一种基于四旋翼飞行器的企业巡更追踪系统的制作方法

1.本发明属于巡更追踪技术领域，尤其涉及一种基于四旋翼飞行器企业巡更追踪系统。


背景技术：

2.近年来，公共安全一直是我们热议的话题，安全防范系统系数现在正向着实时监控、实时反馈方向发展，这样才能在发生紧急突发事件的时候能够得到及时防控。目前多数地域的安防管控体系属于平面化，以平面管控为主。监控系统、安防设备、响应人员、锁定目标往往处于同一平面，这为预防、发现、及时处理带来了一定的阻碍。目前安防主要通过两个方面来进行：一是人工保安人员的看守，但是这一看守模式存在着成本高、安保人员素质参差不齐，人为因素过强等不利因素，导致了各类案件的频繁发生；二是通过视频监控系统来进行看守。视频监控系统在边境、工厂、城市街道、居民住宅、车站机场等场所的安全防范具有极其重要的作用，但是目前的视频监控系统是定点监控，不能够随着目标的移动而移动并且具有视觉盲区，所以传递信息的时效性和完整性难以保证。
3.由此可见目前的视频监控系统不能准确、及时对所发生的紧急事件做出第一时间的信息反馈，终端不能快速、有效地解决，所以目前的基本两种看守模式已经难以满足当今社会的发展。科研工作者们正在寻找一款成本低；灵活性强；能够对信息进行实时传输以及对入侵的物体进行跟踪的一套安全防范系统。
4.随着无人机在民用、警用市场发展迅猛，无人机可以运用于航拍、农林、物流、安防、电力，城市规划，水利监测等各种领域。无人机可以弥补平面安防的空缺之处，无人机安防通过上空信息的采集、地面安防资源配合从而形成空中与地面相结合的一体化安防立体体系，快速有效地解决突发事件，因此，研发一种基于四旋翼飞行器企业巡更追踪系统，成为了亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明克服了上述现有技术的不足，提供了一种基于四旋翼飞行器的企业巡更追踪系统，用于弥补平面安防的空缺之处，无人机安防通过上空信息的采集、地面安防资源配合从而形成空中与地面相结合的一体化安防立体体系，快速有效地解决突发事件。
6.本发明的技术方案：一种基于四旋翼飞行器的企业巡更追踪系统，包括飞行器飞行控制与巡更追踪系统和飞行器用户控制中心；所述飞行器飞行控制与巡更追踪系统包括：飞行器飞行控制系统和飞行器巡更追踪执行系统；所述飞行器飞行控制系统用于飞行器的命令执行以及模块间的调用；所述飞行器巡更追踪执行系统用于飞行器执行任务时的路径规划，该路径规划包括全覆盖路径规划和局部路径规划，并且在飞行器巡更追踪执行系统接收到追踪命令时，
开启对目标的追踪任务并将图像信息实时传输给飞行器用户控制中心；所述飞行器用户控制中心为四旋翼飞行器遥控管理系统，用于接收飞行器的飞行状态并对飞行状态进行实时信息反馈，并且在遇到紧急情况时能够对四旋翼飞行器进行手动实时控制。
7.进一步地，所述飞行器飞行控制系统包括：姿态获取模块、电源模块和定点定位模块。
8.进一步地，所述姿态获取模块包括：加速度计、陀螺仪和磁力计。
9.进一步地，所述定点定位模块包括定高模块和gps模块，所述定高模块包括气压计和超声波传感器。
10.进一步地，所述飞行器巡更追踪执行系统包括：双摄模块和无线图传模块。
11.进一步地，所述双摄模块包括：普通摄像模块和红外热成像摄像模块。
12.进一步地，所述飞行器用户控制中心包括：无线通讯模块、无线图传模块、按键及显示模块和上位机管理系统。
13.本发明的有益效果为：本发明能够实现同时将实时信息反馈给用户，能够自主导航；能根据目的地，规划最佳飞行路线；全方位最大程度获取周边环境信息并且实时返回监测数据、控制室对其选择是否跟踪，能够弥补平面安防的空缺之处，无人机安防通过上空信息的采集、地面安防资源配合从而形成空中与地面相结合的一体化安防立体体系，快速有效地解决突发事件。
附图说明
14.图1为四旋翼飞行器企业巡更追踪系统的总体框图；图2为四旋翼飞行器企业巡更追踪系统的硬件框图；图3为电源模块的5v供电电路原理图；图4为电源模块的3.3v供电电路原理图；图5为磁力计电路原理图；图6为气压计电路原理图；图7为超声波电路原理图；图8为gps模块电路原理图；图9为双摄模块电路原理图；图10为双摄模块内部功能模块框架图；图11为无线传输模块电路原理图；图12为有限通讯应急电路原理图。
