《无人机水浊度探测系统的设计与实现》9500字（论文）

-7-无人机水浊度探测系统的设计与实现摘要：目前在我国的各行各业都能看到无人机的身影，根据我国的目前发展现状，环保问题是不容忽视的问题，我国的前期工业大多以牺牲环境为代价，对我国的长远发展极为不利，而大多数污染企业多建立在地广人稀的偏远区域，同时由于水的流动性对于水的检测仍旧存在较多的检测盲区，随着无人机应用的兴起，这为我国的水质检测找到了目标，智能化的检测，高效率的管理，为环境创造更多的价值。对此针对此类现象本文主要阐述如此利用无人机来检测人类无法到达的区域进行相关的水质检测工作，充分利用无人机的便利性和实用性。所以目前的水质检测基于目前所存在的无人机技术，通过对无人机相关结构的强化和相关件的改造更利于水质检测的利用。关键词：无人机；探测；高效率；智能化；浊度目录TOC\o"1-3"\h\u4835第1章绪论 5210761.1选题背景与意义 5243881.2国内外研究现状 682191.3选题的目标与内容 62646第2章浊度的测量 8231212.1浊度相关定义和测量单位 8162612.1.1浊度相关定义 8196932.1.2浊度单位 8308122.2浊度的检测方法 869202.3浊度的公式分析 89286第3章浊度传感器系统设计 10215613.1系统架构 10171613.2光源的选择 1155153.3系统硬件组成 11123843.3.1信息采集模块 1169803.3.2信号放大模块 1143843.3.3转换器 1245783.3.4主控模块 1258363.3.5液晶显示模块 13102253.3.6复位电路 14134463.3.7电源电路 14122043.4系统的软件设计 14309043.4.1程序设计 15221513.4.2液晶显示程序 1663903.4.3转换器程序设计 1627145第4章无人机系统设计 18270984.1飞行器分类简述 1873474.2系统控制器 1828054.3传感器模块介绍 1847924.3.1惯性测量单元 1838454.3.2罗盘 19322094.3.3GPS 19274014.4执行机构 1921734.4.1电机 1928104.4.2电子调速器 1952234.4.3螺旋桨 1984864.4.4电池 20114624.5地面站系统 2011648第5章无人机技术与浊度传感器共生方案 21217465.1共生无人机类型选择 21257055.2共生结构 21236935.2.1结构融合 2163275.2.2信息互通 21281345.3共生优势 2111017第6章实验与调试 23288006.1姿态稳定性控制测试 23206496.2实验结果检测 2326864结论 2422154参考文献 25

第1章绪论1.1选题背景与意义我国目前的发展迅速，经济的快速发展了带来了很多发展问题，不解决我国的环境问题便为今后的发展埋下了危机，随着二三产业的比重不断上升，首先便是空气的污染不断加重，同时也有水污染严重和水资源的短缺，面临着前两大问题之一的水资源问题，目前的水源检测一般是选择准确的监测点，选择的一般是上游河道的中心点，现状便是工作人员迫于当时环境无法到达检测点，造成难以避免的检测误差，高频率的检测和高检测精度的要求都为水质检测提出了更高的要求。目前我国的无人机的个性化与智能化。我国的发展迅速，工业的崛起和目前人民对于民用无人机的了解变多，我国的工业化进程的加快，目前对于高端专业化无人机的性能及技术索求逐年增多，在面相未来的发展中，无人机更强的性能和更多的功能是必须且必要的发展目标。尽量的降低无人机的机载成本，使得无人机集成功能低，拓展能力强，例如农业信息探测方面的应用，只需要应用适宜无人机的长距离传感器，可以取得高品质的远程探测信息。