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摘 要：针对传统监控系统的监控范围小、布线复杂等特点，利用四轴飞行器搭载摄像头进行任意位置的多角度监控，同时监控电量，自动返航。该系统可利用飞行器自身WIFI采用电脑控制，时时将监控信息回传。此系统包含无线通信，单片机，传感器等技术，整合四轴飞行与拍摄监控。
关键词：四轴飞行器；传感器；STM32单片机；监控
四轴飞行器监控系统是以学校与住宅为平台，利用无线通信技术、安全防范技术、自动控制技术使安保系统变得更加轻松，可控与安全。作为多旋翼飞行器的最常用型四轴飞行器，飞行器的飞行姿态由螺旋桨的速度控制，根据操控者的要求进行拍摄监控，以此达到安保作用。
一、飞行器硬件
本系统样机机架部分，选用X600四旋翼飞行器机架。该机架机臂采用13mm×13mm铝方管，长600mm，铝管属合金，是高强度硬铝之一，耐腐蚀、重量轻、冷加工性好。无应力开裂倾向，且焊接性能优良，是一种使用范围很广的合金，被广泛用于汽车、轮船、航天航空、机电等行业。选定为四旋翼飞行器的材料，更看重其导热快，不易变形，将控制四个无刷的电机电子调速器分别固定在各自机臂上，既为平台节省空间，也达到了散热目的。高强度玻璃纤维的特性是具有极高的强度和模量，不仅拥有玻璃纤维诸如耐高温，抗腐蚀，抗拉性强，绝缘性佳等诸多优点，而且其韧度好、密度小、吸收冲击能量大、无环境污染。它的单纤维抗拉强度高出无碱玻纤抗拉强度大约四分之一，其生产的玻璃钢制品主要用于军工、防弹盔甲及运动器械。中央固定平台、弹力减震缓冲脚架以及电机座，就是由高强度玻纤材料切割而成。选用的原因，一方面该材料做成的固定平台可以稳固四支机臂，使得机身整体结构稳定。另一方面，该材料组成的缓冲脚架，能够吸收降落甚至坠地时的冲击力，有效保护机体其他部分受到损伤。碳纤维材料具有密度小，强度高，耐久性好，耐腐蚀等优点。与铝材相比有更高强度，而抗震方面与玻纤材料不相上下，密度大小也颇为理想，很适合作为飞行器制作材料。但碳纤维价格不菲，加工难度大，考虑到加工与制作成本，本文暂不选用碳纤维材料。
二、四轴飞行器飞行原理
四轴飞行器由4个螺旋桨和1个飞行控制器组成，在结构上有X型和十字型两种形式分类，螺旋桨安装与堆成的4个顶点之上。对称的两组螺旋桨旋转方向相反，以此抵消扭力矩。当四轴飞行器的电机旋转速度发生改变时，就可以产生升力，以此控制姿态。当四轴飞行器的升力等于本身的重力时，若要四轴飞行器实现悬停，只需让四轴飞行器的升力等于本身的重力，在悬停的基础上，对任意一对螺旋桨的转速进行改变，四轴飞行器即可以实现偏航运动，同时改变两对螺旋桨的转速，可实现四轴飞行器的上下运动。
三、飞行器姿态
四旋翼飞行器的机械结构相当直观简单，工作原理也显而易见。特别是因为其机身支架为刚性垂直交叉结构，且完全对称，旋翼产生的反作用力矩可以相互抵消。因此无需配备反扭矩旋翼，省去了复杂传动装置。而四个旋翼提高了升力，使得有效载荷能力大为加强。控制四旋翼飞行器是通过调整四个电机的转速形成转速差，导致其各自装载的旋翼转轴方向的升力发生变化，从而改变机身姿态角，最终实现控制飞行器位置和速度。就物理空间上而言，四旋翼飞行器具有6个自由度，分别为：①升降运动；②前后运动；③左右运动；④俯仰运动；⑤翻滚运动；⑥偏航运动。
四、地面控制室设计
