分類號編號煙臺理工學院畢業論文（設計）基于Arduino的無人機高度告警儀樣機設計PrototypeDesignofUAVAltitudeAlarmBasedonArduino申請學位：工學學士學院：人工智能學院專業：自動化班級：智2224-2姓名：學號：指導老師：2024年5月16日煙臺理工學院基于Arduino的無人機高度告警儀樣機設計姓名：導師：2024年5月16日煙臺理工學院

原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業論文（設計），是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本論文（設計）不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽字：簽字日期：2024年5月16日版權使用授權書本人完全了解學校關于收集、保存、使用畢業論文（設計）的規定。本人愿意按照學校要求提交論文（設計）的印刷本和電子版，同意學校保存論文（設計）的印刷本和電子版，或采用影印、數字化或其它復制手段保存論文（設計）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統，公布論文（設計）的部分或全部內容，允許他人依法合理使用。（保密成果在解密后遵守此規定）作者簽字：簽字日期：2024年5月16日煙臺理工學院畢業論文（設計）任務書學院：人工智能學院姓名韓海軍學號202215724206畢業屆別2024專業自動化畢業論文（設計）題目基于Arduino的無人機高度告警儀樣機設計指導教師沈偉學歷研究生職稱副教授所學專業航空航天一、主要內容：基于Arduino的無人機高度告警儀樣機設計涉及多個方面。在硬件方面，選擇ArduinoUno等適合的開發板，搭配超聲波、氣壓或激光測距傳感器來測量高度。告警裝置包括蜂鳴器、LED指示燈等，電源則通過電池或USB供電。電路連接要確保穩定性和信號傳輸的可靠性。在軟件設計上，使用ArduinoIDE編程，實現高度數據采集、處理和告警觸發邏輯。根據傳感器特性編寫高度測量算法，并設置合理的告警閾值。告警邏輯考慮連續超過閾值或高度變化率過大的情況。樣機測試與調試是驗證設計的重要環節，通過組裝樣機、功能測試和調試優化，確保高度測量的準確性和告警觸發的可靠性。進一步開發可考慮添加數據記錄與傳輸功能，通過外部設備存儲數據或通過無線通信模塊傳輸數據，以擴展樣機的應用范圍。二、基本要求：無人機高度告警儀設計需滿足：準確測量高度，超閾值發出告警（聲、光等）；設置告警閾值；著陸時重點告警；穩定可靠適應環境。硬件包括合適傳感器、Arduino開發板、告警裝置和電源。軟件需采集處理高度數據，實現告警邏輯，并提供設置界面。設計需考慮小型化、輕量化和信號干擾防護，外殼保護電路。實驗室和實際飛行測試驗證準確性和可靠性。三、要參考資料：[1]張懿譯.Arduino從零開始使用C和C++.第2版.清華大學出版社，2018.[2]沈金鑫，方可，顧洪譯，電子達人.我的第一本Arduino入門手冊：北京：人民郵電出版社，2016.[3]吳蘭臻，鄭海昕，王天祥譯.基于Arduino的趣味電子制作.科學出版社,2011.[4]于欣龍，郭浩赟.愛上Arduino.人民郵電出版社,2011.[5]翁愷譯.學Arduino玩轉Android應用.人民郵電出版社,2014.[6]程晨著.Arduino電子實戰指南：零基礎篇.機械工業出版社,2013.[7]馬淋漓,王曉杰.基于Arduino單片機的金屬楊氏模量測量實驗[J].物理與工程,2023.[8]張少楚.基于Arduino的寵物臨近示警系統設計與實現[J].工業控制計算機,2024.[9]段雪峰,李健,裴鑫,王凱,閆浩,李笑飛,溫志剛,托乎提努爾.基于Arduino的微波功率測量系統設計[J].微波學報,2023.[10][于全全,孟麗君,李鵬,夏智勇,吳裕明,石耀宗.基于Arduino的摸高器自動測量與回位系統設計[J].傳感器世界,2022.[11]Arduino官方文檔.Arduino編程語言與硬件接口指南.Arduino官方網站,2023.[12]劉洪濤,黃鶴.Arduino項目開發與實踐教程.北京航空航天大學出版社,2017.[13]王小平,曹立明.遺傳算法:理論、應用與軟件實現.西安交通大學出版社,2002.[14][美]克里斯·安德森.無人機時代:即將來臨的空中機器人革命.浙江人民出版社,2015.