对此经过相关的调查了解，并未发现有相关无人机搭载相关采样或勘测设备进行有关作业的相关方式方法，对此本篇文章特此介绍此类方法。1、解放劳动力，提高生产效率。中国由之前的人口大国具备人力富足的现实情况逐渐走向中度老龄化社会，我国的人口资源优势逐渐消失，人力资源逐渐宝贵而且面对城镇化发展迅速大多数年轻人逐渐选择前往城市，农村仅留存部分留守老人。在这样的人口现状之下，无人机具有高机动性，能够更快的到达采样点进行工作，提升工作效率，在极大程度内解放了劳动力。能够将无人机应用于此提高整体化的应用程度能够大大提高水采样活动的机械化程度。2、降低采样成本。人力支出是从事劳动最大的支出，同时由于采样时间的要求极其严格，对此利于无人机能搞提升效率的同时降低采样成本。3、保护工作人员生命安全。首先部分污染水源具有剧毒性，每年年我国都有工作人员因为采集受污染水源中毒导致急性食物中毒甚至是死亡。其次部分污染水源的具体污染区域地处偏远区域，前往具体的采集地区道路较为危险，对采集工作人员的生命安全造成威胁。4、安全高效，操作容易。随着目前无人机操作的简单性及便捷性，只需通过简单培训基本都能上手，既保证了安全也提高了效率。由于无人机是通过地面遥控或程序飞行的。1.2国内外研究现状目前对于无人机的发展而言，我国的无人机发展较为迅速，同时伴随我国最大乃至世界最大的无人机公司——大疆，将整个无人机的影像发展推向高潮，并拓展了无人机电力巡检以及农业无人机药物喷洒等等行业，但是随着我国经济的快速发展，逐步加强了对于环境及各类资源的检测力度，但是依旧停留于利用传统的人力资源进行取样，目前国外对于无人机的拓展应用也达到了有史以来的利用高潮，各国的应用都是对于整个无人机拓展应用的强有力的支持。单靠无人机的发展仅仅可以为整个行业发展市场提供有关支持与协助，主要是目前对于浊度的测量。对于无人机浊度检测的相关发展由以下几个阶段：目视比浊法：即选取一定的标杆浑浊度，此类方法有着较大的误差，首先是因为标杆尺度的选择，其次是通过个人的视觉感受进行有关判断。重量测量法，其主要以悬浮物的重量作为浊度的测量标准分光光度法，其中较为典型的便是散射法，投射法以及比值法。国内的浊度测量相对于国外来说起步较晚，刚开始主要是以流通式的安装方式为主，用户的选择较为单一，但是在20世纪90年代后国内的检测技术突飞猛进，武汉沃德和上海雷磁对于检测技术的发展可谓功不可没。综上所述，目前我国的民用无人机发展可谓举世瞩目，真正的做到了简单好用，又随着对于生态技术的重视和检测技术的飞速发展，根据了解目前我国对于此类无人机拓展方面的发展较少，且整体发展速度较慢。1.3选题的目标与内容充分挖掘无人机的个性化与智能化。我国的发展迅速，工业的崛起和目前人民对于民用无人机的了解变多，我国的工业化进程的加快，目前对于高端专业化无人机的性能及技术索求逐年增多，在面相未来的发展中，无人机更强的性能和更多的功能是必须且必要的发展目标。尽量的降低无人机的机载成本，使得无人机集成功能低，拓展能力强。了解并解决目前浊度传感器应用壁垒。目前的浊度传感器主要基于目前取得的浊度收据应用于洗衣机的洗衣水的浑浊程度，通过浑浊程度来判断当时的洗衣质量。但是目前随着各行业对水资源的重视，各种水质量探测技术应运而生，能够为水资源是否达标提供了有力的参考和保障，但因此会造成一定的人力物力浪费，用于无人机可以顺势解决取样困难的问题。不同监测平台数据的融合与应用。多方面无人机系统的资料收取同于结合目前近地传感设备的检测资料，将以上资料汇总整合后会对目前的水资源目标进行相关的未来形式预测及事后的精确化管控。无人机的应用能够充分地实时检测，大大降低了取样后的部分水质因为相关环境的影响导致了最后测量结果的误差。想要达到以上方面就务必需要做好无人机的拓展延伸，制作并完善浊度传感器的功能以及准确的进行各类信息融合，确保信息的准确性以及整个运行系统的稳定性。

