多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉祥　林維昌

【摘 要】針對目前在人員難以進(jìn)入?yún)^(qū)域的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測與信息采集，設(shè)計(jì)了一種可以投放傳感節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由無人機(jī)與地面站兩大分系統(tǒng)構(gòu)成，通過ZigBee與無線串口的信息互聯(lián)方式來進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測上傳。在整體系統(tǒng)中無人機(jī)擔(dān)任定點(diǎn)投擲平臺(tái)、空中信息采集平臺(tái)與數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)平臺(tái)；地面站系統(tǒng)負(fù)責(zé)人機(jī)交互，交互信息包括傳感信息、地圖信息、視頻信息與控制信號(hào)。此外，無人機(jī)可搭載攝像頭與GPS模塊分別進(jìn)行視頻信號(hào)的上傳與衛(wèi)星地圖的測定顯示。在整體系統(tǒng)搭建完成后，通過對整體系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，此系統(tǒng)可基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境監(jiān)測；旋翼無人機(jī)；ZigBee；地面站

【Abstract】In order to make the environmental real-time monitoring and information collection in hard-to-reach locations. A new UAV （Unmanned aerial vehicle）system is designed， which can put the sensing nodes in the area. This system consists of the UAV and the ground station， which make the real-time acquisition and monitoring upload through the ZigBee and wireless serial interconnected. The UAV play a role in fixed-point throwing platform， air data collection platform and data transfer platform in the whole system. The ground station system is responsible for human-computer interaction， and the interactive information includes transducer information， maps information， video information and control signal. In addition， the UAV can carry camera for video upload and GPS module for map show. After the overall system completed and tested， this system can meet the desired requirement， and achieved the multi-usage.

【Key words】Environmental monitoring； Rotor unmanned aerial vehicle； ZigBee； Ground station

0 引言

隨著近些年來一系列環(huán)境災(zāi)害與環(huán)境事故頻發(fā)，環(huán)境保護(hù)被日益重視，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究越來越引起國內(nèi)外政府學(xué)者的重視。近些年來，無人機(jī)已成功用于水環(huán)境監(jiān)測，空氣質(zhì)量監(jiān)測、有害物質(zhì)泄漏監(jiān)測等?？v觀環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)的研究，環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)除了進(jìn)行遙感操作外，還應(yīng)加強(qiáng)對地面環(huán)境信息的直接采集。通過對地投放傳感器節(jié)點(diǎn)，或利用已在地面部署好的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息獲取，構(gòu)成天地一體的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。這就要求無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有傳感器節(jié)點(diǎn)的投放和定位能力，以及良好的組網(wǎng)通信能力。同時(shí)還應(yīng)提高無人機(jī)的飛行效率，爭取做到一機(jī)多用。

本文闡述了一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)將監(jiān)測節(jié)點(diǎn)空投至需要監(jiān)測的區(qū)域，并和所布置的節(jié)點(diǎn)通信，在人員難以進(jìn)入的地區(qū)實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)的快速部署，無人機(jī)在完成上述任務(wù)的同時(shí)還可以利用自身攜帶的傳感器和攝像頭對沿途區(qū)域進(jìn)行環(huán)境信息采集，為環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供更多的信息獲取途徑。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文所提出的多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)在整個(gè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示。無人機(jī)通過自主飛行飛至監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)行遙感信息采集等常規(guī)操作，還可以投下傳感器節(jié)點(diǎn)。所投放的傳感器節(jié)點(diǎn)自身不帶定位裝置，而是通過無人機(jī)對所部署的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，地面站負(fù)責(zé)對無人機(jī)下達(dá)各種任務(wù)，跟蹤監(jiān)視無人機(jī)的動(dòng)作情況，獲得各種信息參數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)部署完成后，可組成無線傳感網(wǎng)（WSN），與無人機(jī)一起構(gòu)成天地一體的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由無人機(jī)和地面站構(gòu)成。無人機(jī)采用多軸旋翼結(jié)構(gòu)作為飛行平臺(tái)，利用GPS導(dǎo)航及慣性元件為無人機(jī)提供飛行姿態(tài)參數(shù)，在導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了INS/GPS組合導(dǎo)航方式，使用卡爾曼濾波器對低速率的GPS導(dǎo)航解與高速率INS系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合處理，對INS系統(tǒng)的誤差做出估計(jì)并校正后給出組合導(dǎo)航參數(shù)。搭載了視頻采集與無線視頻傳輸模塊，可實(shí)現(xiàn)針對目標(biāo)區(qū)域的圖像遙感操作，無人機(jī)上設(shè)有投放裝置可以完成監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的投放，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用ZigBee協(xié)議通信，并能和無人機(jī)上的Master節(jié)點(diǎn)通信。地面站系統(tǒng)應(yīng)用程序采用C#語言編程，通過數(shù)傳電臺(tái)地面站可以同無人機(jī)進(jìn)行雙向通信，及時(shí)獲取相關(guān)信息并向無人機(jī)發(fā)布命令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無人機(jī)飛行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前的多軸旋翼無人機(jī)主要有四軸和六軸的機(jī)架結(jié)構(gòu)。四軸飛行器作為一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制方式獨(dú)特、復(fù)雜。六軸飛行器作為一個(gè)完全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其控制穩(wěn)定性較四軸飛行器要高且對于動(dòng)力系統(tǒng)失效的容忍程度也會(huì)上升，六軸旋翼無人機(jī)能夠在單發(fā)甚至雙發(fā)失效的狀況下仍然可控。本設(shè)計(jì)采用六旋翼無人機(jī)作為系統(tǒng)的飛行平臺(tái)。

