基于LoRa技術(shù)的兩棲無(wú)人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王若巖， 劉洪瑋， 王廷煜， 沈世培， 張 敏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海 264200)

0 引 言

如何低成本、高精度、方便快捷地完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作是環(huán)境監(jiān)測(cè)研究中的核心與難點(diǎn)[1]。目前，主流水質(zhì)監(jiān)測(cè)站存在機(jī)動(dòng)性差、功耗高、體積巨大、數(shù)據(jù)系統(tǒng)性、代表性不足等問題[2-3]；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站存在流動(dòng)性差、成本高、執(zhí)法時(shí)效性低(傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式無(wú)法對(duì)某些企業(yè)短時(shí)間內(nèi)違規(guī)排放廢氣的行為進(jìn)行執(zhí)法取證)等問題[4]；人工實(shí)地采樣則存在效率低、周期長(zhǎng)、一些場(chǎng)合危險(xiǎn)系數(shù)較高等問題。近年來(lái)，隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)的快速發(fā)展，為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了新思路，越來(lái)越多的智能環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備投入使用。使用ZigBee通信組網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)人機(jī)交互系統(tǒng)[5]，雖然增強(qiáng)了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可拓展性，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離與低功耗的統(tǒng)一，且成本較高。本文采用LoRa通信技術(shù)[6-9],充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)靈活機(jī)動(dòng)，不受空間、地形限制的優(yōu)勢(shì)，采用兩棲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與GPS導(dǎo)航控制，可自主完成指定區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)，成本低廉、操作方便，節(jié)約了大量人力物力資源。此外機(jī)身的選材、整體架構(gòu)充分考慮了節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保的理念，符合國(guó)家提倡的科學(xué)技術(shù)綠色發(fā)展戰(zhàn)略。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)、LoRa組網(wǎng)技術(shù)與新型結(jié)構(gòu)技術(shù)，自主設(shè)計(jì)的一體化?？諅鞲衅鲾?shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)巡航控制系統(tǒng)、環(huán)境指標(biāo)研判系統(tǒng)及輕量化高強(qiáng)度可循環(huán)利用的兩棲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廣域環(huán)境污染物的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)各部分組成及關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)巡航控制系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)為載體，在姿態(tài)模塊與GPS模塊的共同作用下，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自穩(wěn)姿態(tài)控制、垂直定高控制、室外觀測(cè)點(diǎn)的巡航定位功能。?？諅鞲衅鲾?shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)單片機(jī)處理、分析，將所得的溫度值、PM2.5濃度值、pH值等數(shù)據(jù)通過LoRa模塊回傳。環(huán)境指標(biāo)研判系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收所得數(shù)據(jù)，更新觀測(cè)點(diǎn)環(huán)境質(zhì)量的分析結(jié)果，方便研究人員對(duì)當(dāng)前環(huán)境狀況進(jìn)行研判。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 兩棲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用質(zhì)地輕、強(qiáng)度高的全碳纖維機(jī)身材料，整機(jī)質(zhì)量?jī)H1.4 kg，對(duì)稱軸距為330 mm。在12 V左右的額定工作電壓下最大平飛速度可達(dá)6 m/s，最高載重0.9 kg，抗風(fēng)等級(jí)為4級(jí)。機(jī)身與保護(hù)圈設(shè)計(jì)融為一體，避免槳葉直接接觸外部環(huán)境，降低對(duì)周邊環(huán)境造成傷害的可能性，體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)保的理念；輕量化設(shè)計(jì)則提高了無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)機(jī)身裝配和結(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)水上作業(yè)功能，設(shè)計(jì)了四面浮力架，極大提高了無(wú)人機(jī)海面著陸的穩(wěn)定性。選擇EPE[10-11]材料作為漂浮裝置的主體。該裝置可根據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用背景不同反復(fù)拆卸、多次使用，進(jìn)一步提高資源利用率。