具体实施方式
15.以下将结合附图，对本发明进行详细说明：结合图1所示，本实施例公开的一种基于四旋翼飞行器的企业巡更追踪系统，包括飞行器飞行控制与巡更追踪系统和飞行器用户控制中心；所述飞行器飞行控制与巡更追踪系统包括：飞行器飞行控制系统和飞行器巡更追踪执行系统；
所述飞行器飞行控制系统用于飞行器的命令执行以及模块间的调用；所述飞行器巡更追踪执行系统用于飞行器执行任务时的路径规划，该路径规划包括全覆盖路径规划和局部路径规划，并且在飞行器巡更追踪执行系统接收到追踪命令时，开启对目标的追踪任务并将图像信息实时传输给飞行器用户控制中心；所述飞行器用户控制中心为四旋翼飞行器遥控管理系统，用于接收飞行器的飞行状态并对飞行状态进行实时信息反馈，并且在遇到紧急情况时能够对四旋翼飞行器进行手动实时控制。
16.在飞行器在执行飞行巡更任务时需要调动全覆盖路径规划来规划航线并且按照此航线飞行，在发现可疑对象时，调用局部路径规划算法快速飞到可疑对象附近，传输可疑对象的信息给上位机，由控制室值班人员来判断是否进行跟踪任务，在上位机发送目标跟踪指令后，飞行器通过调用目标跟踪模块来执行自动跟踪任务。
17.结合图2所示，飞行器飞行控制系统是 stm32f407 所控制的模块，此模块包括姿态获取模块、电源模块、定点定位模块等。
18.飞行器巡更追踪执行系统是选取瑞芯 rk3399 芯片，此部分是负责四旋翼飞行器的路径规划、目标跟踪算法以及嵌入式操作系统的运算，并且将实时图像传输到四旋翼飞行器遥控管理系统。
19.四旋翼飞行器遥控管理系统主要接收四旋翼飞行器的一系列飞行信息以及发生紧急情况时可以切换手动操控模式进行实时控制。
20.具体地，所述飞行器飞行控制系统包括：姿态获取模块、电源模块和定点定位模块。
21.具体地，所述姿态获取模块包括：加速度计、陀螺仪和磁力计。
22.具体地，所述定点定位模块包括定高模块和gps模块，所述定高模块包括气压计和超声波传感器。
23.具体地，所述飞行器巡更追踪执行系统包括：双摄模块和无线图传模块。
24.具体地，所述双摄模块包括：普通摄像模块和红外热成像摄像模块。
25.具体地，所述飞行器用户控制中心包括：无线通讯模块、无线图传模块、按键及显示模块和上位机管理系统。
26.飞行器飞行控制系统主控芯片的选取为了让飞行器在执行任务时有稳定的飞行状态与安全的飞行环境，因此选择合适的芯片至关重要。在设计中，主控芯片内部需要移植一款嵌入式实时操作系统并且需要进行浮点运算，所以本次设计采用的是在飞行器领域有着成熟的广泛运用的stm32f407作为主控芯片。stm32f407是st（意法半导体）公司在2011年推出的基于cortex m4内核的一款高性能单片机，该单片机具有接口丰富、性能高、成本低、功耗低，储存器高达1mb flash 等优点，在上面集成了丰富的资源可以满足外设的硬件需求，满足电调pwm输出以及遥控器信号解码需求的12个16位定时器，各个模块与主控芯片之间通信接口有 i2c与spi,在运行时主频可以达到168mhz,该处理器内核带 fpu（浮点单元）与单周期 dsp指令的arm 32位 cortex
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m4 cpu可以进行复杂的计算与控制。其自带的外设有 3个spi、2个can总线、3个ad 转换、2个d/a转换、3个a/d转换、3个i2c、6个串口以及144个引脚，所以这些外设基本满足了各个模块对主控芯片的要求。
27.飞行控制单元的电源模块硬件本次四旋翼飞行器采用的是三个3.7v的锂电池供电供电，一片 3.7v 最大电压是 4.2v，因此三片 3.7v 的锂电池串联之后得到的电压是 12.6v。飞行器在工作的时候需要给各个模块进行供电，由于各个外设所需要的电池电压不同，所以需要将12.6v 的电压转换成 5v 和 3.3v 的电压,负责本次降压和稳压的模块是电源模块。
