看出在PID控制器下系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，有較小的穩(wěn)態(tài)誤差

4 控制系統(tǒng)的硬件組成

基于四旋翼飛行器［2］的裝置主要解決飛行平穩(wěn)控制和火災(zāi)監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面的主要功能。根據(jù)需求功能的要求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件如下所示。

4.1 微處理器選擇

監(jiān)測(cè)飛行器的核心器件采用的是由ATMEL公司生產(chǎn)的ATMEGA2560微處理器。它可接收八通道的PWM輸入和八通道的PWM輸出，采用的時(shí)鐘頻 率為 16MHz，EEPROM 為 4K?8，接口 類(lèi)型有JTAG、SPI、USART。它連接著各個(gè)傳感器和接收機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)飛行控制信號(hào)的校正計(jì)算和輸出，同時(shí)協(xié)調(diào)配合各個(gè)傳感器協(xié)同工作。

4.2 傳感器選擇

傳感器［3］的作用相當(dāng)于飛行裝置的感官，直接影響飛行器完成監(jiān)測(cè)任務(wù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)在滿(mǎn)足檢測(cè)要求的同時(shí)，具有功耗低、可靠性好、體積小、重量輕的原則選擇對(duì)應(yīng)的傳感器。飛行器方位的確定選取的是HMC5883羅盤(pán)［13］。加速度和姿態(tài)角的測(cè)量采用的是整合了三軸陀螺儀和三軸加速度的六軸MEMS傳感器MPU6000［12］。通過(guò)它時(shí)刻采集飛行器的姿態(tài)角和運(yùn)動(dòng)加速度，來(lái)調(diào)節(jié)飛行器的平穩(wěn)飛行和實(shí)時(shí)控制［14］。在火災(zāi)及次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的溫度與煙霧的檢測(cè)采用的是支持“單總線(xiàn)”接口的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20及具有檢測(cè)液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、煙霧等的煙霧傳感器MQ-2。MQ-2檢測(cè)電路［5］將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器［5］ADS0832轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳遞給單片機(jī)處理。在無(wú)明火的情形下，監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到的溫度值和煙霧濃度值均大于相應(yīng)的臨界值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)點(diǎn)亮PAO口的燈，預(yù)示著暗火復(fù)燃的可能性較大，可能發(fā)生次生災(zāi)害的危險(xiǎn)。

4.3 硬件組成框圖

據(jù)功能分析，整個(gè)硬件系統(tǒng)包括控制器模塊、傳感器模塊、電機(jī)控制模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

在系統(tǒng)控制中，微處理器控制信號(hào)經(jīng)電子調(diào)速器，通過(guò)I2C總線(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并由電子調(diào)速器提供電源，電機(jī)帶動(dòng)四旋翼旋轉(zhuǎn)，為整個(gè)飛行器的運(yùn)動(dòng)提供升力，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，俯仰，偏航等姿態(tài)運(yùn)動(dòng)［8］的變化。

在整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊完成整個(gè)飛控地面站與飛行器間的通信，地面站接收飛行器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制信號(hào)。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊完成平臺(tái)溫度、煙霧信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸接收任務(wù)，并進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)處理、顯示；遙控發(fā)送機(jī)和接收機(jī)擔(dān)負(fù)整個(gè)飛行器的姿態(tài)控制；無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊完成監(jiān)測(cè)視頻信號(hào)的傳輸、處理、顯示。

5 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

5.1 溫度處理程序設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)部分使用的是穩(wěn)定性較好的DS18B20傳感器芯片［4］，它集成了溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽栽诰帉?xiě)程序時(shí)只要按照工作周期檢測(cè)溫度和數(shù)據(jù)處理［6］即可。將讀取的環(huán)境溫度直觀的顯示在 LCD1602［7］顯示屏上。

單片機(jī)讀取溫度的步驟包括：1）跳過(guò)ROM操作；2）發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令；3）跳過(guò)ROM操作；4）發(fā)送讀取溫度值命令；5）讀取溫度值，其操作程序流程圖［4］如圖2所示。要注意，DS18B20經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值是以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器中，最后需進(jìn)行進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。

