基于四旋翼的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(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實驗室 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)實時傳輸?shù)街行恼尽＿@種定點檢測方式往往也存在著很多的不足，如監(jiān)測站布點不盡合理，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)，并進行了大量的系統(tǒng)調(diào)試驗證工作，最終實現(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，外擴空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集接口、SD卡存儲器、電機驅(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)傳電臺與飛行器進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)實時的空氣質(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，它采用串口進行數(shù)據(jù)通信，最遠通訊距離可達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)部控制運算輸出四路PWM電機控制信號，做四旋翼的姿態(tài)控制，實時將空氣及飛機狀態(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單片機進行定位控制。在設(shè)計完原理圖后，進行了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，相對于單片機更高的實時性，能夠在切換信號到來后幾微秒內(nèi)實現(xiàn)信號的切換，并且全數(shù)字邏輯的實現(xiàn)也極大提高了可靠性。要實現(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和螺旋槳對稱分布組成其動力裝置，每個電機的轉(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，即機頭指向1、2號機臂正前方，1、3號電機和 2、4號電機轉(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（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號電機加速，2、3/3、4/1、3 號電機減速，由此構(gòu)成四旋翼的姿態(tài)控制。

設(shè)計實現(xiàn)了四旋翼的定點控制，即設(shè)定一個目標(biāo)點，四旋翼可以沿著一條直線飛到目標(biāo)點保持懸停，于是就必須要實現(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)過實際驗證該方法十分有效且極易實現(xiàn)。四旋翼高度控制也采用了PID控制算法[3]，其作為單獨的一個控制回路，將控制量同時施加在4個電機上，通過控制電機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，P2為當(dāng)前目標(biāo)航點，P為當(dāng)前四旋翼所在位置，L為航點間距，D為側(cè)偏距，側(cè)偏距方向的定義為，為P1點向P2點看去，當(dāng)前置位于右側(cè)為正，左側(cè)為負，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P2的距離；側(cè)偏速度Ve為無人機地速沿直線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,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，電機控制，數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽豢刂七\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)進行任務(wù)管理。程序運行原理如圖5所示。為實現(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

本程序主要實現(xiàn)兩個功能，一是要對切換信號進行實時不間斷的檢測[6]，當(dāng)切換信號到來時能夠?qū)崟r將電機控制信號切換到遙控信號上去，二是要對遙控器的信號進行混合運算，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上去，實現(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，實現(xiàn)了切換信號的檢測，從而對控制信號進行切換。

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)定圖片像素點與GPS點對應(yīng)關(guān)系等，其次執(zhí)行一個while循環(huán)，實時顯示當(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)航點等。

4 實驗應(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，為檢驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度，表2記錄了在同一地點相同時刻本系統(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)實時記錄到SD卡中，可便于對數(shù)據(jù)進行進一步的分析。

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，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，實現(xiàn)了全自主、高機動的空氣質(zhì)量監(jiān)測，經(jīng)實驗驗證，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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