1、1.2技术说明随着信息技术的飞速发展，单片机科技、传感器技术以及远程监控技术在很多方面得到了应用。同时飞行器技术已经有了100多年的发展历史，近年来的发展更为迅速，因而可以大胆设想将飞行器技术应用于管道机器人，形成一种全新的飞行式管道机器人结构。在这个大背景下，我们结合所学知识和现在的设计水平，设计了这个能够检测管道的四轴飞行器。我们以化工管道为例，管道中通常都是一些具有毒性和腐蚀性的气体和液体，在长时间使用后管道会受到不同程度的腐蚀，利用人力来检测时人无法进入并且对人体也会有伤害，是无法实现的。所以我们设计了这款可在管道内飞行的四轴飞行器，能够在管道内自由飞行。1.3适用范围该款飞行器主要适
2、用于管道的检测。具有体积小，质量轻，能够在管道中自由、稳定的飞行等特点。能够时时检测管道内的状况，能够确定管道内障碍物的具体位置。同时也能够检测路面上的信息，具有多用途、灵活性和可靠性等优点。本课题是定义在管道检测的用途上设计的，对飞行的灵活性以及可靠性具有非常严格的要求。在设计时，我们利用mpu6050姿态检测模块来检测飞行器的姿态，通过PID算法加以调整飞行器姿态，使之能够平稳的飞行及实现转弯悬停等操作。飞行器还通过超声波来检测周围障碍物的距离，以避免撞到障碍物上。而且飞行器上还搭载了一个小型摄像头，所以能够保证飞行器在管道中飞行及观测管道情况。此外，本飞行器还可以用于航拍，记录如运动会之
3、类的体育竞技活动等。第2章总体方案超声波模块能够检测飞行器与前方障碍和上下管壁之间的距离，防止与管壁发生碰撞；该系统总体设计框图如下图所示。系统总体设计图超声波传感器：超声波传感器用于测量距离的使用，能够测量前方障碍的距离以及飞行器与管壁的距离，当飞行器与管壁之间的距离小于设定值时，飞行器会自动调整与管壁之间的距离。姿态检测模块MPU6050:姿态检测模块用于检测飞行器的当前姿态，当飞行器在管道中飞行时可通过上位机来观测飞行器的姿态，以便于对飞行器更好地控制。摄像头模块OV7670：摄像头模块用于检测管道中的信息，将采集的管道中的信息通过WIFI时时传输到上位机上。WIFI模块：WIFI模块用
4、于数据的传输，不仅能够将采集的图像传输到上位机上，也能够通过上位机来对飞行器进行操作。第章器件简介该款飞行器选用了工业常用的超声波传感器、姿态检测模块和摄像头模块等。3.1 超声波传感器简介超声波传感器图3.1.1 特点1.广泛的探测范围 2.高灵敏度、快速响应恢复3.性能稳定，测量距离精确4.简单的驱动电路3.1.2 应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。超声波距离传感器也可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发
5、射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。而且在测距方面应用也非常广泛。3.1.3 使用原理超声波模块通过发送超声波，检测被反射回来所用的时间来判断被检测物体的距离。3.2 无线通讯模块简介WIFI模块图 无线通信模块是基于GPRS网络研发的数据通讯产品， 多安装在监控子站。监控子站现场设备通过无线通信模块和监控中心互联，远程传输数据，实现监控子站与监控中心的通信。广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象
6、监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。3.2.1 无线通讯的特性 （1） 低功耗设计，实时在线平均电流10mA /12V。（2） 体积小巧、安装方便。（3） 弹出式卡槽设计，安装SIM卡无需打开设备外壳。（4） 支持短消息、专线、VPN专网等多种组网方式；支持域名解析功能。（5） 支持UDP、TCP 协议；支持数据透明传输。（6） 可选配水资源监测数据传输规约、水文监测数据通信规约等。（7） 支持各家组态软件和用户自行开发软件系统。（8） 工业级设计，适用室外恶劣环境。（9） 采用上位机召测的数据上报方式；可扩展支持定时上报、数据变化
7、上报等上报方式（扩展功能需定制）。3.3 姿态检测模块简介MPU6050模块图MPU-6050 是全球首例9 轴运动处理传感器。它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。3.4 摄像头模块简介摄像头模块图 摄像头又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输
8、入设备,在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年以来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的水平。同时这两年摄像头被广泛应用于智能手机，这样也促进感光成像技术的进一步提高。 将摄像头组装在飞行器上，可以实现全方位多角度的拍摄，本飞行器采用OV7670型摄像头，OV7670图像传感器，体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。通过 SCCB 总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影响数据。该产品 VGA 图像最高达到 30 帧/秒。用
9、户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过 SCCB 接口编程。OmmiVision 图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。3.5 上位机简介 随着现代信息技术的飞速发展以及计算机网络的广泛应用，计算机通信技术已经日趋成熟。通过上位机来控制下位机的运行、维护与优化得到了广泛的应用。串行通信是一种广泛使用且实用的通信方式，由于具有线路简单、应用灵活、可靠性高等一系列优点长期以来获得了广泛的应用。计算机串行通信在数据通信、故障检测、计算机远
10、程监控等方面有广泛的应用与利用价值，特别是在Windows下的串口通信可以充分利用Windows下的软件资源优势，实现多任务条件下对外部的数据传输、信息收集和处理。 本系统使用Visual Studio 2010的编程环境来编程。结合.NET Framework类库中提供的SerialPort 类来编写接收来OV7670摄像头采集数据并通过stm32f103c8t6和wifi下位机发送的数据。实现了对下位机数据以及图像的采集、存储，进而对存储图像和数据的分析来管道的具体情况。第章硬件设计驱动方式1. 蜂鸣器驱动电路2. 蜂鸣器驱动设计3. 电路原理图4. a） PWM 输出口直接驱动蜂鸣器方式
11、5. b） I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式本系统外围电路包括超声波传感器输入部分、摄像头模块OV7670输入部分、 姿态检测模块MPU6050。硬件电路图4.1超声波传感器输入模块本系统的超声波传感器模块我们选用的是HC-SR04模块，后接集成运算放大器，经三极管输入接至单片机的管脚，用于测量距离使用。超声波传感器HC-SR04模块电路图4.2姿态检测模块MPU6050本系统的姿态检测模块我们选用的是MPU6050，此模块直接接至单片机的管脚，用于检测6轴的角速度以及角加速度，经过互补滤波得到飞行器的三个姿态。姿态检测传感器MPU6050电路图4.3摄像头输入模块本系统的摄像头模块为OV