28.5v 供电：结合图3所示，本实施例中选择的降压模块是 lm2596 降压芯片，在这个器件的内部集成了频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150khz，与低频开关调节相比较，可以使用更小规格的滤波原件，外界元器件也只需要 4 个，简化了开关电源的电源电路设计，具有自我保护电路。
29.3v 供电：结合图4所示，stm32 最小系统与一些传感器采用 3.3v 供电采用，因此需要选择一款转换效率高，功耗低的 5v 转换为 3.3v 电压转换芯片。本实施例中的 5v 降压到 3v 的芯片选择的是 tps7333。tps7333 体积小、输出电流稳定并且有较低的工作压降以及较小的工作电流，因此此芯片具有低功耗，这样飞行器的续航里程可以得到很大的提高。
30.飞行姿态获取模块的硬件四旋翼飞行器是多轴飞行器的一种，在空中飞行时，由于很难控制四个螺旋桨，所以这时候需要姿态传感器来保证飞行器在空中执行任务时的准确性和安全性。姿态传感器主要由加速度计、陀螺仪和磁力计组成，加速度计用来测量飞行器的线性加速度，陀螺仪用来测量飞行器角加速度，磁力计测量磁场强度。本次飞行姿态获取模块采用的是 mpu6500 姿态传感器，mpu6500 是一款通过 qfn 封装把 3 轴mems 陀螺仪，3 轴 mems 加速计以及数字运动处理器 dmp 构成的六轴运动处理传感器，mpu6500 有着体积小、稳定性好并且带有通信速率快的 spi 总线通讯协议的优点，所以满足本次的设计需求。
31.姿态传感器 mpu6500 只有加速度计和陀螺仪，所以测出来的欧拉角、偏航角并不准确，所以需要在此基础上需要加入磁力计测出来的偏航角来修正，这样才能得到可靠的偏航角。磁力计又称电子罗盘，电子罗盘分为平面电子罗盘和三轴电子罗盘两种。由于在使用平面电子罗盘时发生倾斜但是处于静止时，数据也会发生变化，所以需要一个带有倾斜角补偿的三轴电子罗盘来克服这一问题。
32.结合图5所示，磁力计模块采用的是 ak8975。ak8975 是一款采用高灵敏度霍尔传感器技术的三轴电子罗盘, 支持 i2c 和 spi 总线通讯协议，测量灵敏度为：0.3μt/lsb，量程范围为
±
1200μt。
33.定高模块的硬件在飞行器在高空执行任务时，需要定高悬停，因此需要检测出飞行器所处的高度。本次的所设计的飞行器采用的是气压计和超声波传感器数据融合来进行定高，根据这两个传感器的优点来切换，超声波定高用于飞行器在低空执行任务，反之，气压计定高用于飞行器在高空执行任务。
34.结合图6所示，气压传感器采用的是 ms5611。现在很大部分的多旋翼飞行器使用的气压传感器是 meas 公司设计的高分辨率气压传感器用来测量所处高度，该传感器提供 spi 和 i2c两种总线接口，分辨率可达 10cm，选择的气压传感器模块包括了一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的 24 位数模转换器，可以输出高精度的温度和气压数据。
mems技术的高精度红外阵列传感器并且采用一体化紧凑的 smd 封装。通过 8*8（64 像素）实现了二维区域的温度检测，根据被测物体表面的温度和周围温度之间的差值来计算热损失，从而识别体感温度，这样就可以得到被测物体的温度分布。温度测量范围为 0 ℃～80 ℃，精度为
±
2.5 ℃。传感器通过 i2c 来进行通信。amg8833 红外热像仪传感器结构紧凑而简单、便于集成，广泛应用在多功能电器、安防设备、门禁控制等多个行业，从而实现设备的智能化。
45.飞行器巡更追踪执行系统主控芯片的选取因为本次巡更单元本部分需要要求较高的图像处理能力，所以选取的主控芯片是瑞芯的 rk3399 芯片。rk3399 在设计时的硬件规格在行业中处于领先地位，支持双摄像头同时数据输入和高级处理，其 cpu 采用 big.little 核心架构，采用双核cortex