圖2 DS18B20程序設(shè)計(jì)流程

圖3 顯示部分的流程圖

5.2 顯示部分程序設(shè)計(jì)

溫度顯示部分采用的是LCD1602液晶顯示。LCD1602液晶顯示屏寫(xiě)進(jìn)的數(shù)據(jù)是以ASCII碼識(shí)別的，因此寫(xiě)進(jìn)的數(shù)據(jù)也必須是ASCII形式的，操作前需對(duì)顯示器進(jìn)行初始化，對(duì)各個(gè)命令數(shù)據(jù)的寫(xiě)入沒(méi)有先后順序，每次寫(xiě)入數(shù)據(jù)完成后需將使能端置為低電平，為下一數(shù)據(jù)的寫(xiě)入做準(zhǔn)備。顯示部分的流程圖如圖3所示。

5.3 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊子程序設(shè)計(jì)

根據(jù)表3所示，在程序設(shè)計(jì)中，首先是通過(guò)對(duì)SPI口的配置［9］，單片機(jī)按照時(shí)序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)和接收機(jī)的地址傳送給nRF905發(fā)射端；其次是通過(guò)對(duì)TRX_CE和TX_EN端口的定義，來(lái)激活nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式；開(kāi)啟發(fā)送模式之后，nRF905會(huì)將數(shù)據(jù)不斷重發(fā)，直到檢測(cè)到TRX_CE被拉低，nRF905發(fā)送過(guò)程完成并自動(dòng)進(jìn)入空閑模式［11］。程序流程圖如圖4所示。

表3 nRF905工作模式

圖4 nRF905發(fā)送模式程序流程圖

nRF905接收端接收數(shù)據(jù)［10］時(shí)首先進(jìn)行初始化；然后由單片機(jī)設(shè)置TRX_CE、TX_EN端口電平，接收端進(jìn)入接收模式；650us后接收端不斷檢測(cè)，等待數(shù)據(jù)接收；當(dāng)接收端檢測(cè)到屬于同一頻段的載波時(shí)，載波引腳CD被置高；當(dāng)檢測(cè)到相匹配的地址時(shí)，地址匹配引腳AM會(huì)被置高，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)接收；數(shù)據(jù)接收完畢后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)錯(cuò)誤后，重新回到接收數(shù)據(jù)階段，校驗(yàn)正確，單片機(jī)將TRX_CE拉低，nRF905進(jìn)入空閑模式，至此完成一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸［15］，程序流程圖如圖5所示。

圖5 nRF905接收模式程序流程

6 硬件的調(diào)試運(yùn)行

將各個(gè)模塊連接完成后，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行硬件調(diào)試，保證各個(gè)模塊能正常運(yùn)作。

6.1 無(wú)線(xiàn)通信模塊調(diào)試

飛行器無(wú)線(xiàn)通信模塊調(diào)試包括三部分：遙控器、無(wú)線(xiàn)圖傳和無(wú)線(xiàn)數(shù)傳調(diào)試。遙控器采用的是地址碼加自動(dòng)變頻方式的2.4G模型產(chǎn)品。首先將遙控器接收機(jī)與發(fā)送機(jī)進(jìn)行配對(duì)，若接收機(jī)紅色信號(hào)燈不再閃爍，表明配對(duì)成功。其次完成遙控器與飛控芯片的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的目的是為了建立飛行器與遙控器之間聯(lián)系，設(shè)置遙控器各個(gè)通道數(shù)行程量［8］，并設(shè)置飛行模式，通過(guò)校準(zhǔn)，當(dāng)油門(mén)通道行程量為760，翻轉(zhuǎn)通道行程量為665，偏航通道行程量為659，俯仰通道行程量為780，飛行模式轉(zhuǎn)換通道行程量1023時(shí)，系統(tǒng)較穩(wěn)定。