[15][美]西蒙·海亞特.無人機系統導論.電子工業出版社,2015.[16]趙建.無人機飛行控制技術.西安電子科技大學出版社,2015.[17]蔣新松.機器人學導論.機械工業出版社,2013.[18]S.Sun,Y.Yin.X.Wang,etal,RobustLandmarkDetectionandPositionMeasurementBasedonMonocularVisionforAutonomousAerialRefuelingofUAVs[J].IEEETransactionsonCybernetics,vol.49,2019,pp.4167–4179.[19]袁棟.基于IAPF算法和Arduino單片機的橋檢無人機研究[D].浙江大學,2018.[20]宋博涵.基于超聲波測距的室內移動機器人自主導航技術研究[D].黑龍江哈爾濱，哈爾濱工業大學,2017[21]PerezS,SchererJ,RinnerB,etal.UAVtrajectoryoptimizationforminimumtimesearchwithcommunicationconstraintsandcollisionavoidance[J].EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence,2019,85(12):357-371.四、進度安排：2023.10.15導師發表相關課題，學生進行選題，并撰寫開題報告，進行開題。2024.2.21-2024.2.28開始下載Arduino編程軟件，以及購買Arduino套件，進行學習。2024.3.1-2024.3.13在百度，知網以及圖書館，查閱并搜集相關設計資料，完善研究方案和整體硬件軟件框架.2024.3.15完成初步方案和框架，聽取了指導教師提出的改正意見，并進行了思路的改進提升.2024.3.18-2024.4.1進行編寫代碼，以及軟件的調試工作，以及硬件實物的焊接等，已基本實現其控制功能，然后在后期再進行完善及修改。2024.4.3進行中期答辯，發現畢業設計過程中出現的問題，向老師尋求幫助，聽取導師提出的建議并及時改正2024.4.6-撰寫畢業論文，并進行不斷修改，直到定稿，終稿提交即可完成.指導教師（簽字）：2023年10月26日學院意見：本課題工作量適中，設計內容的符合專業培養目標，同意通過學院院長（或教學院長）簽字：2023年10月28日備注：［摘要］本次設計是以Arduino為核心，利用Arduino開發板結合超聲波傳感器、蜂鳴器、顯示屏等設備，再利用ArduinoIDE編寫程序并將程序上傳到開發板，目的在于實現無人機高度告警功能。該設計最主要的目的就是提高無人機飛行的安全，保障人身安全和財產安全。減少因為高度的問題而產生的風險。樣機在設計時，采用超聲波傳感器用來測量距離，可以在程序中設置一個預定值，低于這個高度，無人機發出報警信號，并通過蜂鳴器發出聲音，提醒操作者及時調整飛行高度。整體設計時還考慮節約成本，選擇集成化高的元器件，例如液晶顯示屏，在保障清晰度的同時降低成本；采用的開發板在保障基本功能的同時，選擇適量的引腳從而節約成本，還能減少無人機的負擔。所設計的樣機物美價廉，實用性好，體積小，成本低，可以推廣。［關鍵詞］Arduino；無人機；高度告警儀；傳感器；飛行安全

Abstract:ThisdesignisbasedonArduinoasthecore,usingtheArduinodevelopmentboardcombinedwithultrasonicsensors,buzzers,displayscreensandotherdevices,andthenusingtheArduinoIDEtowriteprogramsanduploadthemtothedevelopmentboard,withtheaimofachievingunmannedaerialvehiclealtitudewarningfunction.Themainpurposeofourdesignistoimprovethesafetyofdroneflight,ensuringpersonalandpropertysafety.Reducetheriskcausedbyheightissues.Whenwedesign,weuseultrasonicsensorstomeasuredistance.Wecansetapredeterminedvalueintheprogram.Ifitislowerthanthisheight,thedronewillemitanalarmsignalandsoundthroughabuzzer.Remindtheoperatortoadjusttheflightaltitudeinatimelymanner.Whenwedesign,wealsoconsidercostsavingsandchoosehighlyintegratedcomponents,suchasLCDscreens,toensureclaritywhilereducingcosts;Developmentboard,whileensuringbasicfunctions,selectsanappropriatenumberofpinstosavecostsandreducetheburdenondrones.Thedevicewedesignedaimstobecost-effective,practical,compact,andcost-effective,thuspromotingittovariouspartsoftheworld.Keywords:Arduino;Drones;Heightwarningdevice;Sensors;Flightsafety

目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 [21]。1．正常范圍測距如圖17所示。此時傳感器測量的距離為65cm，我們設定的告警值為30cm，測量值大于設定值，所以不會發生報警。圖SEQ圖\*ARABIC17整體硬件實物圖2．小于給定距離發生報警如圖18所示。此時傳感器測量的距離為20cm，我們設置的告警值為30cm，測量值小于設定值，所以發生報警。圖SEQ圖\*ARABIC18發生報警測試效果5.3實物展示5.3.1組裝效果圖為了讓該裝置能在無人機上使用，我們需要把該裝置安裝到無人機上面。我們需要切斷無人機電源線和開發板電源線，把開發板電源線和無人機電源線連接在一起，讓無人機電池同時給無人機和開發板一起供電。開發板電源線和無人機電源線如圖19所示。圖SEQ圖\*ARABIC19測試前準備實物圖切斷開發板電源線如圖20所示。圖SEQ圖\*ARABIC20更改線路實物圖斷開原來的無人機電源線，把Arduino開發板的電源線接到無人機上，讓無人機給開發板供電。更改成功實物圖如圖21所示。圖SEQ圖\*ARABIC21更改成功實物圖因為無人機沒有固定開發板的位置，所以我使用膠帶先把開發板固定在無人機底部，把面包板固定在無人機側面。這個設計主要是測量無人機距離地面的高度，所以我把超聲波傳感器也固定在無人機底部，用于探測飛行高度。把開發板用膠帶固定在無人機底部如圖22所示。圖SEQ圖\*ARABIC22固定開發板實物圖把調試成功的高度告警儀合理的安裝在無人機上，準備進行戶外測試。安裝成功實物圖側面如圖23所示。圖SEQ圖\*ARABIC23組裝完成實物圖側面把超聲波傳感器安裝在無人機底部，這樣可以準確的測量無人機的飛行高度。安裝成功實物圖正面如圖24所示。圖SEQ圖\*ARABIC24組裝成功實物圖正面5.3.2飛行實物圖把裝置成功安裝完成以后，無人機在戶外成功起飛實物圖如圖25所示。圖SEQ圖\*ARABIC25成功起飛實物圖增加無人機的飛行高度。如圖26所示。圖SEQ圖\*ARABIC26增加高度實物圖無人機增加至一定的高度，在空中固定一段時間。如圖27所示。圖SEQ圖\*ARABIC27固定高度實物圖無人機到達一定的的高度以后，會發生報警。如圖28所示。圖SEQ圖\*ARABIC28高度報警實物圖與開發套件配套的APP，通過輸入WiFi模塊的ID以后，在手機上面可以實時顯示無人機的飛行高度，還可以顯示是否發生報警。在這個APP上面可以設置報警閾值。如圖29所示，該圖就是無人機飛行至43cm時，手機上顯示的界面。此時報警閥值為30cm，故不發生報警。圖SEQ圖\*ARABIC29通過WiFi遠程顯示高度的效果（正常測距）如圖30所示，該圖就是無人機飛行至15cm時，手機上顯示的界面。此時的報警閥值為30cm，故發生報警。圖SEQ圖\*ARABIC30通過WiFi遠程顯示高度的效果（報警）