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a53 小核结构。在整数，浮点数，内存，整体性能，功耗和核心面积方面都进行了重大改进。rk3399 的 gpu 采用四核 arm 的新一代高端处理器 mali
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t860，集成了更多的宽带压缩技术（如智能折叠、astc 和本地像素存储），并且支持更多的图像和计算接口。兼容一系列的操作系统，有强大的扩容性与扩展能力，有着更好的图片解码与图像处理能力。
46.遥控管理单元主控模块的选取遥控管理模块在四旋翼飞行器控制中起着与上位机信息交互的作用。在执行任务时，四旋翼飞行器传输实时图像给遥控管理管理单元，然后经过遥控管理单元发送给上位机。当上位机给出紧急指令后执行紧急任务，可以利用遥控管理模块来对四旋翼飞行情况进行一个实时的控制。
47.主控模块主要接收飞行器的姿态、位置、电量以及其他飞行器相关信息，因此对主控模块的需求是 io 口比较多，所以选择了和四旋翼飞行器主控芯片一样的stm32f407 系列作为遥控管理模块的主控芯片。
48.sdram 的模块本部分主要完成四旋翼飞行器与上位机的通信工作，在实际的工作中存在着数据比较大的图像，由于受到外界因素与硬件性能的限制不能进行图像的实时传输，系统在工作的时候根据优先级的对 cpu 控制其所做的任务，所以不能保证把每一次接收到的图像传输到上位机，这时候需要将图像储存到 sram 中，等待其他高优先级任务释放 cpu 后，或者在 sdram 储存量到达最大时，开始执行发送图像的命令。由于选取的 stm32f407 有 dma，所以这样更加 cpu 资源可以得到节约。
49.无线通信模块设计结合图11所示，四旋翼飞行器与遥控管理模块通信采用的是无线通讯。在本次设计中有两种不同的无线通信，一种是与四旋翼飞行器控制系统的无线通讯，还有一种是和四旋翼飞行器巡更追踪执行系统里的图像传输模块，由于飞行器传输距离远，所以本次选择的是 nrf24l01 信号传输模块。nrf24l01 是一款工作在 2.4
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2.5ghz 世界通用 ism频段的单片无线收发器芯片，其高速率、低功耗、应用简单，输出功率、频道选择和协议设置可以通过 spi 接口进行设置。当其工作在发射模式下的发射功率仅仅为
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6dbm 时，电流消耗为 9ma，接收模式下为 12.3ma。掉电模式和待机模式下电流消耗更低，所以在很大程度上提高了工作效率。
50.有线通信模块
结合图12所示，在本部分的通信模块中，不仅需要无线传输模块，有线传输也是必不可少的，有线传输可以将大量的数据传输给上位机，比如飞行姿态、遥控管理信号以及一些飞行数据。在有线通讯中有两种模式，当数据量大的时候，选择的是 usb 接口uvc 协议与上位机传输数据，当数据量一般或者较小的时候，选择 pl2303 驱动的ustart 协议传输给上位机。pl2303 是一种高度集成的 rs232
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usb 接口转换器，内置usb 功能控制器，usb 收发器，振荡器和带有全部调制解调器控制器控制信号的 uart，只需要外接几个电容就可以实现 usb 信号与 rs232 信号的转换。
51.需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案，都能够进行排列组合，由于本领域的技术人员能够根据高中阶段所学习的排列组合数学知识，穷尽所有排列组合后的结果，因此这些结果在本技术中不再一一罗列，但应理解为每一种排列组合结果都被本技术所记载。
52.还需要说明的是，以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。