第2章浊度的测量2.1浊度相关定义和测量单位2.1.1浊度相关定义浊度是指所检测液体取样的光学特性的表示，类似于透光度等参数，依照国标ISO07027当中有对浊度的相关描述：难溶性物质的存在而导致液体的透光度降低。当水中有泥沙、土壤、有机物等悬浮固体时，以上所述物体会对穿过水的光泽具有劝止作用，其结果既是产生了衍射，这就是浊度的产生。2.1.2浊度单位浊度是一种对水透光度的一种显示方式，但是由于缺乏一些非常明确的规范化文件，所以浊度的定义都是模糊的。据了解我们目前知道的有“度”、“JTU，,、"ppm”、“mg/L”、“FTU”、‘FNU、tcNTLT、“FAU”。这其中JTU是出现的较为提前的，这是一种浊光浊度计的单位，其原理是有一个标准的蜡烛，主要通过人眼目测来确认浊度的大小，其他单位度和ppm、mg/L的相关定义类似，其主要指的是每升液体中·存在1mg的土。2.2浊度的检测方法根据相关资料显示，目前的浊度的检测案发大部分是利用化学相关试剂或者有关仪器，对于前者的化学分析主要是针对现在具有实施条件的一些实验利用此类方法，缺乏这种使用环境会严重影响最终的检测结果。而利用仪器进行检测便是通过检测整个液体的透光性，有一定的光源照明，然后具有光源接收设备。通过合理的设计光路完成透光度的检测，目前我们所要解决的是利用无人机进行相关液体浊度的检测，这个系统的设计与实现，根据设计需要我们主要采用仪器分析法对浊度进一步的探测。2.3浊度的公式分析以下是浊度在距离被测液体表面距离为Y的光照强度计算方式：IY=K0I0e-K1TY公式（2-1）K0是透光系数的数值。K1是液体套对平行光的吸收系数，I0是入射光能力，T表示的是水浊度。dIS1=K2TIYdy公式（2-2）其中：K2为溶液对光的散射系数，IY为深度Y处的光照强度。浊度仪的光学原理如图2.1。图2.1浊度仪的光学原理将式（2-1）代入式（2-2）可得Y处沿X方向散射光为：dIS1=K2TK0I0e（-K1TY）·dy公式（2-3）实际到达硅光电池的散射光的强度为：dIS=dIS1·e-K1TX公式（2-4）式中X为散射光到达硅光电池表面的距离。则可以得到从X这个位置的入射光程度：0Y0K0.K2.I0.T.eedyIK2K0K1==QUOTEI0e-K1TX(1-e-K1TY0)公式(2-5)

浊度传感器系统设计3.1系统架构本设计以51单片机为基础，即把Atmel公司生产的STC89C52该款单片机作为主控芯片。具体流程图如图3.1。图3.1系统硬件结构框图图3.1中各部分介绍如下：电源电路：稳定的电路是一个系统的基础，首先要保证的便是电源电路。采用5V电源供电为本硬件系统的元件进行供电，主要是对单片机进行供电。电源可以提供+5V/-5V的供电操作，充分地试用于各个设备。复位电路：单片机由各大主机厂制作，所以各主机厂在出场的时候给单片机确定的状态，单片实现复位就是要在复位引脚RET上接上外接电阻亦或电容。液晶显示电路：类同于电脑或者手机屏幕，主要是将电信号转换为文字形式，便于我们的读取，同时选用液晶显示主要是有性价比较高等优点。同时保有量较多，充分的稳定也经历时间的检测。信号放大电路：就像题目中所做的功能，主要是方法功能，最基本的模拟信号被放大，系统的组成可以拥有两个及两个以上的放大电路，同时放大电路也是其他模拟电路的主要组成部分。A/D转换电路：该电路就是我们所说的模拟数字转换器，又称作ADC，本次采用的是ADC0832，主要流程是分别经过取样、保持、量化及编码这四个流程。3.2光源的选择光源的种类具有直接影响。由于本系统设计较为微小，无法提供白炽灯所需要的较大功率，如果依旧选用白炽灯则会造成电子元件内部的温度漂移，最终导致读数不准确。最终本设计选用的近红外发光二极管即我们常说的LED灯，其主要原因是LED灯的寿命较长且没有白炽灯使用时间长久后出现发给导致光源衰弱的情况。3.3系统硬件组成3.3.1信息采集模块所谓的采集模块即是一块硅光电池但是并没有电池的作用，是一种将光信号转换为电信号的半导体元件，同时不用依托外加电源同时结构简单。