6總結6.1設計的總結基于Arduino的無人機高度告警儀樣機設計是一項融合了先進硬件與軟件技術的創新項目，旨在打造一個高效、精確的無人機高度監測與告警系統。在硬件構造上，我們精心選擇了Arduino作為主控核心，其開源特性和強大的處理能力使我們能夠輕松實現對無人機高度數據的捕獲、分析與管理。我們配置了高精度的高度傳感器，確保能夠實時、準確地獲取無人機的飛行高度信息。同時，為增強告警的直觀性和即時性，我們配置了高亮LED指示燈和響亮蜂鳴器，一旦無人機接近或超出預設的高度閾值，它們將立即啟動，引起操作人員的注意。在軟件編程方面，我們借助了ArduinoIDE這一功能強大的開發工具，利用C/C++語言編寫了高效、穩定的程序代碼。該程序不僅負責讀取傳感器數據，還包含復雜的邏輯判斷和數據處理功能，確保告警系統能夠在復雜多變的飛行環境中穩定運行。此外，我們還充分利用了Arduino的豐富庫函數和API，大幅簡化了開發流程，提高了工作效率。在實際應用中，這款高度告警儀樣機展現出了卓越的性能。當無人機飛行至危險高度時，告警系統能夠迅速響應，通過聲光方式發出清晰、明確的告警信號，為操作人員提供及時的預警信息。同時，該系統還支持通過串口通信將高度數據實時傳輸至計算機或其他設備，便于進行更深入的數據分析與處理。綜上所述，基于Arduino的無人機高度告警儀樣機設計是一個成功且實用的項目。它不僅具備高度的可靠性和穩定性，還能夠根據實際需求進行靈活調整與優化，為無人機的安全飛行提供了有力的保障。6.2優缺點分析6.2.1優點精確性高：能準確測量無人機的高度，提供精確的告警信息。靈活性強：可根據具體需求進行定制和擴展。成本相對較低：Arduino平臺的硬件和開發成本相對較低。易于使用：編程簡單，方便開發者進行快速開發?？煽啃愿撸悍€定的工作性能，能確保在各種環境下正常運行。可擴展性強：可與其他傳感器或模塊集成，實現更多功能。適應性廣：能適應不同類型和大小的無人機。6.2.2缺點性能受限：由于還處在樣機階段，Arduino開發板和電源等總量過大，也影響了整體性能和功能的提高，需要進一步集成化和輕量化。精度問題：在高度急劇變化等情況下，可能無法提供高度測量的高精度。供電問題：Arduino本身供電能力有限，可能需要額外的電源管理。通信范圍：無線通信能力可能受限，導致與無人機的通信范圍較小。穩定性：在惡劣環境下，系統的穩定性可能受到影響。6.3創新點高度檢測精度高：運用傳感器技術精準捕捉無人機的飛行高度，并能通過wifi和顯示器進行顯示。報警系統智能化：無人機達到預設值自動發出報警信號。體積?。喊惭b在無人機上面不會影響無人機的性能。成本低：利用開源的設備制作而成。擴展性強：Arduino擁有豐富的接口。操作簡單：屏幕顯示界面精簡。數據實時更新：飛行過程中即可查看飛行高度。

參考文獻張懿譯.Arduino從零開始使用C和C++.第2版.清華大學出版社，2018.沈金鑫，方可，顧洪譯，電子達人.我的第一本Arduino入門手冊：北京：人民郵電出版社，2016.吳蘭臻，鄭海昕，王天祥譯.基于Arduino的趣味電子制作.科學出版社,2011.于欣龍，郭浩赟.愛上Arduino.人民郵電出版社,2011.翁愷譯.學Arduino玩轉Android應用.人民郵電出版社,2014.程晨著.Arduino電子實戰指南：零基礎篇.機械工業出版社,2013.馬淋漓,王曉杰.基于Arduino單片機的金屬楊氏模量測量實驗[J].物理與工程,2023.張少楚.基于Arduino的寵物臨近示警系統設計與實現[J].工業控制計算機,2024.段雪峰,李健,裴鑫,王凱,閆浩,李笑飛,溫志剛,托乎提努爾.基于Arduino的微波功率測量系統設計[J].微波學報,2023.于全全,孟麗君,李鵬,夏智勇,吳裕明,石耀宗.基于Arduino的摸高器自動測量與回位系統設計[J].傳感器世界,2022.Arduino官方文檔.Arduino編程語言與硬件接口指南.Arduino官方網站,2023.劉洪濤,黃鶴.Arduino項目開發與實踐教程.北京航空航天大學出版社,2017.王小平,曹立明.遺傳算法:理論、應用與軟件實現.西安交通大學出版社,2002.[美]克里斯·安德森.無人機時代:即將來臨的空中機器人革命.浙江人民出版社,2015.[美]西蒙·海亞特.無人機系統導論.電子工業出版社,2015.趙建.無人機飛行控制技術.西安電子科技大學出版社,2015.蔣新松.機器人學導論.機械工業出版社,2013.S.Sun,Y.Yin.X.Wang,etal,RobustLandmarkDetectionandPositionMeasurementBasedonMonocularVisionforAutonomousAerialRefuelingofUAVs[J].IEEETransactionsonCybernetics,vol.49,2019,pp.4167–4179.