安保人员可以在飞行器飞行之前进行预先规划。或者在飞行过程中通过电脑或移动端对四轴飞行器进行控制，修改飞行轨迹。控制软件主要有三大功能：①对飞行的监控功能。在接收到回传的信息后，发送各种遥控指令对飞行路线、姿态进行干预；②地图导航功能。地图导航功能和飞行监控功能累死，同样需要传感器及通讯技术的支持，用于获取四轴飞行器的位置，将这些信息打包回传给控制室，更重要的是地图导航功能还需要GPS的支持，實时地在地图上标示出四轴飞行器在地图上的当前准确位置和航向，对于四轴飞行器导航的顺利完成至关重要；③航线规划。作为四轴飞行器监控系统中的一个重要功能的航线规划，无人机可提前对飞行路线等进行规划。
五、应用前景
四轴飞行器的发展历史接近一个世纪，随着社会的发展和科技的快速进步，四轴飞行器的技术日渐成熟，也有越来越多的商家将四轴飞行器应用到商业中。但是对于监控这一行业至今没有很好的应用，本文提出的系统设想从理论到现实，可以填补这一方面的空白。运用四轴飞行器体积小，质量轻，飞行控制简单的特点，使得安保工作更加轻松。在监控方面，可以更加多角度，大范围的监控区域。
参考文献：
[1]张运楚，梁自泽，谭民.架空电力线路巡线机器人的研究综述[J].机器人，2004，26（5）：467-473.
[2]宋峥峥.架空电力线路巡检的空中视频监测系统综述[J].中国电力教育，2007：254-256.
[3]崔瑞强.新型旋翼微型无人侦察机结构与气动布局设计研究[D].太原：中北大学，2012.
[4]聂博文.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007，14（6）：113-117.
作者简介：
第一作者：胡鑫（1995.07—），男，湖北黄冈人，本科，武汉科技大学城建学院学生，专业：给排水科学与工程。
第二作者：唐晓强（1995.03—），男，湖北十堰人，本科，武汉科技大学城建学院学生，专业：给排水科学与工程。
关键词：四轴飞行器；传感器；STM32单片机；监控
四轴飞行器监控系统是以学校与住宅为平台，利用无线通信技术、安全防范技术、自动控制技术使安保系统变得更加轻松，可控与安全。作为多旋翼飞行器的最常用型四轴飞行器，飞行器的飞行姿态由螺旋桨的速度控制，根据操控者的要求进行拍摄监控，以此达到安保作用。
一、飞行器硬件
本系统样机机架部分，选用X600四旋翼飞行器机架。该机架机臂采用13mm×13mm铝方管，长600mm，铝管属合金，是高强度硬铝之一，耐腐蚀、重量轻、冷加工性好。无应力开裂倾向，且焊接性能优良，是一种使用范围很广的合金，被广泛用于汽车、轮船、航天航空、机电等行业。选定为四旋翼飞行器的材料，更看重其导热快，不易变形，将控制四个无刷的电机电子调速器分别固定在各自机臂上，既为平台节省空间，也达到了散热目的。高强度玻璃纤维的特性是具有极高的强度和模量，不仅拥有玻璃纤维诸如耐高温，抗腐蚀，抗拉性强，绝缘性佳等诸多优点，而且其韧度好、密度小、吸收冲击能量大、无环境污染。它的单纤维抗拉强度高出无碱玻纤抗拉强度大约四分之一，其生产的玻璃钢制品主要用于军工、防弹盔甲及运动器械。中央固定平台、弹力减震缓冲脚架以及电机座，就是由高强度玻纤材料切割而成。选用的原因，一方面该材料做成的固定平台可以稳固四支机臂，使得机身整体结构稳定。另一方面，该材料组成的缓冲脚架，能够吸收降落甚至坠地时的冲击力，有效保护机体其他部分受到损伤。碳纤维材料具有密度小，强度高，耐久性好，耐腐蚀等优点。与铝材相比有更高强度，而抗震方面与玻纤材料不相上下，密度大小也颇为理想，很适合作为飞行器制作材料。但碳纤维价格不菲，加工难度大，考虑到加工与制作成本，本文暂不选用碳纤维材料。
