一种基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置.pdf

本发明公开了一种基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置,包括四轴飞行器，所述四轴飞行器包括主机体，主机体固定连接有四个碳纤维机臂,碳纤维机臂的末端固定有电机，电机上安装有螺旋桨；所述主机体上设有安放平台，主机体内部设有机体腔，主机体下方安装有起落架，主机体的下方设有电池，电池前方安装有摄像头云台及云台控制器，摄像机云台由控制系统控制；所述控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，机载控制系统包括机载微控制器、姿态测量单元和应用测量单元；所述地面控制系统包括手动控制单元和自动驾驶控制中心；本发明灵活度高、测量范围广，可实现遥控控制和地面站控制切换，能实时反馈信息，保证数据安全可靠。

1.  一种基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置,包括四轴飞行器，其特征在于：所述四轴飞行器包括主机体(5)，主机体(5)固定连接有四个碳纤维机臂(3)，四个碳纤维机臂(3)呈90°十字交叉设置，所述碳纤维机臂(3)的末端固定有盘式无刷电机(6)，盘式无刷电机(6)上安装有螺旋桨(4)；所述主机体(5)上设有安放平台(1)，主机体(5)内部设有机体腔(10)，所述主机体(5)的下方通过起落架固定头(8)固定安装有起落架(7)，主机体(5)的下方设有电池(9)，电池(9)前方安装有摄像头云台(11)及云台控制器(12)；所述摄像机云台(11)由控制系统控制；所述控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，机载控制系统包括机载微控制器(18)、姿态测量单元和应用测量单元，所述机载微控制器(18)采用ATMEGA2560；姿态控制单元包括六轴数字传感器(16)、所述六轴数字传感器(16)采用MPU6000，其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器(18)的PB2和PB1上，将采集的数据传到机载微控制器(18)中，通过数据处理运算，将角速度积分转换为角度，阻磁(17)安装于主机体(5)上侧，阻磁(17)采用HMC5883芯片，阻磁(17)的SDA和SCL通过双向电平转化器PCA9306DC连接到机载微控制器(18)的PD0和PD1上，应用测量单元包括数字摄像头(13)、气压计(14)和声纳(15)，数字摄像头(13)搭载在摄像机云台(11)上，并与机载微控制器(18)相连，所述气压计(14)采用MS5611-011BA芯片，其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器(18)的PB2和PB1上；所述机体腔(10)内还设有GPS传感器模块(23)、交流磁场检测器(24)和电机驱动模块(25)，机载微控制器(18)的输入端与GPS传感器模块(23)、交流磁场检测器(24)的输出端相连，GPS传感器模块(23)安放于安放平台(1)上，电机驱动模块(25)受机载微控制器(18)输出的PWM控制，电机驱动模块(25)用来驱动盘式无刷电机(6)；所述地面控制系统包括手动控制单元和自动驾驶控制中心，手动控制单元包括遥控器(26)和机载接收机(21)，机载接收机(21)置于机体腔(10)内，并与机载微控制器(18)相连，遥控器(26)与机载接收机(21)通过无线的形式进行数据传输通信；所述自动驾驶控制中心包括地面微控制器(22)和上位机(27)，地面微控制器(22)采用STM32F103RBT6芯片，地面微控制器(22)受上位机(27) 控制，上位机(27)通过第一无线射频通信模块(19)和第二无线通信模块(20)与机载微控制器(18)进行通信、指令传输。

2.  根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置，其特征在于，所述螺旋桨(4)由紧固装置(2)夹紧，且位于对角线上的两螺旋桨(4)互为正反桨。

3.  根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置，其特征在于，所述气压计(14)和六轴数字传感器(16)复用引脚PB2和PB1。

4.  根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置，其特征在于，所述遥控器(26)的遥控优先级高于自动驾驶控制中心。

5.  根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置，其特征在于，所述第一无线射频通信模块(19)和第二无线通信模块(20)均采用NRF24L01。

