基于四旋翼飞行器的制药车间温湿度监测

摘要：文章介绍了制药车间温湿度检测的工作原理，分别介绍了四旋翼飞行器系统及SHT11温湿度传感器；研制了制药车间温湿度监测装置，并说明了装置的结构与特点。实验证明，该测量装置测量准确、性能稳定、性价比高，可以广泛应用于制药生产中。

关键词：温湿度监测；四旋翼飞行器；制药车间；SHT11温湿度传感器；制药生产 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2015）25-0021-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.010

药品是关乎人类疾病治疗的重要商品，制药环境与储存环境的好坏会严重影响药品的质量，并直接影响到对疾病的治疗效果，甚至决定病人的生命。尤其在制药过程中，温度与湿度的控制对药品的质量起着重要作用。在此背景下，我们研究设计了基于四旋翼飞行器的制药车间温湿度监测装置。此装置主要包括四旋翼飞行器系统和温湿度监测系统。

1 四旋翼飞行器系统的设计

1.1 系统方案论证

1.1.1 系统总体设计。本系统应用瑞萨R5F100LEA单片机为主控芯片，采集加速度计和陀螺仪的数据来解算当前的飞行器姿态，然后控制电机转速，实现平衡。用红外检测模块循迹，引导飞机从A区飞向B区。发挥部分中要过4m（一般制药车间高度）的障碍，可以用超声波模块实现定高，用电磁铁吸引小铁片。

1.1.2 电机的选择。电机采用无刷直流电机无刷电调驱动，无刷电机有低干扰、噪音低、运转顺畅、寿命长、低维护成本、负载能力强等优点，考虑到飞行器需要有一定的负载能力，我们采用新西达无刷电机A2212 KV1400，根据尺寸要求，配合8045浆。根据该电机的资料显示，满载时电流能达到16A，加上余量，我们选择30A中特威电调。

1.1.3 飞行器防护圈的选择。选用塑料泡沫，自重轻，造价低，具有优良的抗冲击性、抗压性能，可以有效地保护旋翼。综合以上分析，我们选用塑料泡沫为机翼的防护圈。

1.1.4 陀螺仪和加速度传感器。我们选用MPU-6050，该模块整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，MPU-6050的角速度范围为±250°/sec、±500°/sec、±1000°/sec、±2000°/sec，可准确追踪快速与慢速动作，并且用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g、±8g、±16g。

1.1.5 红外循迹模块。本产品使用的是一体反射式红外对管，红外检测输出如图1所示，所以使用红外对管进行循迹时必须是白色轨道加黑色引导条。电路分别由电阻、电位器、红外对管和运算放大器组成。A1与电阻组成一个比较器。红外信号的强弱是由R1来控制的，R1起到限流的作用。当红外信号发出时，OUT端输出低电平，相反则输出高电平。红外检测到黑线时输出低电平为0V，检测到白线时输出高电平为3.75～5V。

1.2 系统理论分析与计算

1.2.1 加速度传感器和陀螺仪数据。引入了重力并旋转了盒子，每个轴都分别垂直于模型中各自的墙面。矢量R是加速度计检测的矢量。RX、RY、RZ是矢量R在X、Y、Z上的投影。静止情况下可以得到：R^2=RX^2+R^2+R^2；R=SQRT（RX^2+RY^2+RZ^2）。

陀螺仪的每个通道检测一个轴的旋转。例如，一个2轴陀螺仪检测绕X和Y轴的旋转。为了用数字来表达这些旋转，我们先引进一些符号。首先定义RateAxz（Axz1–Axz0）/（t1–t0），单位为度/秒。这就是陀螺仪检测的东西。

RateAxz=（AdcGyroXZ*Vref/1023–VzeroRate）/Sensitivity

RateAyz=（AdcGyroYZ*Vref/1023–VzeroRate）/Sensitivity

式中：

Vref——ADC的参考电压

VzeroRate——零变化率电压

Sensitivity——陀螺仪的灵敏度

如果值大于零速率电压值，则说明这个旋转方向是正向。如果为负则为反方向，停止旋转，电压就会回到零速率水平。

1.2.2 基于四元数的姿态解算。捷联式惯性导航原理是假定捷联系统“数学平台”模拟地理坐标系，即导航坐标系；载体的姿态矩阵为载体坐标系和导航坐标系之间的空间转动关系，用俯仰角（pitch）、偏航角（yaw）和滚转角（pitch）来确定，分别用θ、ψ和γ表示。目前主要的研究方法为三种：欧拉法、方向余弦法与四元数法。

