城市消防无人机控制系统的设计
发布时间：2021-01-30 15:11
随着城市建设规模不断扩大,灭火救援面临着复杂多变的现场条件,高层建筑火火及人员逃生是当前世界公认的难题。传统的灭火方式捕获信息慢,处理响应不够及时,因此如何高效、快速地获取信息并传递信息、重点针对被困人员展开施救,成为灭火救援面临的一个新问题。上述问题的解决方案之 就是借助无线监控及特殊的消防手段实施灭火救援工作。但是高层楼宇往往建筑结构复杂,具有灭火通信设备不完善、无线信号覆盖面不足等缺点,使得传输过程中信号容易受到干扰,很难保证传输的实效性和可靠性。基于以上原因,本论文在分析现有灭火系统的发展以及优缺点后,以高层建筑火灾侦查和消防灭火为目标,对城市消防无人机的控制系统进行了设计开发。本论文对消防无人机的控制系统设计展开研究,其核心内容是完成主要机载设备的选型以及机载控制器的开发及测试,使其能够以无线传输方式下传图像、飞行姿态等信息,又能根据地面操控指令完成云台姿态控制、摄像机控制、灭火弹发射、定位信息获取及显示等一系列操作。按照以上总体要求,经过认真的分析和细化,最终确定系统功能需求和技术要求。本论文主要做了以下几方面的工作:1.论文首先对系统的功能需求进行分析,进而提出技术指标,...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
控制系统组成原理框图
控制系统硬件设计113.控制系统硬件设计受制于无人机有限的空间，硬件系统的设计应当以提高集成度、减小控制板的体积为目标。因此无人机机载控制系统的硬件设计以机载控制器的设计为核心。机载控制器不仅要求能够实时获取飞行姿态、GPS信息、灭火弹状态等数据并进行存储，还应具有对摄像机及其云台等设备的控制能力，同时利用集成的无线图像传输、无线数据传输模块，实现与地面操控终端的图像信息、数据和控制指令的传输。依据设备在无人机上的布局关系，本系统的机载控制系统空间结构图如图3-1所示：图3-1机载控制系统空间结构图Fig.3-1SpaceStructureDiagramofAirborneControlSystem整个机载控制系统从空间结构上划分，由电源盒、控制盒和外设等构成，它们之间通过电缆连接。电源盒内安装电池组。控制盒由于体积较小，因此内部仅安装电路板级的模块，如机载控制器、GPS模块、无线数传模块、姿态测量模块等，外设则主要由云台、摄像机和无线图传模块等构成。从功能结构划分，机载控制器为整个控制系统的核心，因此对其加以单独介绍，而将其它部分作为外设单独介绍。3.1系统供电方式电源模块是硬件系统的供电模块，它决定整个系统能否正常运行，电源模块的设计不仅可以提高硬件的可靠性，还可以为其余各单元模块提供相应的电压。整个机载电源的供电包括供电盒和电源管理模块两部分组成，为自身工作供电和相关设备供电。无人机的供电本论文不予考虑。供电盒内安装有低温锂电池组，低温锂电池组选用18650锂电池[26]构成，因为设备
Ч??电源管理模块的作用同样重要，因为电源转换效率和供电管理方式直接决定着电能的消耗。电源管理模块的功能有两个：一是对供电盒的输出电压进一步转换，以满足不同设备的供电需求。二是按照控制指令对不同设备的供电进行通断控制，以节约电能。电源管理模块的功能由机载控制器完成。由于提供给机载控制盒的电压为12VDC，而实际器件需要的电压如下所示：1）3.3V/1A：为控制器（3.3V/0.2A）和无线数传模块提供电源（3.3V/0.5A）；2）5V/1A：为其它外设和GPS定位模块提供电源（5V/0.5A）；因此最终确定的电源供电电路图如图3-2所示。图3-2电压转换电路图Fig.3-2VoltageConversionCircuitDiagram图中LM2596是3A电流输出的降压开关型集成稳压芯片[27]，由于芯片自身包括振荡器和内部稳压电路等，因此使用此芯片只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。电压转换模块设置AMS1117-3.3稳压芯片来提供3.3V的稳定电压，为避免电源切断时出现的电压反冲[28]，图中设置一个容值较大的电容C4来进行保护。而输出端的较小容值的C6电容则是为了消除稳压过程中的波形振荡，使得输出的电压为稳定的3.3V。3.2外围设备选型在整个控制系统的开发中，应当首先根据系统供电情况完成外设选型，再依据选择的外设进行机载控制器的开发。下面就对姿态测量模块、无线数传模块、GPS模块、无线图传模块、云台和摄像机等的选型进行介绍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]从第十八届中国国际消防展浅谈我国消防装备发展趋势[J]. 曲翔宇. 广东化工. 2020(01)