2.2 一體化傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

針對(duì)大氣和水域的主要污染物，選用pH電極、電導(dǎo)電極、PM2.5傳感器、SO2傳感器、溫度傳感器，對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并通過LoRa通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為主控芯片，芯片包含I2C、SPI、串口、ADC、IO等多種資源，能夠滿足與各類傳感器進(jìn)行通信的需求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從飛控獲取5 V電源進(jìn)行供電，將所得的各類傳感器數(shù)據(jù)打包為數(shù)據(jù)幀，通過串口傳輸至LoRa模塊，完成數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

pH測(cè)量模塊選用雷磁E-201-C電極，pH測(cè)量范圍為0～14，工作溫度范圍為5～60 ℃。設(shè)計(jì)電壓跟隨器電路，提升電源帶負(fù)載能力，在pH電極負(fù)極輸入1.7 V正基準(zhǔn)電壓。利用電壓負(fù)反饋電路，放大pH電極正極電壓信號(hào)，使用微處理器ADC讀取輸出電壓信號(hào)，即可轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的pH值[12]。由于電位差受溫度影響較大，選用DS18B20傳感器讀取溫度數(shù)據(jù)，對(duì)采集的pH數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。測(cè)量電路如圖3所示，其中pH-接pH電極的負(fù)極，pH+接pH電極的正極，pHout為pH測(cè)量電路的輸出。

圖3 pH值測(cè)量電路

PM2.5的測(cè)量選用GP2Y1014AU光學(xué)灰塵傳感器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制二極管發(fā)射出光線，其中部分光線經(jīng)空氣中PM2.5反射后，被光電晶體管接收，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC讀取，得到對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度[13]。測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 PM2.5濃度測(cè)量原理

同時(shí)，系統(tǒng)搭載標(biāo)準(zhǔn)E53拓展接口，通過外擴(kuò)紅外SO2模組和電導(dǎo)電極完成對(duì)大氣SO2濃度和水域電導(dǎo)率的測(cè)量。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集后，通過串口傳輸至基于擴(kuò)頻技術(shù)的M-HL9無(wú)線透?jìng)鱈oRa通信模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。其支持頻率為470～510 MHz，最大發(fā)射功率20 dBm，工作電壓DC3.3～5 V，通信距離3 km，傳輸速率50～800 Kb/s，工作溫度-40～85 ℃。監(jiān)測(cè)過程中，當(dāng)環(huán)境信號(hào)較差、傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可與預(yù)設(shè)子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，形成級(jí)聯(lián)組網(wǎng)的形式。預(yù)設(shè)子節(jié)點(diǎn)將傳感器的數(shù)據(jù)集成到一起，經(jīng)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上傳至地面站。地面站負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)指令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的接收、系統(tǒng)的檢測(cè)以及管理等功能。組網(wǎng)示例如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)距離LoRa組網(wǎng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)巡航控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)工作在定時(shí)器調(diào)度模式，并對(duì)各外設(shè)模塊的中斷優(yōu)先級(jí)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。在主函數(shù)main.c 的設(shè)計(jì)中，主循環(huán)While(1)中的非實(shí)時(shí)函數(shù)，例如按鍵掃描、加速度計(jì)標(biāo)定、遙控器行程標(biāo)定、顯示屏刷新等操作，對(duì)周期性要求不高，利用中斷空閑時(shí)間執(zhí)行。對(duì)周期性要求較高的實(shí)時(shí)函數(shù)，例如姿態(tài)解算、慣性導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集等則采用定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，保障了程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性。

