基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于领航?跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统，其特征在于；主从四旋翼飞行器上搭载有空气质量监测系统、气源影像采集系统、无线通信系统、电源模块；与上述无线通信系统进行数据交互的地面监控系统，空气质量监测系统包括用于监测空气质量的粉尘颗粒传感器和气体传感器；气源影像采集系统包括用于获取气体源的影像信息的摄像头和图像传输收发器；无线通信系统包括GPS和nRF2401无线收发器；电源模块包括对各耗电元件进行供电的锂电池，以及与该锂电池电连接的降压及稳压模块；地面监控系统包括接收空气质量监测系统的数据信息、并对主从四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制的上位机；上位机包括图像接收机及显示器。
【专利说明】
基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统
技术领域
[0001]本发明涉及飞行器控制技术领域，特别是涉及一种基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统。
【背景技术】
[0002]四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈交叉式分布的六自由度欠驱动飞行器，可以搭配GoPro或者其它微型相机录制空中视频。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。
[0003]多智能体系统是多个智能体组成的集合，它的目标是将大而复杂的系统建设成小的、彼此互相通信和协调的，易于管理的系统。它的研究涉及智能体的知识、目标、技能、规划以及如何使智能体采取协调行动解决问题等。研究者主要研究智能体之间的交互通信、协调合作、冲突消解等方面，强调多个智能体之间的紧密群体合作，而非个体能力的自治和发挥，主要说明如何分析、设计和集成多个智能体构成相互协作的系统。
[0004]传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理(变换)和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器(又称换能器)、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。传感技术是遵循信息论和系统论的，它包含了众多的高新技术并被众多的产业广泛采用。传感器根据其基本感知功能通常可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，表面敏感型气体传感器可检测C0、N02、氟利昂等等可燃性气体，容积控制型半导体气体传感器可检测液化石油气、酒精、燃烧炉气尾气等气体。
[0005]无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是:使用一种可实时检测任意空域的基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统。
[0007]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
[0008]—种基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统，包括:主从四旋翼飞行器、和用于控制主从四旋翼飞行器飞行姿态的飞行控制系统;其特征在于:
[0009]在所述主从四旋翼飞行器上搭载有空气质量监测系统、气源影像采集系统、无线通信系统、电源模块;至少还包括与上述无线通信系统进行数据交互的地面监控系统，其中:
[0010]所述空气质量监测系统包括用于监测空气质量的粉尘颗粒传感器和气体传感器；
[0011]所述气源影像采集系统包括用于获取气体源的影像信息的摄像头和图像传输收发器；
[0012]所述无线通信系统包括GPS和nRF2401无线收发器；
[0013]所述电源模块包括对各耗电元件进行供电的锂电池，以及与该锂电池电连接的降压及稳压模块；
[0014]所述地面监控系统包括接收空气质量监测系统的数据信息、并对主从四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制的上位机;在该上位机包括图像接收机及显示器。
[0015]进一步:所述的飞行控制系统包括STM32处理器、与所述STM32处理器电连接的:三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、气压计、光流传感器和电子调速器，三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、气压计，所述电子调速器与主从四旋翼飞行器电机连接。
[0016]进一步:所述的空气质量监测系统包括碳氧化物传感器、硫化物传感器、粉尘颗粒传感器。
[0017]进一步:所述锂电池的输出电压为11.1V;所述降压及稳压模块的输出电压为5V和3.3Vo
[0018]本发明具有的优点和积极效果是:
[0019]1、结构简单，负重适中，成本低。
[0020]2、实现了特定环境的自动监测，从而可避免由环境引起的人员伤害和财产损失。[0021 ] 3、能够自动追踪气源并完成取证任务。
[0022]4、采用无线充电技术，无需过多人力干预，从而可节省人力资源。
【附图说明】
[0023]图1是本发明优选实施例的整体系统框图；
[0024]图2是本发明优选实施例中主机结构图；
[0025]图3是本发明优选实施例中从机结构图；
[0026]图4是本发明优选实施例中的空气质量检测系统结构图。
[0027]图中，1-四旋翼，2-四旋翼飞行支架。
【具体实施方式】
[0028]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0029]请参阅图1至图4，一种基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统，包括:
[0030]主从四旋翼飞行器、空气质量监测系统、气源影像采集系统、无线通信系统、电源模块和地面监控系统，其中:
