基于四旋翼的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

蘇 峰 ，李中健 ，李 萍 ,雷志榮

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710129；2.飛行器控制一體化國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710065）

近年來的我國的空氣質(zhì)量狀況不容樂觀，連續(xù)的霧霾天氣已經(jīng)為人們敲響了警鐘，建立一套有效的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對控制大氣污染至關(guān)重要。目前空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)多以覆蓋式設(shè)定監(jiān)測站點(diǎn)為主[1]，各子站接受中心站的控制與調(diào)試，利用子站的分析儀器直接測量本站空氣中的污染物，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)街行恼?。這種定點(diǎn)檢測方式往往也存在著很多的不足，如監(jiān)測站布點(diǎn)不盡合理，監(jiān)測指標(biāo)偏少，缺乏流動觀測和立體觀測的技術(shù)手段。本方案就將子站的部分功能融合到飛行器中，實(shí)現(xiàn)可移動的監(jiān)測子站。四旋翼由4個螺旋槳驅(qū)動，可操作性好，小巧便攜，飛行穩(wěn)定，且零污染，零排放，適于搭載大氣檢測系統(tǒng)進(jìn)行大氣質(zhì)量監(jiān)測[2]。本系統(tǒng)就以檢測空氣中懸浮顆粒物濃度為例，設(shè)計了一整套的監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行了大量的系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證工作，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用Xaircraft X650四旋翼飛行器，搭載了空氣質(zhì)量檢測及飛行控制系統(tǒng)和一個安全保障裝置——手自動切換模塊。該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方案，空氣質(zhì)量傳感器采用技術(shù)上相對成熟的模塊化的產(chǎn)品。飛控及空氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計以32位ARM內(nèi)核芯片為核心處理器，外擴(kuò)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集接口、SD卡存儲器、電機(jī)驅(qū)動接口、PWM波檢測接口、多通道串口通信接口構(gòu)成最基本的電路，輔以微型航向姿態(tài)參考系統(tǒng)（AHRS）、超聲波高度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器完成空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和飛行控制功能；基于FPGA的手自動切換板能實(shí)時可靠地將飛行器從自動飛行模式切換到手動遙控模式；采用LabVIEW設(shè)計一套地面站軟件，通過數(shù)傳電臺與飛行器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的空氣質(zhì)量及飛行器狀態(tài)監(jiān)測和任務(wù)設(shè)定功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要分為2個部分，即基于ARM的飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路和基于FPGA的手自動切換電路。

2.1基于ARM的飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路

飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路主要完成四旋翼控制、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測信息的無線傳輸功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

空氣質(zhì)量傳感器種類較多，如GP2Y1010粉塵傳感器模塊（可測PM2.5/PM10）、TGS2201汽車尾氣傳感器模塊（可測CO、CO2、NO、NO2）或?qū)Ｓ玫臍怏w成分傳感器模塊，這些傳感器多將氣體信號轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓模擬信號，便于空氣數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)搭載了GP2Y1010粉塵傳感器模塊，該模塊體積小，重量輕，便于安裝，可測量直徑0.8 μm以上的微小粒子，其輸出為模擬電壓，值與粉塵濃度成正比。

該系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VE為主控芯片，其擁有足夠的內(nèi)存空間和外設(shè)接口，完全滿足設(shè)計要求。航向姿態(tài)參考系統(tǒng) (Attitude and Heading Reference System，AHRS)選用了自研設(shè)備，可通過串口為飛行器提供姿態(tài)、航向、高度、位置等信息。采用SensComp公司的615088傳感器進(jìn)行低空高度的測量。它具有兩種模式：觸發(fā)測距模式、5 Hz自動測距模式。測量范圍：0.15～10.7 m，測量精度：0.1%。采用MaxStream公司的XStream-PKG數(shù)傳電臺，它采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)32 km。飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Flight control and air data acquisition circuit structure

如圖2所示，STM32單片機(jī)通過A/D口采集空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)，通過串口讀取飛行器的姿態(tài)角、角速率、磁航向信息等，經(jīng)過內(nèi)部控制運(yùn)算輸出四路PWM電機(jī)控制信號，做四旋翼的姿態(tài)控制，實(shí)時將空氣及飛機(jī)狀態(tài)信息記錄在SD卡中并傳輸?shù)降孛嬲尽Ｊ褂贸暡▊鞲衅鳒y定高度進(jìn)行低空高度控制，當(dāng)飛行器飛行至高空時轉(zhuǎn)用氣壓高度。輔以GPS全球定位系統(tǒng)將精確地位置及速度信息輸送給ARM單片機(jī)進(jìn)行定位控制。在設(shè)計完原理圖后，進(jìn)行了PCB板的設(shè)計并印制，經(jīng)調(diào)試該電路板（如圖3所示）實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。

圖3 飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路板Fig.3 Flight control and air data acquisition board