二、四轴飞行器飞行原理
四轴飞行器由4个螺旋桨和1个飞行控制器组成，在结构上有X型和十字型两种形式分类，螺旋桨安装与堆成的4个顶点之上。对称的两组螺旋桨旋转方向相反，以此抵消扭力矩。当四轴飞行器的电机旋转速度发生改变时，就可以产生升力，以此控制姿态。当四轴飞行器的升力等于本身的重力时，若要四轴飞行器实现悬停，只需让四轴飞行器的升力等于本身的重力，在悬停的基础上，对任意一对螺旋桨的转速进行改变，四轴飞行器即可以实现偏航运动，同时改变两对螺旋桨的转速，可实现四轴飞行器的上下运动。
三、飞行器姿态
四旋翼飞行器的机械结构相当直观简单，工作原理也显而易见。特别是因为其机身支架为刚性垂直交叉结构，且完全对称，旋翼产生的反作用力矩可以相互抵消。因此无需配备反扭矩旋翼，省去了复杂传动装置。而四个旋翼提高了升力，使得有效载荷能力大为加强。控制四旋翼飞行器是通过调整四个电机的转速形成转速差，导致其各自装载的旋翼转轴方向的升力发生变化，从而改变机身姿态角，最终实现控制飞行器位置和速度。就物理空间上而言，四旋翼飞行器具有6个自由度，分别为：①升降运动；②前后运动；③左右运动；④俯仰运动；⑤翻滚运动；⑥偏航运动。
四、地面控制室设计
安保人员可以在飞行器飞行之前进行预先规划。或者在飞行过程中通过电脑或移动端对四轴飞行器进行控制，修改飞行轨迹。控制软件主要有三大功能：①对飞行的监控功能。在接收到回传的信息后，发送各种遥控指令对飞行路线、姿态进行干预；②地图导航功能。地图导航功能和飞行监控功能累死，同样需要传感器及通讯技术的支持，用于获取四轴飞行器的位置，将这些信息打包回传给控制室，更重要的是地图导航功能还需要GPS的支持，實时地在地图上标示出四轴飞行器在地图上的当前准确位置和航向，对于四轴飞行器导航的顺利完成至关重要；③航线规划。作为四轴飞行器监控系统中的一个重要功能的航线规划，无人机可提前对飞行路线等进行规划。
五、应用前景
四轴飞行器的发展历史接近一个世纪，随着社会的发展和科技的快速进步，四轴飞行器的技术日渐成熟，也有越来越多的商家将四轴飞行器应用到商业中。但是对于监控这一行业至今没有很好的应用，本文提出的系统设想从理论到现实，可以填补这一方面的空白。运用四轴飞行器体积小，质量轻，飞行控制简单的特点，使得安保工作更加轻松。在监控方面，可以更加多角度，大范围的监控区域。
参考文献：
[1]张运楚，梁自泽，谭民.架空电力线路巡线机器人的研究综述[J].机器人，2004，26（5）：467-473.
[2]宋峥峥.架空电力线路巡检的空中视频监测系统综述[J].中国电力教育，2007：254-256.
[3]崔瑞强.新型旋翼微型无人侦察机结构与气动布局设计研究[D].太原：中北大学，2012.
[4]聂博文.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007，14（6）：113-117.
作者简介：
第一作者：胡鑫（1995.07—），男，湖北黄冈人，本科，武汉科技大学城建学院学生，专业：给排水科学与工程。
第二作者：唐晓强（1995.03—），男，湖北十堰人，本科，武汉科技大学城建学院学生，专业：给排水科学与工程。