[2]无人机消防实战应用及空中特情处置探讨[J]. 孙春辉. 今日消防. 2019(01)
[3]基于无线传输技术的调度通讯系统研究[J]. 樊玉明. 数字通信世界. 2019(01)
[4]探讨无人机在消防灭火救援行动中的应用[J]. 周亚林. 科技创新与应用. 2018(16)
[5]多旋翼无人机在高层建筑消防灭火中的应用[J]. 曹兵. 智能建筑与智慧城市. 2018(05)
[6]无人机在消防无线视频传输系统中的应用[J]. 张磊. 电子技术与软件工程. 2017(07)
[7]基于OpenCV与Socket的网络视频监控系统设计与实现[J]. 陈名松,邱晓金,许笑. 现代电子技术. 2017(02)
[8]国外救援无人机的发展现状[J]. 张峰,佟巍,周立冬,刘爱兵. 中国医疗设备. 2016(06)
[9]浅议无人机在消防灭火救援行动中的应用[J]. 徐超. 无线互联科技. 2016(08)
[10]Effects of Temperature, Acetate and Nitrate on Methane Generation from Petroleum Hydrocarbons[J]. Liu Chunshuang,Zhao Dongfeng,Zhang Yunbo. China Petroleum Processing & Petrochemical Technology. 2014(04)
硕士论文
[1]电动汽车交流充电桩的研究与设计[D]. 水盼盼.合肥工业大学 2018
[2]危险场所事故灾害无人机侦检技术应用研究[D]. 居涛.华南理工大学 2017
[3]基于ARM和DSP超小型无人直升机飞控系统设计与实现[D]. 刘福周.黑龙江大学 2017
[4]帕金森震颤检测分析关键技术研究[D]. 廖静.重庆理工大学 2017
[5]水下非接触电能传输和数据传输系统[D]. 魏洋槟.杭州电子科技大学 2017
[6]基于Linux平台的视频监控系统研究与应用[D]. 杨华明.暨南大学 2016
[7]基于3D打印云服务平台的设备接入系统设计与实现[D]. 周博.天津职业技术师范大学 2016
[8]基于H.264的公交车3G网络视频监控终端的设计与实现[D]. 何超.天津大学 2014
[9]四旋翼无人机自主控制系统研究[D]. 殷强.天津大学 2012
[10]基于单目视频图像处理的铅球成绩测量技术的研究与实现[D]. 包峰.东北石油大学 2011
本文编号：3009120
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
控制系统组成原理框图
控制系统硬件设计113.控制系统硬件设计受制于无人机有限的空间，硬件系统的设计应当以提高集成度、减小控制板的体积为目标。因此无人机机载控制系统的硬件设计以机载控制器的设计为核心。机载控制器不仅要求能够实时获取飞行姿态、GPS信息、灭火弹状态等数据并进行存储，还应具有对摄像机及其云台等设备的控制能力，同时利用集成的无线图像传输、无线数据传输模块，实现与地面操控终端的图像信息、数据和控制指令的传输。依据设备在无人机上的布局关系，本系统的机载控制系统空间结构图如图3-1所示：图3-1机载控制系统空间结构图Fig.3-1SpaceStructureDiagramofAirborneControlSystem整个机载控制系统从空间结构上划分，由电源盒、控制盒和外设等构成，它们之间通过电缆连接。电源盒内安装电池组。控制盒由于体积较小，因此内部仅安装电路板级的模块，如机载控制器、GPS模块、无线数传模块、姿态测量模块等，外设则主要由云台、摄像机和无线图传模块等构成。从功能结构划分，机载控制器为整个控制系统的核心，因此对其加以单独介绍，而将其它部分作为外设单独介绍。3.1系统供电方式电源模块是硬件系统的供电模块，它决定整个系统能否正常运行，电源模块的设计不仅可以提高硬件的可靠性，还可以为其余各单元模块提供相应的电压。整个机载电源的供电包括供电盒和电源管理模块两部分组成，为自身工作供电和相关设备供电。无人机的供电本论文不予考虑。供电盒内安装有低温锂电池组，低温锂电池组选用18650锂电池[26]构成，因为设备