袁棟.基于IAPF算法和Arduino單片機的橋檢無人機研究[D].浙江大學,2018.宋博涵.基于超聲波測距的室內移動機器人自主導航技術研究[D].黑龍江哈爾濱，哈爾濱工業大學,2017PerezS,SchererJ,RinnerB,etal.UAVtrajectoryoptimizationforminimumtimesearchwithcommunicationconstraintsandcollisionavoidance[J].EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence,2019,85(12):357-371.致謝路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。這篇致謝之詞的開始也意味著我的大學生活即將結束，始于2022年秋，終于2024年的盛夏，兩年的本科生涯，無論是喜悅還是酸楚，所有的經歷，于我都是禮物；所有的相遇，于我都是寶藏?？傄詾閬砣辗介L，卻不知時光匆匆溜走，縱使有萬般不舍，我們也要勇敢踏出這一步邁向一段新的旅途。桃李不言，下自成溪。首先感謝我的指導老師沈偉，從開題報告到最后定稿，沈老師在百忙之中對我的論文悉心指導。謝謝您對我的論文給予寶貴建議，幫助我順順利利的畢業。再次感謝我遇到的代課教師，對我的學業和生活給予各方面的幫助，讓我感受到了很多溫暖。承蒙教海，心存感激。最后祝所有老師平安健康，工作順利。春暉寸草，山高海深。感謝我的家人，給了我無限的愛與包容，讓我自信快樂的成長。你們在的地方，永遠是我最溫暖的港灣，是我在遇到困難與壓力的時候最想要回到的地方，從蹣跚學步到遠行深思，二十年的養育之恩，不是一朝一夕，只愿父母長樂久安，希望我努力的成長，能趕上你們變老的速度。山水一程，三生有幸。感謝我人生中每一個階段的好朋友，感謝遇見，和大家在一起的時光成為青春記憶中最彌足珍貴的碎片。理想主義的花最終會盛開在浪漫主義的土壤里，愿我們的熱愛永遠不會熄滅在現實的平庸之中。最難是別離，祝我們都能他日凌云，萬事勝意。寫盡千山，落筆有你。感謝我的女孩邵明俠，相戀于2016年9月12日，在那個秋意正濃的季節，我與你相知相戀，共賞那一抹金黃。在浩瀚的人海里，感謝我們沒有錯過彼此，我們可以毫無保留地進行思想交流，我們為彼此獲得榮譽而高興，也能在彼此低落時給予對方支持與鼓勵。感謝你的每一次的鼓勵和陪伴，給予我開啟人生新篇章時勇于前行的力量，希望未來的日子，也像現在這樣勇敢真誠的走下去，愿我們未來順遂，攜手共度余生。道阻且長，行則將至。感謝一直堅持心中理想的自己，感謝你為自己做出的每一次選擇，每一次的嘗試和付出。或許你還不夠完美和優秀，但我依然相信未來的你充滿無限可能。無論順境還是逆境，都能保證獨立的人格與純粹的真誠。不管以前，現在亦或將來我都希望你能不改初志，不懼嘲弄，永遠真誠，永遠善良。最后再次：祝吾師，工作順利!祝吾親，平安健康！祝吾友，前程似錦！祝吾校，桃李天下！山水相逢，終有一別！再見，煙臺理工，再見，港城東大街100號！

附錄1：電氣原理圖1．ArduinoUno開發板圖SEQ圖\*ARABIC31ArduinoUno開發板電氣原理圖2.超聲波傳感器圖SEQ圖\*ARABIC32超聲波傳感器電氣原理圖3.ESP-12Fwifi模塊圖SEQ圖\*ARABIC33wifi模塊電氣原理圖4.蜂鳴器圖SEQ圖\*ARABIC34蜂鳴器電氣原理圖

附錄2：程序（設計）（指導教師用）分項評價評價項目得分論文選題（10分）1符合專業培養目標9.02具有理論意義或實用價值3具有新穎性4難易程度適中文獻資料（25分）5文獻收集系統完備21.06文獻理解準確得當7文獻征引合乎規范8外文翻譯準確通順9觀點歸納完整清晰論文寫作（40分）10文題相符，立論正確31.011數據準確，邏輯嚴謹12條理清晰，論證充分13行文流暢，格式規范14篇幅適中，按期完成論文成果（20分）15文獻綜述完整，研究基礎厚實17.016成果具有理論意義或實用價值17見解獨到新穎18具有拓展、延伸性寫作態度（5分）19積極同指導教師溝通5.0指導教師最終給分：83分指導教師評語本畢業設計主要搭建樣機進行高度測量并在對無人機高度過低時發出聲光告警。設計過程中以Arduin