12、7670，使用它的原因是比较小巧，采集图像清晰。摄像头模块部分电路图4.4 WIFI模块WIFI ESP8266模块原理图本系统的无线模块为WIFI ESP8266，当飞行器在飞行时，通过上位机与WIFI之间进行通讯，实现对飞行器的操作以及图像的传输功能。参考文献 1 一种新型管道检测机器人系统J.上海交通大学学报，2004， （8）:41-43. 2 管道机器人的研究进展J.机床与液压，2008，（4）:111-112. 3 油烟管道清洗机器人控制系统设计与研究D.上海:东华大学，2009. 4 国内外微小管道机器人的研究现状J.机械设计，2010，（12）:53-54. 5 电缆管道机器人
13、视频监测系统的开发D.上海:上海交通大学，2008. 6 管道机器人的发展现状J.机器人技术与应用，2003，（4）:71-72. 附录1实物照片2主程序流程图3.部分程序iic.c#include iic.h/#include delay.hSysTick.hvoid I2C_delay（void） delay_us（1）;/?IICvoid I2C_Init_IO（void） GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE）;GPIOC? GPIO_InitStr
14、ucture.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;/GPIO_Mode_Out_OD; /*GPIO_Mode_Out_PP;*/ GPIO_Init（GPIOA, &GPIO_InitStructure）; GPIO_SetBits（GPIOA, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11）;/PC 11,12 ?void I2C_Start（void）
15、SDA_H; I2C_delay（）; SCL_H; SDA_L; SCL_L;void I2C_Stop（void） u8 I2C_WaitAck（void） u8 errtime = 0; while（SDA_read） errtime+; if（errtime250） I2C_Stop（）; return 0; return 1;void I2C_Ack（void） void I2C_NoAck（void）void I2C_SendByte（u8 SendByte） u8 i; for（i=0;ii） SDA_H; else SDA_L; SCL_H;u8 I2C_ReadByte（vo
16、id） u8 i=0; u8 ReceiveByte=0; for（i=0; SCL_L; SDA_H; ? I2C_delay（）; ReceiveByte = 1; if（SDA_read） ReceiveByte+; else return ReceiveByte;u8 Single_Write（u8 REG_Address,u8 REG_data,u8 SlaveAddress） I2C_Start（）; I2C_SendByte（SlaveAddress）;+? while（!I2C_WaitAck（）; I2C_SendByte（REG_Address）; I2C_SendByte
17、（REG_data）; I2C_Stop（）; delay_ms（5）;/*?*/u8 Single_Read（u8 REG_Address,u8 SlaveAddress） u8 data=0; /? I2C_SendByte（SlaveAddress+1）; data = I2C_ReadByte（）; I2C_NoAck（）; return data;void Multiple_write（u8 star_addr,u8 num,u8 SlaveAddress,u8* send_buf） I2C_SendByte（star_addr）;num; I2C_SendByte（send_buf
18、i）; while（!void Multiple_read（u8 star_addr,u8 num,u8 SlaveAddress,u8* recv_buf） recv_bufi = I2C_ReadByte（）; if（i = （num-1） I2C_NoAck（）;NOACK else I2C_Ack（）;/MPU6050?/void i2cRead（u8 SlaveAddress,u8 star_addr,u8 num,u8* recv_buf） Multiple_read（star_addr,num,SlaveAddress,recv_buf）;void i2cWrite（u8 Sla
19、veAddress,u8 REG_Address,u8 REG_data） Single_Write（REG_Address,REG_data,SlaveAddress）;Imu.cimu.hmpu6050.hmath.hANGLE Q_ANGLE;float number_to_dps（s16 number） float temp; temp = （float）number*Gyro_Gain; return temp;float number_to_dps1（s16 number） temp = （float）number*Gyro_GainR;float number_to_g（s16
20、number） temp = （float）number*Acc_Gain;void Get_Accel_Angle（s16 x,s16 y,s16 z,float* roll,float* pitch） temp = sqrtf（float）（y*y+z*z）; temp = atan2（float）x,temp）*（180/3.14159265）; *pitch = temp; temp = sqrtf（float）（x*x+z*z）; temp = atan2（float）y,temp）*（180/3.14159265）; *roll = temp;float roll_data4;fl
21、oat pitch_data4;void ACC_Angle_Filter（float roll_in,float pitch_in,float *roll_out,float *pitch_out）3; roll_data3-i = roll_data3-i-1; pitch_data3-i = pitch_data3-i-1; roll_data0 = roll_in; pitch_data0 = pitch_in; *roll_out = （65*roll_data0+20*roll_data1+10*roll_data2+5*roll_data3）/100; *pitch_out = （65*pitch_out0+20*pitch_out1+10*pitch_out2+5*pitch_out3）/100;void IMUupdate（s16 gx, s16 gy, s16 gz, s16 ax, s16 ay, s16 az,s16 yaw_gyro_tar） static float x1=0,y1=0,z1=0,x2=0,y2=0,z2=0;
