基于四軸飛行器的空氣污染應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)

王琦翔+柳嘉敏+全立地

摘要：為了解決突發(fā)情況下的空氣污染檢測效率不高、實(shí)時(shí)性不夠的問題，設(shè)計(jì)了一種基于四軸飛行器的應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括四軸飛行器和檢測裝置兩部分。四軸飛行器選用Pixhawk飛控作為主控制器，采用電子羅盤、陀螺儀、加速度計(jì)作為飛行器姿態(tài)信息監(jiān)測與調(diào)整模塊，以電調(diào)電路和無刷直流電機(jī)組成飛行器動力模塊，采用雙閉環(huán)PID算法對飛行器進(jìn)行飛行控制。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；空氣污染；應(yīng)急監(jiān)測

中圖分類號：TN925.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0065-01

在突發(fā)空氣污染事故中，污染源的方位、污染物的擴(kuò)散方向都是極為重要的信息，獲取這些信息需要對污染區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)測。傳統(tǒng)的測量方法存在諸多的安全隱患，且測量效率不高?；谶@種情況，設(shè)計(jì)一套基于四軸飛行器的新型空氣污染應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)。遇到突發(fā)空氣污染事件，操作人員在工作站上規(guī)劃飛行路徑，飛行器按照路徑飛行，抵達(dá)測量點(diǎn)時(shí)懸停測量空氣污染濃度，測量結(jié)果經(jīng)無線模塊發(fā)送到工作站。待所有測量完成后，飛行器自動返航。

1 飛行原理

四軸飛行器的飛行原理是利用兩對旋翼相互作用來抵消每個(gè)旋翼產(chǎn)生的反槳矩。當(dāng)飛行器的旋翼以相同速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的升力大小相同，總的升力大于自重時(shí)做上升運(yùn)動，等于自重時(shí)處于懸停狀態(tài)，總的升力小于自重時(shí)做下降運(yùn)動。當(dāng)后方兩個(gè)旋翼速度大于前方的速度時(shí)，飛行器前方飛行，反之則向后方飛行。同樣地，左右運(yùn)動原理與前后運(yùn)動原理相同。這是四軸飛行器最基本的上下、前后和左右運(yùn)動原理[1]。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)采用Pixhawk飛控為控制核心，實(shí)現(xiàn)自動飛行監(jiān)測和人工控制監(jiān)測兩種模式。四軸飛行器硬件平臺主要包括：Pixhawk飛控、GPS模塊、無刷電調(diào)、無刷電機(jī)、無線數(shù)傳模塊、無線遙控模塊和監(jiān)測模塊[2]。硬件組成原理圖1所示。

（1）主控制器。Pixhawk飛控是一款基于ARM芯片的32位開源飛控，可以合理規(guī)劃好所有復(fù)雜的輸入，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。（2）遙控模塊。系統(tǒng)遙控模塊采用樂迪AT9遙控器及其接收機(jī)。樂迪AT9沿用AT10的數(shù)據(jù)回傳技術(shù)，可將接收機(jī)集成信號強(qiáng)度和電壓數(shù)據(jù)回傳，支持外擴(kuò)模塊，如電池電壓、轉(zhuǎn)速、GPS，并采用DSSS直擴(kuò)干擾技術(shù)，QPSK調(diào)制，有著良好的抗干擾效果，能夠準(zhǔn)確識別和提取信號，方便操控人員觀察，保障飛行安全。（3）通信工具。3DR Radio無線數(shù)傳是系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)傳模塊作為連接飛行器與地面站的通信工具，其有幾個(gè)特點(diǎn)：1）接受靈敏度為-118dBm；2）發(fā)射功率由100mW/500mW可選；3）可以矯正高達(dá)25%的數(shù)據(jù)位錯誤。（4）地面站。系統(tǒng)采用MissionPlanner作為地面站，可對飛控進(jìn)行配置，調(diào)整參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)的性能。在地面站上設(shè)置航線，自動飛行航線任務(wù)將上傳至飛控，在飛行器飛行過程中可以通過地面站監(jiān)測其飛行狀態(tài)，在到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)后下放傳感器監(jiān)測空氣濃度，通過數(shù)傳將數(shù)據(jù)傳回到地面站。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)四軸飛行器正常飛行時(shí)，如遇風(fēng)力、電磁干擾等外力影響，在只有角度單環(huán)的控制下，飛行器無法很好的穩(wěn)定飛行。因此，飛行器采用雙閉環(huán) PID 控制，當(dāng)受外界干擾時(shí)，能迅速回復(fù)，有效避免外界因素造成的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。四軸飛行器雙閉環(huán) PID 控制如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取一處工廠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將監(jiān)測系統(tǒng)搭載在四軸飛行器上，在一定的高度位置上采集二氧化硫濃度，數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳發(fā)送回地面站上，將所測結(jié)果進(jìn)行氣流補(bǔ)償，最終數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知當(dāng)日該工廠不同高度下二氧化硫的分布情況，由于受到風(fēng)向和四軸飛行器四個(gè)旋翼的氣流影響，測量結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定的誤差，我們對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償擬合，最終將誤差率控制在3%以內(nèi)。

5 結(jié)語

基于對機(jī)械布局、控制原理、硬件控制方式的分析，對飛行軌跡控制方法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的四軸飛行器滿足了穩(wěn)定飛行和空氣污染的垂直監(jiān)測要求，能夠按照線來完成巡航監(jiān)測空氣濃度。

參考文獻(xiàn)

[1]劉杰.四軸飛行器研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[2]叢夢苑.基于線性二次調(diào)節(jié)器的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[3]陳李文，馬國軍，張家棟.四軸飛行器無刷直流電機(jī)驅(qū)動技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，（16）：152-154.endprint