硅光电池的主要核心便是PN结，也就是说当这个PN结感受到光照信号时，这时候就会有一定的回路电流产生，这便是我们所说的光生伏特效应。硅光电池构造如图3.2。图3.2硅光电池的构造3.3.2信号放大模块采用ICL7650芯片，斩波自动稳零结构是该类芯片的重要特点，对于其他功能有调制和解调，同时放大器又是与硅光探测器直接连接，是非常重要的零部件，有关ICL引脚排列顺序图纸如图3.3所示。图3.3ICL的引脚排列顺序及位置 芯片的有关原理如图3.4所示。图3.4ICL7650原理图3.3.3转换器转换器的主要作用便是通过处理器数字化的读取相关数据。主要将模拟信号转变为可以接收的数字信号进行下一步的处理工作，根据目前的技术转换器的分辨率最高可达256级，该设计选用的芯片是8位分辨率的芯片，而且体积小价格低，年限久远且稳定。3.3.4主控模块把STC89C52单片机作为主控模块，该单片机是8位单片机而且是MSC-51系列产品的升级版，其升级的主要优势为充分利用了半导体公司ATMEL的掉电不丢数据的闪存生产技术，也利用了新的半导体生产工艺。该款单片机芯片具有低功耗同时高性能的优势，能够进行灵巧的编程同时性能稳定可靠。单片机STC89C52最小系统原理图如3.5所示。图3.5主控模块引脚图3.3.5液晶显示模块液晶显示器我们也称作LCD显示器，其优势众多，主要有体积小，功耗低同时价格也低，因为多重优点被广泛的应用于单片机所控制的部分仪器作为主要的显示设备。同时液晶显示也要充分地考虑目前的接口为串行方式，占用了单片机的接口，充分地保证了整个硬件系统的整体性设计。本设计利用的SMC1602液晶屏。SMC1602A液晶显示特性：首先是具有5V电源，低能耗、长使用时间、高可靠性。其次具备192种符号；1602LCD与单片机接口电路图如图3.6所示。图3.61602LCD与单片机接口电路图3.3.6复位电路复位和置位电路，就将单片机的电路初始化到之前的一个确定状态，它的操作就类似于我们所常用计算机的归零。复位电路图如图3.7所示。图3.7复位电路图3.3.7电源电路本文所所描述的整个系统的基础是电源电路，即需要通过电源电路对整个系统进行供电来保证整个系统的正常运转和系统的持续运行。5V的供电机制是目前我们所常见的供电电压，其主要是对单片机以及转换器进行供电。系统的有关电源电路如图3.8所示。图3.8电路图电源3.4系统的软件设计本次设计的系统软件层面全部由模块进行相关设计，其就是各个相关功能分别由各个模块完成。系统主程序的作用是进行系统的初始化、相关中断优先级的设定等。其关键便是实现各个模块之间的连接。3.4.1程序设计首先是主控程序，即对本设计硬件中的外部包括内部的有关寄存器开展初始化进程。开始进程包括以下几个步骤：让系统时钟开始变换为外部时钟系统；对堆栈指针进行复原；对I/O口进行初始化；针对于定时器的初始化；针对于UART0串口的初始化；针对于SPI串口的初始化；针对于液晶控制器CDM1602A的显示的初始化。主程序流程图如图3.10所示。流程准备流程准备流程开始流程开始查找询问按键的有无查找询问按键的有无进行处理结束调用数据处理子程序调用延时进行处理结束调用数据处理子程序调用延时调用数据采集子程序调用数据采集子程序调用数据处理子程序调用数据处理子程序图3.10系统程序流程图3.4.2液晶显示程序作为液晶显示器的主要器件。下面进行相关角位的设计情况：D0-D7作为数据传输引脚。VSS是接地线、VDD是电源线、VEE是主要的LCD驱动电压调节，显示调节便主要依靠此方面。EN是使能信号。具体执行的流程如图3.11所示。指令写入并显示模式设置指令写入并显示模式设置光标的出现光标的出现光标的移动光标的移动结束且数据消失结束且数据消失图3.11LCD初始化程序流程图3.4.3转换器程序设计硬件主要选取了TLC549作为转换器。工作如下：首先是写入之前转换器的最终结果，然后对本次转换的输入信号（模拟信号）保持采样并保持最后开始有关转换。具体流程图如图3.12所示。首先进行复位即首先进行复位即CS为高同时I/OCLOCK为低和移位计数为零选选数模转换芯片同时CS置低经历经历1.4us，将I/OCLOC变为高电平获取获取DATAOUT，将I/OCLOCK变为高确认是否为第八位确认是否为第八位将CS变为高将CS变为高停止停止图3.12程序流程图

