（上海电机学院 电气学院，上海 200240）
为能全面实时地采集环境信息数据，设计了四轴翱翔器环境信息采集系统。本设计采取Freescale K60微掌握器作为主控芯片，MPU6050惯性丈量传感器和AK8975三轴磁罗盘作为惯性导航单元，利用PID掌握算法并以PWM办法驱动三相无刷电机，从而掌握四轴翱翔器翱翔姿态。通过2.4 GHz和5.8 GHz频段将采集到的温/湿度、PM2.5/PM10浓度、摄像头采集图像等信息传输到掌握台。经测试，该系统知足不同环境下及时采集数据、有效视频监测的哀求，对实际现场监测有一定的运用代价。
四轴翱翔器；环境信息采集；K60微处理器
TP27文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.028
伏勋, 任晓明，贾永兴，等. 基于K60的四轴翱翔器环境信息采集系统设计［J］.微型机与运用，2016,35（23）：96-99.
0弁言
近年来空气污染引起了"大众年夜众的热议，如何有效、及时地处理空气污染问题成为焦点。本文基于环境信息数据的采集，设计了四轴翱翔器环境信息采集系统。传感器技能和掌握理论的不断发展，尤其是微电子和微机器技能的逐步成熟，使四轴翱翔器的自主翱翔掌握得以实现，并成为国际上的研究热点［1］。
文献［1］ 采取STM32系列32位处理器作为主掌握器，利用ADIS16355惯性丈量单元等传感器用于姿态信息检测，利用PID掌握算法进行姿态角的闭环掌握。文献［2］ 采取 STM32作为主控芯片，三轴加速度传感器MPU6050作为惯性丈量单元，通过2.4 GHz无线模块和遥控板进行通信，终极利用PID掌握算法以PWM办法驱动电机实现了四轴翱翔器的设计。文献［3］采取 ARM处理器掌握无刷直流电机，并且通过加速度传感器和陀螺仪的反馈数据进行翱翔器的平衡掌握和姿态调节。
本文设计了四轴翱翔器环境信息采集系统，以K60微处理器为核心，采取惯性丈量模块MPU6050姿态获取技能，搭建四轴翱翔器掌握系统。设计包括四轴翱翔器掌握、环境信息采集、掌握台三部分。个中，四轴翱翔器采取人工遥控掌握；环境信息采集以模块化为主，将图像、温湿度、PM2.5和PM10各个模块进行数据采集显示输出；掌握台卖力数据交互与遥控。
1系统设计方案
根据四轴翱翔器实际的翱翔需求和设计哀求，系统采取主控单元K60采集环境信息，处理由温湿度检测模块、PM2.5/ PM10检测模块反馈的数据，并在参数显示器上显示；TS832发射端将摄像头采集到的图像信息通过事情频率5.8 GHz无线传输到遥控器上的RC832吸收端，并反响到图像显示器；领航者翱翔掌握器采取STM32F407VG芯片掌握算法求解电机转速，连接T6EHPE吸收机，通过2.4 GHz频段与遥控器进行无线传输，由遥控器操作四轴翱翔器实行相应指令，实现电机转速调度，进而实现姿态掌握。系统设计框图如图1。
2硬件设计
2.1四轴翱翔掌握器
四轴翱翔掌握器的核心有MPU6050惯性丈量传感器、AK8975三轴磁罗盘、MS5611高精度气压仪。MPU6050惯性丈量传感器驱动办法采取I2C接口，时钟引脚 SCL连接到掌握器的PB6，数据引脚连接到掌握器的PB7，数据中断引脚连接到掌握器的PD7，其硬件事理图如图2所示。
AK8975三轴磁罗盘带有高敏感度霍尔传感器，通过增强旗子暗记处理器体系构造，实现宽动态丈量范围和低电流花费，不需外部时钟［4］。
MS5611高精度气压仪由压阻传感器和传感器接口组成，将丈量的补偿仿照气压值经ADC转换成24位数字输出，采取I2C串行接口，串行时钟SLCK和串行数据SDA与外部掌握器进行数据传输［5］，其硬件事理图如图3所示。
设计选用F450型号的四轴翱翔器机架，该翱翔器载重量大、稳定性强、加装区域大、姿态掌握大略。四轴翱翔器采取人工遥控掌握，通过飞机前部摄像头，将拍摄的影像传给遥控器，并在显示器上显示，有利于操作职员对翱翔器做出精确掌握。
2.2环境信息采集
2.2.1图像信息的采集
本系统采取700线摄像头、TS832发射端和RC832吸收端，摄像头模块拍摄现场状况，反馈到机架上的图像收发模块，通过5.8 GHz频段无线传输到遥控器上的图像收发模块，反响到图像显示器（4.3英寸）上。图4所示为四轴翱翔器翱翔过程中拍摄到的一张图像。
2.2.2温湿度检测模块