[0031]主从四旋翼飞行器通过飞行控制系统确保其飞行姿态稳定并用来搭载空气质量监测系统；
[0032]空气质量监测系统包括粉尘颗粒传感器、气体传感器，用于空气质量的监测；
[0033]气源影像采集系统包括摄像头、图像传输收发器，用于获取气体源的影像信息；
[0034]无线通信系统包括GPS和nRF2401无线收发器，用来实现主机和从机的定位以及主机、从机和上位机之间的通讯；
[0035]电源模块包括锂电池、降压及稳压模块，实现对各个子系统的供电；
[0036]地面监控系统包括上位机控制及数据显示界面、图像接收机及显示器，实现上位机控制四旋翼飞行器的姿态并显示空气质量监测数据和气源影像采集影像。
[0037]如图2和图3所示:主从四旋翼分别包括一个四旋翼I和一个四旋翼飞行支架2;
[0038]上述的飞行控制系统包括STM32处理器、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、气压计、光流传感器和电子调速器，三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、气压计、光流传感器均与STM32处理器相连，电子调速器还连接主从四旋翼飞行器电机。
[0039]上述的空气质量监测系统包括碳氧化物传感器、硫化物传感器、粉尘颗粒传感器(PM2.5^PPM10)o
[0040 ] 上述的电源模块包括锂电池(11.1V)、5V和3.3V降压及稳压模块。
[0041]上述的通信系统包括GPS和nRF2401无线收发器，用来实现主机和从机的定位以及主机、从机和上位机之间的通讯。
[0042]上述优选实施例主要包括飞行系统与地面上位机，飞行系统包括主机和从机及搭载的空气质量监测系统，主机负责监测空气质量并判断气源方位，从机负责拍摄图像，飞行系统的数据都是通过无线通讯模块与地面上位机进行信息的交换，同时，主机与从机也有信息的交流以确保飞行的平稳与协同。
[0043]主从四旋翼飞行器接到上位机的指令后，主机和从机会同时起飞。飞行过程中，飞行控制系统会控制主从四旋翼飞行器的稳定和安全飞行。待主从四旋翼飞行器飞行到一定高度后，由飞行控制系统控制其悬停在空中。此时，主机上的空气质量监测系统自动启动，由STM32微处理器控制传感器采集周围空气质量数据，通过无线端口及A/D转换模块将采集到的模拟量信号转换成数字量信号并通过地面监控系统的上位机界面显示出来，与此同时，四个方位的硫化物传感器会经STM32微处理器控制，在上位机界面显示出污染气体浓度超标的方位，从机会接到控制指令，向其浓度超标的方位自动飞行，并拍摄取证，将其影像通过图像传输发射器传回到地面监控系统。
[0044]空气质量监测系统包括粉尘颗粒传感器、气体传感器，用于空气质量的监测，各传感器通过A/D转换模块连接STM32微处理器。STM32微处理器通过PB 口和12C接口将传感器监测数据通过无线通讯模块发送至地面监控系统。四旋翼飞行器飞行过程中，空气质量监测系统会实时监测空气中粉尘颗粒、碳氧化物(CO)和硫化物(S02)含量，并拍摄图像取证。
[0045]本优选实施例的工作过程为:
[0046]由上位机对主从四旋翼飞行器发出起飞指令，使得主机和从机同时起飞至一定位置，当主机处于悬停状态时，其搭载的空气质量监测系统自动启动，检测该区域内的空气质量，其中硫化物碳氧化物和粉尘颗粒(PM2.5和PM10)的含量数据会通过无线模块传回到地面端;与此同时，分布在东西南北四个方位上的硫化物传感器会把数据传回到上位机，经地面监控系统的程序算法与设定的硫化物气体阈值比较后判断出哪个方位的气体含量超标，主机会向从机发出向超标方位飞行的指令，从机飞至气源处并将影像数据传回地面监控系统，然后，由上位机发出指令，从机飞回初始悬停位置，最后，主机和从机同时降落，任务完成。
[0047]以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
【主权项】
1.一种基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统，包括:主从四旋翼飞行器、和用于控制主从四旋翼飞行器飞行姿态的飞行控制系统;其特征在于: 在所述主从四旋翼飞行器上搭载有空气质量监测系统、气源影像采集系统、无线通信系统、电源模块;至少还包括与上述无线通信系统进行数据交互的地面监控系统，其中: 所述空气质量监测系统包括用于监测空气质量的粉尘颗粒传感器和气体传感器； 所述气源影像采集系统包括用于获取气体源的影像信息的摄像头和图像传输收发器； 所述无线通信系统包括GPS和nRF2401无线收发器； 所述电源模块包括对各耗电元件进行供电的锂电池，以及与该锂电池电连接的降压及稳压模块； 所述地面监控系统包括接收空气质量监测系统的数据信息、并对主从四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制的上位机;在该上位机包括图像接收机及显示器。2.根据权利要求1所述基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统，其特征在于: 所述的飞行控制系统包括STM32处理器、与所述STM32处理器电连接的:三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、气压计、光流传感器和电子调速器，三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、气压计，所述电子调速器与主从四旋翼飞行器电机连接。3.根据权利要求1所述基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统，其特征在于: 所述的空气质量监测系统包括碳氧化物传感器、硫化物传感器、粉尘颗粒传感器。4.根据权利要求1-3任一项所述基于领航-跟随法的空气质量智能监测四旋翼编队系统，其特征在于: 所述锂电池的输出电压为11.1V;所述降压及稳压模块的输出电压为5V和3.3V。
【文档编号】G05D1/10GK105974934SQ201610485243
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】高强, 刘文杰, 田广旭, 李俊芳
【申请人】天津理工大学