第4章无人机系统设计4.1飞行器分类简述飞行器分类的主要是各类多桨叶飞行器，与传统的单水平变频器相比，简单的结构、简单的维护、简单的操作、具有稳定性和易于搬运的优点，一般多厅影院，如6个转子和8个转子广泛应用于胶卷、电视空中摄影、安全监测、农园植物保护、电力线巡逻等领域。4.2系统控制器飞机控制系统启动后，用传感器收集飞行姿势数据，控制发动机飞行。同时要向遥控器信后发射器发送相关处理信号，使得遥控人员对设备的整体情况有所观察，同时遥控器既作为发射端也是接收端都需要接收正确的命令，使用上级设备控制飞机，控制器结构图如图4.1所示。 图4.1系统结构框图具有多路的PWM输出功能，用来驱动相应的电机工作，从而实现飞行器的飞行功能：在通信接口上，可以实现spi模式和无线模块的通信，发送数据，接收控制信号。4.3传感器模块介绍4.3.1惯性测量单元IMU又称为惯性测量单元，主要设备是利用IMU中的加速度计、陀螺仪等相关的感知设备，各项感知设备获得了当前无人机的有关数据，例如姿态数据等等，获得数据后通过相关的算法运算得出当前有关飞行参数，经过以上过程后实现了飞行器的各项高级辅助程序，例如定高，自动规划航线等等有关功能，无人机的利用性大大提高。4.3.2罗盘罗盘的飞机非常重要的传感器设备之一，首先它负责的是为飞行器提供位置信息，我们所知道飞机目前的飞行方向主要就是通过罗盘进行确认的，这就要求罗盘的精准性首先是必须的，其次每次飞行前都要对罗盘进行一定的校准工作。在这个位置飞行时，它根据指南针的行驶状况进行校正。4.3.3GPS通过加速度的分解计算基准姿势，通过姿势控制的输入达到UAV指定的位置。在生物翅膀飞机研究中，光学三维运动捕获系统具有模拟定位精度，三维位置、姿势、奥罗拉角度、准确捕捉6个自由度和移动物体的其他数据，VAV、广播数据实现SDK和其他实时UAV的位置和姿势的控制，固定点间隔、自律障碍回避和追踪、飞行控制算法验证等4.4执行机构4.4.1电机多旋翼飞机为了维持飞机的稳定飞行和质量下降，在四个飞机上装备了4个没有刷子的马达，进行动力传递。动力稳定，其宽度有速度、小体积、高效率稳定的转速误差少等特点这个高速被广泛用于转换成飞机。多应用于无人飞行器的是无刷DC电机，由此电机主要充实了整个的发动机主干和驱动器，是一个非常具有代表性的集成作品，没有刷头的DC电机是通过自身控制来运行的，所以在可变频率调节下，在负载大的同步电动机等转子上添加不同的音量由于负载突然变化时不会发生震动和阶梯差。4.4.2电子调速器电调全称电子调速器。主要作用一是保护电机，防止其他部分出现大电流同时具有报警功能。二是进行信号的转变，把飞控信号转变为电流。通过电子调速器能够保证各个电机的旋转正常或者说在必要的时候会进行报警。4.4.3螺旋桨对于整个多旋翼飞行器而言，目前对于提供升力最重要的是部件，但是螺旋桨具备螺旋角，各种桨的型号不同主要是根据电机以及电调的型号进行相关匹配。飞行器具有两对桨但是一对桨里面一个正桨，一个反桨。经钻研取得的成果来看，目前的多旋翼飞行器提供升力的桨叶为二的倍数最佳。4.4.4电池对于无人机电池的选择大部分都用动力锂电池，但是因为无人机所从事的工作不同。例如，农业植保无人机的载重量一般都在40公斤级左右，一个近似成年女性的重量，同时还需要有关雷达系统、监视系统，还有相关自主作业等相关配套设施。对此还选择了双电池系统。4.5地面站系统地面站系统是Windows的相关系统应用MP是个Windows的应用，同时还有pc地面站还有ipad地面站和安卓地面站，随着科技发展都是更便携的调试设备，更好的为我们服务。