2.2基于FPGA的手自動切換電路

該模塊獨(dú)立于飛控及大氣數(shù)據(jù)采集電路，用于四旋翼自動控制模式和手動遙控模式的切換，當(dāng)飛控電路板出現(xiàn)故障時，可以隨時切換到遙控模式，從而極大提高了系統(tǒng)的可靠性。

模塊采用ALTERA公司的CycloneII系列EP2C5T144C8N芯片，設(shè)計中采用數(shù)字邏輯設(shè)計切換功能，相對于單片機(jī)更高的實(shí)時性，能夠在切換信號到來后幾微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號的切換，并且全數(shù)字邏輯的實(shí)現(xiàn)也極大提高了可靠性。要實(shí)現(xiàn)信號切換功能，僅需要一個最小系統(tǒng)即可。

以上就是本系統(tǒng)主要的兩部分硬件設(shè)計，遙控器與STM32F103及EP2C5芯片的信號是相互兼容的，它們之間的通訊不需要任何信號轉(zhuǎn)換電路。STM32與數(shù)傳電臺通訊需要使用串口芯片（MAX232）將普通的CMOS電平信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)串口信號。經(jīng)過調(diào)試，以上兩部分硬件實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要分為3個部分：基于ARM的飛行控制及數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計，基于FPGA的信號切換軟件設(shè)計及基于LabVIEW的地面站監(jiān)控軟件設(shè)計。

3.1基于ARM的飛行控制及數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

3.1.1 四旋翼飛行器測控原理

圖5所示為四旋翼飛行控制及直線自主飛行原理圖。如圖所示，四旋翼飛行器由四對電機(jī)和螺旋槳對稱分布組成其動力裝置，每個電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，其所提供的升力也就越大，相應(yīng)地反扭力矩也就越大。本設(shè)計采用X型控制模式，即機(jī)頭指向1、2號機(jī)臂正前方，1、3號電機(jī)和 2、4號電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反。在理想環(huán)境中，當(dāng)四旋翼懸停時，1、2、3、4號電機(jī)（如圖所示）轉(zhuǎn)速相同，四旋翼右滾/抬頭/右偏時，1、4/1、2/2、4號電機(jī)加速，2、3/3、4/1、3 號電機(jī)減速，由此構(gòu)成四旋翼的姿態(tài)控制。

設(shè)計實(shí)現(xiàn)了四旋翼的定點(diǎn)控制，即設(shè)定一個目標(biāo)點(diǎn)，四旋翼可以沿著一條直線飛到目標(biāo)點(diǎn)保持懸停，于是就必須要實(shí)現(xiàn)四旋翼的姿態(tài)控制（即內(nèi)環(huán)控制）與直線導(dǎo)航控制（即外環(huán)控制）。四旋翼的內(nèi)環(huán)控制采用了最為簡易也最為實(shí)用的PID（增量式）控制算法，將四旋翼的控制分為滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航3個控制回路，忽略3個回路的相互耦合作用，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證該方法十分有效且極易實(shí)現(xiàn)。四旋翼高度控制也采用了PID控制算法[3]，其作為單獨(dú)的一個控制回路，將控制量同時施加在4個電機(jī)上，通過控制電機(jī)提供的整體升力完成高度的控制。增量式PID算法如下所示：

四旋翼只需要簡單的直線飛行即可完成設(shè)定的任務(wù)，可以認(rèn)為四旋翼的航跡小于50 km，即可近似將地球平面看做一個平面來處理。與固定翼不同，四旋翼只需控制航向和俯仰角即可完成航線飛行，這里只介紹四旋翼的航向角控制。如圖4所示[4]，P1為前一個目標(biāo)航點(diǎn)，P2為當(dāng)前目標(biāo)航點(diǎn)，P為當(dāng)前四旋翼所在位置，L為航點(diǎn)間距，D為側(cè)偏距，側(cè)偏距方向的定義為，為P1點(diǎn)向P2點(diǎn)看去，當(dāng)前置位于右側(cè)為正，左側(cè)為負(fù)，則有如下計算公式:

圖4 四旋翼飛行控制及直線自主飛行原理圖Fig.4 Four-rotor flight control and autonomous flight line diagram

V為地速，其在北向向分量為VN，東向分量為VE；Ψv為地速與北向夾角，Ψ2為直線PP2與北向的夾角；L2為當(dāng)前位置P與目標(biāo)航點(diǎn)P2的距離；側(cè)偏速度Ve為無人機(jī)地速沿直線PP2垂線方向的分量，方向定義為偏離航線為正，靠近航線為負(fù),其計算公式如下：

Ψe為航向角偏差，則設(shè)計飛行器的直線飛行控制率[5]為：

式中δ為在偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)通道上的控制輸出增量。

四旋翼的另一個重要功能是監(jiān)測控制質(zhì)量，這里以監(jiān)測空氣中顆粒物濃度為例，采用GP2Y1010粉塵傳感器模塊傳感器模塊，該模塊設(shè)計用來感應(yīng)空氣中的塵埃粒子，其內(nèi)部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠他測到空氣中塵埃的反射光，其輸出的模擬電壓與粉塵濃度成正比，通過單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器采集粉塵傳感器輸出電壓，并經(jīng)過換算可以得到空氣中的粉塵濃度，本系統(tǒng)作為一種監(jiān)測手段，將傳感器的原始數(shù)據(jù)采回，便于分析與觀測。