本设计中采用的是四元数法进行飞行器的姿态解算，而且用四元数来表示旋转，组合旋转时比用其他方法运算量更少。

1.3 PID控制

PID调节器的输出是输入的比例、积分、微分的函数。PID调节的实质：根据系统输入的偏差，由PID函数关系进行运算，结果用以控制输出，最大限度地减小系统惯性带来的误差，使系统以最快速度达到预想的结果。PID调节器是一种线性调节器，它将设定值w与实际值y的偏差：

按其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量：

比例调节器的微分方程为：

积分调节方程为：

微分调节方程为：

模拟系统中，PID的表达式为：

对上式离散化，即为数字式的差分方程：

为了减少需要整定的参数，我们首先采用PI控制器，在开始调试前设置一组保守的参数，再依据PID参数与系统性能的关系，来反复调节PID的参数。

1.4 电机的控制

姿态角计算完成后，将数据发送给单片机，单片机处理后，再利用PWM信号控制电调。电机调速器接收的标准信号为50Hz方波，正脉冲宽度为1～2ms，在此范围内正脉冲的宽度与所输出的电机的转速成正比。经测试，电调可以接受的PWM频率可达到400Hz。

1.5 系统硬件设计

系统硬件的设计框图如图2所示：

程序流程：先启动按键，再姿态解算、高度检测同时PID平衡检测，判断高度是否符合要求，符合要求就停止起飞，寻着轨迹继续向前，直到到达目的地停止。

2 温湿度传感器监测系统

对于装置的温湿度传感器，我们选择SHT11芯片。SHT11是数字温湿度传感器芯片，具有分辨率高、准确率高、稳定性好、耗能低等特点。

2.1 SHT11的引脚功能

SHT11采用的是SMD（LCC）表面贴片封装。各引脚的功能如下：（1）脚1和脚4——信号地和电源，其工作电压范围是2.4～5.5V；（2）脚2——DATA为数据线；（3）脚3——SCK为时钟线；（4）脚5～8——未连接。

2.2 SHT11的应用设计

当工作电压高于4.5V时，SCK最高频率为10MHz；而当工作电压低于4.5V时，SCK最高频率则为1MHz。DATA数据线需要外接上拉电阻。

在程序开始时，微处理器需要用一组启动传输时序表示数据传输的启动。当SCK时钟为高电平时，DATA转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK时钟为高电平时，DATA又转为高电平。

3 温度和湿度值的计算

3.1 湿度线性补偿和温度补偿

SHT11直接输出的湿度值为“相对湿度”，为得到较为准确的湿度值，相对湿度需要进行线性补偿和温度补偿。由于相对湿度值得到的曲线特性为非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，按下列公式修正湿度值：

式中：

——经过线性补偿后湿度值

——相对湿度测量值

——线性补偿系数

以下为补偿公式：

式中：

RHtrue——经过线性补偿和温度补偿后的湿度值

T——测试湿度值时的温度

t1、t2——温度补偿系数

3.2 温度值输出

由于SHT11是温度敏感元件，因而具有很好的线性输出。实际温度值可由下式算得：

式中：

、——特定系数（与SHT11工作电压有关；与SHT11内部A/D转换器采用的分辨率有关）

4 结语

四旋翼飞行器的红外循迹系统能够在一定区域内进行监测，并可以自动记录数据。因此，在此基础上，将温湿度传感器安装在四旋翼飞行器进行制药厂房的温湿度监测可大大减少人力。同时，四旋翼飞行器价格廉价、占地小，与大型监测系统相比可以减少生产成本。

参考文献

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[2] 王东来，吕强，王珂珂.基于神经网络的小型四旋翼无人机姿态控制[A].2009年全国博士研究生论坛[C].2009.

[3] 邓正隆.惯性技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[4] 姜连祥，许培培.温湿度传感器SHT11的感测系统设计[J].新器件新技术，2007，（4）.

作者简介：赵文琦（1994-），女，山东理工大学电气与电子工程学院学生，研究方向：电气工程及其自动化。

（责任编辑：周 琼）