在無(wú)線(xiàn)圖傳模塊的調(diào)試中，只需正確連接飛控芯片、OSD、相機(jī)、圖傳發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、顯示屏后，啟動(dòng)電源，將圖傳發(fā)射機(jī)與接收機(jī)調(diào)節(jié)到同一頻道，即可在顯示器上呈現(xiàn)飛行器監(jiān)控畫(huà)面。

飛行器的方位確定主要通過(guò)羅盤(pán)完成，所以羅盤(pán)的校準(zhǔn)成功與否，直接關(guān)系到飛行器方位的確定。對(duì)新的羅盤(pán)，將其與飛控芯片APM，飛控地面站相連接，經(jīng)多次實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)羅盤(pán)，最終可獲得校正后羅盤(pán)的偏移量X：-97，Y：5，Z：0。校準(zhǔn)后將羅盤(pán)正前方與當(dāng)?shù)胤轿徽狈酵颍^察地面站羅盤(pán)指向，若為正北向則說(shuō)明羅盤(pán)校準(zhǔn)成功，否則，需重新校準(zhǔn)。

6.2 綜合調(diào)試

通過(guò)對(duì)各模塊調(diào)試后，再正確連接各個(gè)功能模塊，接通監(jiān)測(cè)裝置電源，打開(kāi)遙控器電源，接通無(wú)線(xiàn)圖傳接收機(jī)電源，短時(shí)間內(nèi)，飛控板上紅藍(lán)顯示燈間隔閃爍，此后藍(lán)燈常亮，紅燈間隔閃爍，代表此時(shí)GPS已搜索到衛(wèi)星，搜索到的衛(wèi)星數(shù)量可在地面站或顯示屏上查看。若顯示屏上無(wú)監(jiān)測(cè)圖像和相關(guān)參數(shù)顯示，則要調(diào)整圖傳接收機(jī)與發(fā)射機(jī)是否同頻道，其次檢查信號(hào)整合模塊OSD的視頻輸入與輸出是否正確連接。再對(duì)飛行器控制進(jìn)行調(diào)試。手搖控制器采用的是美國(guó)手遙控器，它的解鎖方式是油門(mén)向下右側(cè)壓低3s左右，待飛控板上信號(hào)燈紅燈停止閃爍，松開(kāi)油門(mén)，表示電子調(diào)速器已成功解鎖，飛行器已準(zhǔn)備好，可以起飛。若無(wú)法解鎖，檢查遙控器油門(mén)行程量設(shè)置是否過(guò)小；或者羅盤(pán)校準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確；則需重新設(shè)置遙控器油門(mén)行程和校準(zhǔn)羅盤(pán)。推動(dòng)油門(mén)，帶槳電機(jī)旋轉(zhuǎn)，手持飛行器，將油門(mén)推到飛行器即將脫離地面位置，測(cè)試遙控器方向通道是否正常，遙控器方向桿打向左，手臂會(huì)感覺(jué)受到一個(gè)向左的力，方向桿打前，手臂會(huì)受到一個(gè)向前的力，表明飛行器程序運(yùn)行正常，此時(shí)便可以去戶(hù)外試飛。若出現(xiàn)方向桿動(dòng)作方向與飛行器運(yùn)行方向相反的情況，需修改出廠設(shè)置的遙控器編碼。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試就能正式飛行了。

7 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)硬件和軟件兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，通過(guò)建立PID控制模型，采用試湊法，獲得各個(gè)通道的參數(shù)值。最后將硬件軟件綜合起來(lái)，測(cè)試各個(gè)功能模塊和軟件的運(yùn)行情況，并給出一些調(diào)試的方法。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試飛行器飛行性能和獲取次生災(zāi)害中暗火復(fù)燃溫度、煙霧濃度的臨界范圍，并提出了通過(guò)對(duì)火災(zāi)后環(huán)境溫度值和煙霧濃度值的分析，來(lái)共同判定次生災(zāi)害中暗火復(fù)燃的可能性。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，監(jiān)測(cè)設(shè)備基本能完成對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)次生災(zāi)害中暗火復(fù)燃的實(shí)時(shí)預(yù)警。