2.2 無人機(jī)的航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3給出了無人機(jī)的航電系統(tǒng)構(gòu)成。微控制器單元（MCU）選用微控制器STM32F405RG，負(fù)責(zé)完成運(yùn)算和控制，慣性導(dǎo)航器件用來采集無人機(jī)的飛行姿態(tài)。衛(wèi)星定位模塊采用u-blox公司的NEO-6M模塊，慣性導(dǎo)航器件包括三軸陀螺儀MAX21000和三軸加速度計(jì)LSM303D，同時(shí)選用高分辨率氣壓傳感器MS5611作為高度計(jì)，這些模塊一起為無人機(jī)提供自身定位和飛行姿態(tài)信息。伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)無人機(jī)運(yùn)行，其中無刷電機(jī)選取4008KV400電機(jī)，無刷電調(diào)選取30A旋翼專用電調(diào)。投放裝置完成環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的投放。無人機(jī)上的攝像頭采集實(shí)時(shí)圖像通過無線視頻傳輸設(shè)備送地面站使用，地面站通過數(shù)傳電臺(tái)可以和無人機(jī)進(jìn)行雙向無線通信。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)和定位裝置采用支持ZigBee協(xié)議的CC2530芯片構(gòu)成。

2.3 節(jié)點(diǎn)投放裝置

投放裝置如圖4所示，固定銷可在支架內(nèi)做平行移動(dòng)，通過舵機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)完成固定銷的打開和閉鎖。簡單且可靠性高。通過給予舵機(jī)一路脈寬調(diào)制波形（PWM）的不同數(shù)值來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)不同的打角度數(shù)，帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接件的釋放，通過節(jié)點(diǎn)自身重力，下沉到目標(biāo)地面地點(diǎn)，完成投放。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無人機(jī)飛行控制軟件設(shè)計(jì)

1.無人機(jī)的控制系統(tǒng)主要分為兩個(gè)回路：位置控制回路和姿態(tài)控制回路。姿態(tài)控制回路使無人機(jī)按照設(shè)定姿態(tài)飛行，未知控制回路使無人機(jī)能夠向指定目標(biāo)飛行。系統(tǒng)采用經(jīng)典的PID控制算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)回路的控制。

2.由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）提供的參數(shù)比其他的導(dǎo)航方式要齊備，但容易隨時(shí)間積累而產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）的精度高，然而容易受環(huán)境的影響。無人機(jī)導(dǎo)航采用GPS/INS組合導(dǎo)航，該組合具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，GPS能夠消除INS的積累誤差，INS能夠在GPS信號(hào)失鎖時(shí)提供短時(shí)精確的定位。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)以數(shù)據(jù)融合理論作為基礎(chǔ)，以卡爾曼濾波作為主要融合方法，對進(jìn)入組合系統(tǒng)的GPS定位數(shù)據(jù)與INS定位數(shù)據(jù)分別進(jìn)行估計(jì)、修正、融合，來解決GPS信號(hào)失鎖引起的無法定位問題和INS積累誤差引起的長時(shí)間漂移問題。

3.超聲避障是利用機(jī)載超聲波探測，來實(shí)現(xiàn)對旋翼無人機(jī)飛行隱患安全的提前判除與實(shí)時(shí)糾正，使得旋翼無人機(jī)生存力大大提高。系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的不確定性，增加超聲波障礙判斷來對飛行航跡上的危險(xiǎn)體避除。在一定的情況下，應(yīng)以系統(tǒng)安全為主，因此超聲波判定優(yōu)先級大于導(dǎo)航優(yōu)先級。

3.2 節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對所投放節(jié)點(diǎn)的定位問題可以看成單移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)定位問題，目前的定位算法大致分為無需測距算法和基于測距算法兩類，其中基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）的定位方法就是一種基于測距的定位方法，該方法無需額外硬件，成本低，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法中被廣泛使用。本系統(tǒng)使用ZigBee協(xié)議在進(jìn)行投放節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)采集傳輸與機(jī)載master主節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行協(xié)議通訊，支持ZigBee協(xié)議的CC2530芯片本身能夠提供RSSI數(shù)據(jù)，無人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲得各傳感器節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)值，然后再通過優(yōu)化算法來尋找未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì)值使得定位誤差最小，完成對所投放節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的定位。

3.3 地面站系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

地面站系統(tǒng)應(yīng)用程序采用c#編程，分為三個(gè)模塊：通信模塊、電子地圖模塊和視頻顯示模塊。通信模塊負(fù)責(zé)地面站與無人機(jī)的數(shù)據(jù)交互通信，無線通信范圍可達(dá)數(shù)公里，當(dāng)無線聯(lián)絡(luò)失效時(shí)，無人機(jī)能夠自動(dòng)返航，飛回的起飛位置；電子地圖模塊負(fù)責(zé)航跡在電子地圖上的顯示，采用百度地圖所提供的API來實(shí)現(xiàn)電子地圖功能；視頻顯示模塊負(fù)責(zé)將無線視頻接收模塊接收回的視頻信號(hào)顯示在相應(yīng)的視圖窗口中。

4 結(jié)語

由于無人機(jī)具有成本相對較低、無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等優(yōu)勢，使得無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但在現(xiàn)階段市場還處于尚未形成規(guī)模的初級階段。本設(shè)計(jì)提出的多功能環(huán)境監(jiān)控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)將豐富目前的環(huán)境應(yīng)急監(jiān)控管理手段，為快速準(zhǔn)確獲取事件現(xiàn)場各類環(huán)境信息提供有力支撐，具有廣闊的市場和良好的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]