3.1.2 基于ARM的測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

該程序主要包含底層驅(qū)動程序、控制運(yùn)算程序和基于定時器的任務(wù)管理程序。其中底層驅(qū)動程序主要完成空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的接收，AHRS數(shù)據(jù)接收，高度數(shù)據(jù)接收，遙控器數(shù)據(jù)接收，電機(jī)控制，數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；控制運(yùn)算程序包含內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制程序，主要完成飛行控制功能；任務(wù)管理程序則基于定時器的定時器及中斷對整個系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)管理。程序運(yùn)行原理如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)飛行器與地面站可靠的通訊，設(shè)計了如表1所示固定格式的數(shù)據(jù)包，保證了無線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

圖5 基于ARM的測控系統(tǒng)軟件設(shè)計Fig.5 The design of control system software based on ARM

表1 數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Packet format

3.2基于FPGA的Verilog程序設(shè)計

本程序主要實(shí)現(xiàn)兩個功能，一是要對切換信號進(jìn)行實(shí)時不間斷的檢測[6]，當(dāng)切換信號到來時能夠?qū)崟r將電機(jī)控制信號切換到遙控信號上去，二是要對遙控器的信號進(jìn)行混合運(yùn)算，即將遙控器的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航及油門控制信號映射到四個電機(jī)上去，實(shí)現(xiàn)四旋翼的遙控控制。

如圖6所示為使用ModelSim軟件對以上Verilog代碼進(jìn)行的仿真，由圖可以看出，當(dāng)切換信號到來后,在下一個時鐘周期上升沿turn信號由低電平跳變到高電平，實(shí)現(xiàn)了切換信號的檢測，從而對控制信號進(jìn)行切換。

圖6 ModelSim仿真圖Fig.6 ModelSim simulation diagram

3.3 基于LabVIEW的地面站監(jiān)控軟件設(shè)計

地面站軟件主要實(shí)現(xiàn)飛行器參數(shù)調(diào)試，任務(wù)指令發(fā)送，監(jiān)測數(shù)據(jù)接收顯示和地圖顯示等功能。如圖7所示為采用G語言（圖形化語言）編寫的地圖顯示程序[7]。

程序采用順序結(jié)構(gòu)，首先對軟件進(jìn)行初始配置，如調(diào)入地圖圖片，設(shè)定接收數(shù)據(jù)存儲路徑，設(shè)定圖片像素點(diǎn)與GPS點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系等，其次執(zhí)行一個while循環(huán)，實(shí)時顯示當(dāng)前飛行器狀態(tài)及空氣質(zhì)量狀況，同時還可以對四旋翼進(jìn)行參數(shù)配置，用于調(diào)節(jié)PID參數(shù)和上傳多個任務(wù)航點(diǎn)等。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

系統(tǒng)采用了模塊化的傳感器成品監(jiān)測空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，其監(jiān)測誤差多分布于傳感器本身，采用12位AD轉(zhuǎn)換器所造成的誤差并不大。以檢測粉塵顆粒物為例，為檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度，表2記錄了在同一地點(diǎn)相同時刻本系統(tǒng)與PC-3A粉塵儀檢測到的粉塵數(shù)據(jù)（PM2.5），并進(jìn)行了對比，經(jīng)反復(fù)測試表明，本系統(tǒng)的測量相對誤差基本可控制在20%以內(nèi)，符合測量要求。

圖7 地圖顯示程序Fig.7 Map display program

表2 傳感器采樣測試結(jié)果對比Tab.2 Contrast sensor sampling test results

經(jīng)過多次PID參數(shù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了四旋翼的姿態(tài)及航線控制。如圖8所示為地面監(jiān)測站的地圖及空氣數(shù)據(jù)波形顯示界面，圖中曲線為四旋翼飛行航跡，圖中波形為設(shè)定航跡起點(diǎn)處定高為7 m處的粉塵濃度數(shù)據(jù)（可更換不同類型的傳感器以檢測不同空氣成分），人為增加空氣中顆粒物濃度后可明顯觀測到兩個波峰。與此同時，系統(tǒng)將采集的大氣數(shù)據(jù)實(shí)時記錄到SD卡中，可便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖8 地面站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示Fig.8 Ground station monitoring data show

5 結(jié)論

本系統(tǒng)充分利用了四旋翼飛行器穩(wěn)定性好、可垂直起降、操作方便等特點(diǎn)，將設(shè)計的飛行控制系統(tǒng)與空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)巧妙地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了全自主、高機(jī)動的空氣質(zhì)量監(jiān)測，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)良好完成了設(shè)定功能，可做為一種更加靈活的空氣數(shù)據(jù)監(jiān)測手段輔助監(jiān)測人員監(jiān)測不同的空氣數(shù)據(jù)。

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