一种基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置
技术领域
本发明涉及一种交变磁场监测技术领域，具体是一种基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置。
背景技术
我国电力工程量不断壮大，电力化程度不断提高，输电线路的维护和修理成为一个棘手的难题，怎么解决巡视工人视野范围之外的巡线工作及简化巡线工作正是研究人员努力去研究的课题。目前国内多采用人工排查，配合巡线望远镜进行巡线，也有使用巡线机器人的，但巡线望远镜和巡线机器人易受光线，场地等环境影响，适应性不强；用无人机作为平台，搭载电力巡检设备巡线是一门新兴技术，这项技术集安全、高效、全面于一身，利用四翼无人机对输电线路进行巡航，在输电线路发生故障时，第一时间赶到故障地点进行分析，确定正确的应对办法，故障发生部位可切换手动操作，获得细致影像，一方面缩短了故障应对时间，另一方面也保证了工作人员的安全，且无人机具有一定承受载荷能力，适合搭载摄像头，磁场监测装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测成本低、探测灵活度高、制作简单、便携性强的基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置,包括四轴飞行器，所述四轴飞行器包括主机体，主机体固定连接有四个碳纤维机臂，四个碳纤维机臂呈90°十字交叉设置，所述碳纤维机臂的末端固定有盘式无刷电机，盘式无刷电机上安装有螺旋桨；所述主机体上设有安放平台，主机体内部设有机体腔，所述主机体的下方通过起落架固定头固定安装有起落架，主机体的下方设有电池，电池前方安装有摄像头云台及云台控制器；所述摄像机云台由控制系统控制；所述控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，机载控制系统包括机载微控制器、姿态测量单元和应用测量单元，所述机载微控制器采用ATMEGA2560；姿 态控制单元包括六轴数字传感器、所述六轴数字传感器采用MPU6000，其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器的PB2和PB1上，将采集的数据传到机载微控制器中，通过数据处理运算，将角速度积分转换为角度，阻磁安装于主机体上侧，阻磁采用HMC5883芯片，阻磁的SDA和SCL通过双向电平转化器PCA9306DC连接到机载微控制器的PD0和PD1上，应用测量单元包括数字摄像头、气压计和声纳，数字摄像头搭载在摄像机云台上，并与机载微控制器相连，所述气压计采用MS5611-011BA芯片，其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器的PB2和PB1上；所述机体腔内还设有GPS传感器模块、交流磁场检测器和电机驱动模块，机载微控制器的输入端与GPS传感器模块、交流磁场检测器的输出端相连，GPS传感器模块安放于安放平台上，电机驱动模块受机载微控制器输出的PWM控制，电机驱动模块用来驱动盘式无刷电机；所述地面控制系统包括手动控制单元和自动驾驶控制中心，手动控制单元包括遥控器和机载接收机，机载接收机置于机体腔内，并与机载微控制器相连，遥控器与机载接收机通过无线的形式进行数据传输通信；所述自动驾驶控制中心包括地面微控制器和上位机，地面微控制器采用STM32F103RBT6芯片，地面微控制器受上位机控制，上位机通过第一无线射频通信模块和第二无线通信模块与机载微控制器进行通信、指令传输。
作为本发明进一步的方案：所述螺旋桨由紧固装置夹紧，且位于对角线上的两螺旋桨互为正反桨。
作为本发明再进一步的方案：所述气压计和六轴数字传感器复用引脚PB2和PB1。
作为本发明再进一步的方案：所述遥控器的遥控优先级高于自动驾驶控制中心。
作为本发明再进一步的方案：所述第一无线射频通信模块和第二无线通信模块均采用NRF24L01。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明克服传统人工检测成本高和传统探测的固定性，采样样本少，代表性差等不足，具有成本较低、制作简单、便携性强、不受空间限制、对飞行空域要求不高的特点，具有良好的前景；四轴飞行器搭载摄像相机和磁场探测器，可测量较大范围内空间场强情况，方便三维建模；飞行器可实现遥控控制和地面 站控制切换，通过地面站实现自动控制测量；实时反馈信息，保证数据安全可靠，并且可以悬停在空中一点，同一地点多次采样，数据更加科学有效。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明控制系统的工作原理图；
图4为本发明中机载微控制器ATMEGA2560的外围电路图；
图5为本发明中姿态调整测量模块和气压检测模块电路图；
图6为本发明中GPS传感器电路模块的结构示意图；
图7为本发明中交流磁场检测器的工作原理图；
图8为本发明中电机驱动模块的电路图。