無(wú)人機(jī)巡航任務(wù)主要由GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用SINS-2fGPS最優(yōu)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，使基于十軸傳感器數(shù)據(jù)的慣導(dǎo)與GPS導(dǎo)航進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)兩者性能互補(bǔ)。通過位置+速度雙觀測(cè)量卡爾曼濾波，進(jìn)行精確定位與定點(diǎn)飛行。具體步驟為：地面站發(fā)送目標(biāo)點(diǎn)地理位置信息，由2.4G數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行傳輸，飛控經(jīng)解析得出目標(biāo)經(jīng)緯度等信息，與當(dāng)前機(jī)載GPS模塊經(jīng)緯度比較得出位置偏差，若位置偏差不超限，則進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的定點(diǎn)飛行，利用PID進(jìn)行修正，使位置偏差趨近于零;若位置偏差超限，無(wú)人機(jī)則向地面站返回超限錯(cuò)誤信息，并且不執(zhí)行此項(xiàng)目標(biāo)點(diǎn)的飛行任務(wù)，請(qǐng)求控制端重新發(fā)送合適位置信息。通過不斷更新規(guī)定航線與實(shí)際位置的偏差，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)反饋閉環(huán)控制，從而精確定位。

無(wú)人機(jī)的高度控制采用雙閉環(huán)PID控制策略[14-16]。外環(huán)為高度環(huán)，內(nèi)環(huán)為高度方向z軸的加速度環(huán)。具體控制思路見圖6所示。

3.2 基于Qt的環(huán)境指標(biāo)研判

系統(tǒng)人機(jī)交互界面采用Qt Creator進(jìn)行開發(fā)，將接收到的來(lái)自數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，以供研究人員對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行研究與判斷。通過Qt的QSerialPort組件完成數(shù)據(jù)幀的接收。提取數(shù)據(jù)幀中的幀頭幀尾與校驗(yàn)位，對(duì)接收數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)通過后，依次按位提取出數(shù)據(jù)幀中PM2.5濃度、pH值等傳感器的有效信息，將解析完成的傳感器數(shù)據(jù)顯示到交互界面中，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)交互界面如圖7所示。

圖6 無(wú)人機(jī)高度控制示意圖

圖7 環(huán)境研判系統(tǒng)及實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)顯示

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，將兩棲無(wú)人機(jī)投放于人工湖、高空、近海等場(chǎng)景執(zhí)行實(shí)地環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)。監(jiān)測(cè)飛行過程中有強(qiáng)風(fēng)擾動(dòng)、小型外物干擾時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)在短暫時(shí)間內(nèi)失去平衡狀態(tài)，此時(shí)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)姿態(tài)解算，依靠飛控系統(tǒng)內(nèi)部算法能及時(shí)恢復(fù)平穩(wěn)飛行狀態(tài)，按照計(jì)劃航線繼續(xù)行進(jìn)。

執(zhí)行大氣、水域監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)按照GPS定位數(shù)據(jù)抵達(dá)規(guī)定區(qū)域點(diǎn)，然后執(zhí)行自主降落程序，利用浮漂結(jié)構(gòu)平穩(wěn)降落到水面上進(jìn)行水域污染物指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳。任務(wù)完成后自主起飛，抵達(dá)指定空域后進(jìn)行空域污染物指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳。所有任務(wù)點(diǎn)監(jiān)測(cè)完畢后按照規(guī)定航線安全返回。圖8為無(wú)人機(jī)在近海海面上執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)的實(shí)景，圖9為無(wú)人機(jī)在近海上空?qǐng)?zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)的實(shí)景。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)靈活機(jī)動(dòng)、不受空間地形限制的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合兩棲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可自主完成大氣、水域質(zhì)量的一體化監(jiān)測(cè)；搭載LoRa通信模塊，降低了數(shù)據(jù)傳輸功耗，在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，通過設(shè)立中間子節(jié)點(diǎn)，以增大傳輸距離。通過實(shí)地測(cè)試表明，飛控算法穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠完成惡劣環(huán)境下的自主監(jiān)測(cè)任務(wù)，數(shù)據(jù)回傳的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性高，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的廣域環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)。但受限于無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，該設(shè)計(jì)更多用于即時(shí)環(huán)境測(cè)量。