本系统采取的是DHT11数字温湿度传感器模块。DHT11是一款含有已校准数字旗子暗记输出的温湿度复合传感器，它运用专用的数字模块采集技能和温湿度传感技能，确保其具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，传感器包括一个电阻式温湿元件和一个NTC测温元件，并且与一个高性能的8位单片机相连接。
通过温湿度检测模块来检测环境中的温湿度，通过K60单片机来处理传感器反馈的数据，该数据通过2.4 GHz频段无线传输到遥控器上的环境参数显示器上，得到某一天的温湿度数据如表1。
2.2.3PM2.5和PM10浓度采集
本系统采取SDS011激光PM2.5传感器，能够得到空气中 0.3～10 μm悬浮颗粒物浓度，对PM2.5浓度及PM10浓度进行检测。其具有数据准确、相应快速、集成度高、分辨率高、数据稳定可靠、数字化输出等特点［6］。
通过SDS011激光PM2.5传感器来采集环境中的各种参数，经K60单片机处理传感器反馈的数据，该数据通过2.4 GHz频段无线传输到遥控器上的环境参数显示器上。得到几组PM2.5和PM10浓度的日变革数据，如表2所示。将测得数据与当地气候局监测数据作比较，其PM2.5有±1.2%偏差，PM10有±2.4%偏差，丈量结果准确度较高。
2.2.4显示反馈数据
本系统采取0.96英寸OLED液晶屏连接到K60芯片上，实时显示数据，如图5所示。
2.3掌握台
掌握台部分的研究涉及到遥控、OLED显示、图像显示、无线数据传输。OLED显示和图像显示已在环境信息采集中先容。数据无线传输选用nRF24L01+无线吸收模块。nRF24L01+是一款事情在2.4~2.5 GHz天下通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式掌握器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。其拥有极低的电流花费：当事情在发射模式下，发射功率为6 dBm时电流花费为9 mA，吸收模式时为12.3 mA。掉电模式和待机模式下电流花费更低。nRF24L01+模块和K60单片机的连接图如图6所示。
3软件设计
系统采取模块化构造设计，利用IAR开拓环境，系统功能组态更加方便。基本程序模块有温湿度采集模块、PM2.5/PM10采集模块、OLED显示模块、nRF24L01+无线收发模块等，各个模块既能独立地实现各部分功能，又可以共同事情达到系统的设计哀求。
3.1数据发送
主控芯片K60按照中断韶光间隔向DTH11温湿度传感器、PM2.5传感器发送起始旗子暗记，将读出的温湿度、PM2.5/PM10等信息进行整理校验后，通过无线收发模块发送给掌握终端，数据采集程序流程图如图7所示。采取定时器中断的办法完成采集任务，本设计采取每2 200 ms PIT0中断一次，采集一次数据。由于韶光间隔较短，各传感器的数据显示不断更新，从而能够实时检测到各环境参数的变革情形。
3.2数据吸收
在中断韶光到达后，K60主控芯片发送指令，nRF24L01+模块吸收数据，判断数据是否精确，如果数据精确，则进行OLED显示，否则连续吸收数据。数据吸收程序设计流程图如图8所示。
4结论
本文先容了四轴翱翔器环境信息采集系统的设计，提出了系统的整体设计方案，并分别对系统的软硬件进行设计。系统以K60为主掌握器，通过2.4 GHz和5.8 GHz无线模块进行通信掌握，通过MPU 6050进行姿态获取，利用反馈掌握算法进行电机掌握。安装调试后，验证了该系统可以实现四轴翱翔器的姿态掌握；摄像头正常拍拍照像且实时发送给遥控端吸收器；飞机在翱翔时能够采集环境中的温度、湿度、PM2.5、PM10等信息，并且能够通过2.4 GHz频段无线传输到掌握台。
参考文献
［1］ 刘峰，吕强，王国胜，等.四轴翱翔器姿态掌握系统设计［J］.打算机丈量与掌握，2011，19(3)：583585.［2］ 常国权，戴国强.基于STM32的四轴翱翔器飞控系统设计［J］.单片机与嵌入式系统运用，2015，15(2)：29-32.
［3］ 陈海滨，殳国华.四旋翼翱翔器的设计［J］.实验室研究与探索，2013，32(3)：41-44.
［4］ 李尧．四旋翼翱翔器掌握系统设计［D］.大连：大连理工大学，2013.
［5］ BOUABDALLAH S. Design and control of quadrotors with application to autonomous flying［D］.Switzerland:Lausanne EPFL,2007.
［6］ 付佳贺．四轴翱翔器的设计与研究［D］.成都：电子科技大学，2015.