Ч??电源管理模块的作用同样重要，因为电源转换效率和供电管理方式直接决定着电能的消耗。电源管理模块的功能有两个：一是对供电盒的输出电压进一步转换，以满足不同设备的供电需求。二是按照控制指令对不同设备的供电进行通断控制，以节约电能。电源管理模块的功能由机载控制器完成。由于提供给机载控制盒的电压为12VDC，而实际器件需要的电压如下所示：1）3.3V/1A：为控制器（3.3V/0.2A）和无线数传模块提供电源（3.3V/0.5A）；2）5V/1A：为其它外设和GPS定位模块提供电源（5V/0.5A）；因此最终确定的电源供电电路图如图3-2所示。图3-2电压转换电路图Fig.3-2VoltageConversionCircuitDiagram图中LM2596是3A电流输出的降压开关型集成稳压芯片[27]，由于芯片自身包括振荡器和内部稳压电路等，因此使用此芯片只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。电压转换模块设置AMS1117-3.3稳压芯片来提供3.3V的稳定电压，为避免电源切断时出现的电压反冲[28]，图中设置一个容值较大的电容C4来进行保护。而输出端的较小容值的C6电容则是为了消除稳压过程中的波形振荡，使得输出的电压为稳定的3.3V。3.2外围设备选型在整个控制系统的开发中，应当首先根据系统供电情况完成外设选型，再依据选择的外设进行机载控制器的开发。下面就对姿态测量模块、无线数传模块、GPS模块、无线图传模块、云台和摄像机等的选型进行介绍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]从第十八届中国国际消防展浅谈我国消防装备发展趋势[J]. 曲翔宇. 广东化工. 2020(01)
[2]无人机消防实战应用及空中特情处置探讨[J]. 孙春辉. 今日消防. 2019(01)
[3]基于无线传输技术的调度通讯系统研究[J]. 樊玉明. 数字通信世界. 2019(01)
[4]探讨无人机在消防灭火救援行动中的应用[J]. 周亚林. 科技创新与应用. 2018(16)
[5]多旋翼无人机在高层建筑消防灭火中的应用[J]. 曹兵. 智能建筑与智慧城市. 2018(05)
[6]无人机在消防无线视频传输系统中的应用[J]. 张磊. 电子技术与软件工程. 2017(07)
[7]基于OpenCV与Socket的网络视频监控系统设计与实现[J]. 陈名松,邱晓金,许笑. 现代电子技术. 2017(02)
[8]国外救援无人机的发展现状[J]. 张峰,佟巍,周立冬,刘爱兵. 中国医疗设备. 2016(06)
[9]浅议无人机在消防灭火救援行动中的应用[J]. 徐超. 无线互联科技. 2016(08)
[10]Effects of Temperature, Acetate and Nitrate on Methane Generation from Petroleum Hydrocarbons[J]. Liu Chunshuang,Zhao Dongfeng,Zhang Yunbo. China Petroleum Processing & Petrochemical Technology. 2014(04)
硕士论文
[1]电动汽车交流充电桩的研究与设计[D]. 水盼盼.合肥工业大学 2018
[2]危险场所事故灾害无人机侦检技术应用研究[D]. 居涛.华南理工大学 2017
[3]基于ARM和DSP超小型无人直升机飞控系统设计与实现[D]. 刘福周.黑龙江大学 2017
[4]帕金森震颤检测分析关键技术研究[D]. 廖静.重庆理工大学 2017
[5]水下非接触电能传输和数据传输系统[D]. 魏洋槟.杭州电子科技大学 2017
[6]基于Linux平台的视频监控系统研究与应用[D]. 杨华明.暨南大学 2016
[7]基于3D打印云服务平台的设备接入系统设计与实现[D]. 周博.天津职业技术师范大学 2016
[8]基于H.264的公交车3G网络视频监控终端的设计与实现[D]. 何超.天津大学 2014
[9]四旋翼无人机自主控制系统研究[D]. 殷强.天津大学 2012
[10]基于单目视频图像处理的铅球成绩测量技术的研究与实现[D]. 包峰.东北石油大学 2011
本文编号：3009120
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