图9为本发明中无线射频通信模块外围电路图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明实施例中，一种基于四轴飞行器的交变磁场实时监测装置,包括四轴飞行器，所述四轴飞行器包括主机体5，主机体5固定连接有四个碳纤维机臂3，四个碳纤维机臂3呈90°十字交叉设置，所述碳纤维机臂3的末端固定有盘式无刷电机6，盘式无刷电机6上安装有螺旋桨4,所述螺旋桨4由紧固装置2夹紧，且位于对角线上的两螺旋桨4互为正反桨；所述主机体5上设有安放平台1，主机体5内部设有机体腔10，所述主机体5的下方通过起落架固定头8固定安装有起落架7，主机体5的下方设有电池9，电池9前方安装有摄像头云台11及云台控制器12；所述摄像机云台11由控制系统控制；所述控制系统包括机载控制系统和地面控制系统，机载控制系统包括机载微控制器18、 姿态测量单元和应用测量单元，所述机载微控制器18采用ATMEGA2560；姿态控制单元包括六轴数字传感器16、所述六轴数字传感器16采用MPU6000，其数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器18的PB2和PB1上，将采集的数据传到机载微控制器18中，通过数据处理运算，将角速度积分转换为角度，阻磁17安装于主机体5上侧，阻磁17采用HMC5883芯片，阻磁17的SDA和SCL通过双向电平转化器PCA9306DC连接到机载微控制器18的PD0和PD1上，应用测量单元包括数字摄像头13、气压计14和声纳15，数字摄像头13搭载在摄像机云台11上，并与机载微控制器18相连，所述气压计14采用MS5611-011BA芯片，气压计14和六轴数字传感器16复用引脚PB2和PB1,气压计14的数据线SDA和时钟线SCL连接到机载微控制器18的PB2和PB1上；所述机体腔10内还设有GPS传感器模块23、交流磁场检测器24和电机驱动模块25，机载微控制器18的输入端与GPS传感器模块23、交流磁场检测器24的输出端相连，GPS传感器模块23安放于安放平台1上，电机驱动模块25受机载微控制器18输出的PWM控制，电机驱动模块25用来驱动盘式无刷电机6；所述地面控制系统包括手动控制单元和自动驾驶控制中心，手动控制单元包括遥控器26和机载接收机21，机载接收机21置于机体腔10内，并与机载微控制器18相连，遥控器26与机载接收机21通过无线的形式进行数据传输通信,遥控器26的遥控优先级高于自动驾驶控制中心；所述自动驾驶控制中心包括地面微控制器22和上位机27，地面微控制器22采用STM32F103RBT6芯片，地面微控制器22受上位机27控制，上位机27通过第一无线射频通信模块19和第二无线通信模块20与机载微控制器18进行通信、指令传输,所述第一无线射频通信模块19和第二无线通信模块20均采用NRF24L01。
请参阅参图4，机载微控制器18(ATMEGA2560)的外围电路模块：ATMEGA2560各电源引脚和个地线引脚分别与外接电源和地分别连接，模拟地AGND独立引出，33引脚XTAL2和34引脚XTAL1外接晶振，提供时钟频率，其频率为16MHz，引脚PE3、PE4、PE5、PH3、PH4、PH5、PB5、PB6为PWM波形输出引脚，分别与PWM Outputs中相应的引脚连接，PA3、PA4、PA5为LED电平输出引脚，控制LED亮灭，PD0、PD1分别与通过PCA9306DC与阻磁HMC5883L连接。
请参阅图5，姿态调整测量模块和气压检测模块电路：六轴数字传感器15(MPU6000)和高精度气压计13(MS5611-10BA)的数据线SDA和时钟线SCL分别与机载微控制器18(ATMEGA2560)的PB2、PB1连接，气压计13(MS5611-10BA)的CSB2和SDO分别与机载微控制器18(ATMEGA2560)的PG1和PB3连接。
请参阅图6，GPS传感器模块23电路的工作原理：由于卫星位置已知，首先测量地面某点A到卫星的距离，则A点是位于以卫星为中心，所测得距离为半径的圆球上；进一步又测得A至另一卫星的距离，则A点一定处于前后两个圆球相交的圆环上；再测得A与第三个卫星的距离，则可知A点只能位于三个圆球相交的两个点上，再通过地理常识，排除其中一点，则得到A点具体位置。
请参阅图7，交流磁场检测器24的工作原理：当被测交流弱磁场b穿过霍尔元件时，在霍尔元件的输出端产生霍尔输出电压Uh，此电压通过放大器、功率放大器后，其输出电流为I2，电流I2通过线圈N2在铁芯中产生磁场N2，电压U0与被测交流弱磁场b的有效值B成正比，所以将电压U0送入ATMEGA2560中可达到测量交流弱磁场的目的。其采集配置代码如下：


为减小无人机电机等装置产生的干扰，通过导线连接测量装置和机载微控制器18，达到数据反馈效果。
请参阅图8，电机驱动模块25的输入为机载微控制器18(ATMEGA2560)的PWM Outputs，以此控制UPE，同时将12V直流电压转换为三相交流电，控制盘式无刷电机6转速，以及盘式无刷电机6启动和停止。
请参阅图9，第一无线射频通信模块19和第二无线射频通信模块20均采用nRF24L01单片无线收发器芯片，其工作频段为2.4GHz～2.5GHz，无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。