第5章无人机技术与浊度传感器共生方案5.1共生无人机类型选择无人机可以做到定点悬停以及定点环绕，同时也具有装载能力强。所以最终选择采用固定翼无人机与浊度传感器相搭载的方式，浊度传感器受目标机械位置的影响较大，同时多旋翼无人机可以定点悬停的优势及时的补充了这一缺点，保证了空中较为平稳的勘测以及数值的准确性。5.2共生结构5.2.1结构融合本次无人机与浊度传感器的组合主要采用机械化结构硬链接方案。首先将色彩传感器搭载于无人机的下方，由于无人机风向是由上向下，所以所有连接结构均具备导风机制，疏导无人机下方气流。减震机构是必不可少的机构，由于一般多旋翼无人机为四轴或者六轴甚至八轴，为此多电机的共振是不可避免的情况，高强度的共振可能会导致浊度传感器内部的机构损坏甚至是报废，对此减震机构便成了必不可少的机构。浊度传感器硬链接的设计是为了适应环境多变的田间地头，由于各种户外环境生长的高矮粗细各不相同，无人机穿梭其中无论是对于飞手来说具备更高的操作难度，操作失误不仅造成无人机及其颜色传感器的损害，同时会对庄稼的生长造成影响甚至造成一定程度的财产损失，浊度传感器延长杆能够有效的减轻飞手压力，同时可以进行仔细观察后选择相关样品进行检测。确保以安全性为前提，以稳定性为基础的融合方式。5.2.2信息互通提高信息的整合和共享程度是一个系统提升效率的重要方式，所以作为一个新的融合系统，首要提升的便是整个系统的信息互通程度，本次共生方案主要采用摄像头加图传的系统对单片机上的实时LED屏进行传输，通过专人的记录得到实时数据。5.3共生优势本次采用此类共生方式主要是充分利用无人机的高机动性和浊度传感器的科学性，首先无人机的作用是解决道路不通畅的问题，以及可以越过路面的障碍进行相关工作，可根据勘察需要调整飞行相关姿势，获得实时的样品参数，使得测量结果更具有时效性。第6章实验与调试6.1姿态稳定性控制测试姿态的稳定性是无人机实施作业的前提，所以要保证最基本的牢靠的稳定性，以目前行业顶尖的大疆无人机的稳定性为行业目标。我们首先从GPS的调试开始，确保收星正常是前提，然后进行陀螺仪的矫正，翻滚俯仰进行矫正。软件矫正结束以后进行硬件矫正，首先查看电机，沉浸板是否存在共振等情况，电池是否固定牢靠，同时相关农业设备是否可以正常运行。无人机作为一种较为具备风险的设施，要充分保证其稳定性和可控性，在失去控制后要也要保证在空中的稳定性。6.2实验结果检测通过实地使用无人机搭载水浊度传感器对相关地的相关水源进行检测，并且充分的向有关从业人员进行了解，包括渔业从业人员对养殖鱼的水质进行检测，对于渔业养殖而言，越为宽泛的水域越不容易发现水污染问题，通过无人机对水浊度进行检测结合样方法能够真正的了解整个水库的水质情况，即了解到漂浮物的状况。并获得如下数据且与传统水样采集法进行有关对比，发现因数据量的不同无人机的采集方式所取到的平均值更加符合平均值的相关特性且真正的做到了定为污染水源的作用。

结论无人机作为近年来的新型且高速发展的行业，它的发展得到了市场的足够认可。无人机的高速发展势必会使部分工作变得高效，就像本文中所提到的无人机水浊度探测系统，此系统主要功能是进行水资源的浊度检测，所以对于本系统而言，可以应用于户外水质检测，养殖户水质检测等等，能够大大的降低工作强度和工作的危险系数。无人机的整体系统是由电机、桨叶、电子调速器、沉浸板、APM飞控、接收机、GPS、起落架等部分组成，充分考虑了空气动力学的设计和内部有关程序的研究，真正的能够做到稳定飞行，以无人机为基础。浊度检测系统主要元件为、电解电容、套餐电容、晶振、电阻、电位器、单片机、液晶、排阻、开关、电源、ad转换、水浊度传感器、温度传感器