無人飛行器自主氣體探測系統及設計特征

馮 樂，陳志娟

(天津同陽科技發展有限公司 天津 300384)

0 引 言

汽車排放的主要污染物是碳和氮的氧化物，這些數據借助半導體氣體傳感器很容易檢測到，現有系統利用 GPS進行數據采集和遙感。采用裝備了嵌入式系統的無人機或移動機器人可以收集比人工操作更密集、分辨率更高、更準確的環境樣本，這也使得工作環境更加安全。

污染和城市空氣質量問題是危害公共衛生安全的主要環境風險。氣體排放導致了各種呼吸疾病和環境問題，如酸雨頻繁和臭氧層消耗。污染物可以是交通、工業和火災的廢氣排放，也可作為化學品事故的后果排放。

無人機或移動機器人已經開始在生活中廣泛使用，成為當今數據采集和遙感領域最重要的技術之一。這在許多研究中得到了高度重視，尤其是其高分辨率和位置精度等優點。它們對地球生態系統和環境科學研究的重要性已在諸多實踐中被證實。其民用用途包括氣體檢測的各種應用，例如獲得氣體分布圖、實時監測污染物氣體的排放量，以及在存在環境問題的地理區域進行氣體源定位。調查表明，當前所有實施中存在以下問題：

①受到自適應學習算法的影響，無人機的飛行自主性有限。

②小型無人機無法攜帶過重的測量設備。

③在聯合優化化學傳感器的飛行軌跡和能耗方面開展的工作還很少。

1 工作原理

本項目的總設備放置在一輛車內，如圖 1所示，配置 GPS(全球定位系統)模塊，以得到所檢測車輛的位置和無人機的位置，其值顯示在 LCD(液晶顯示器)上。應用一些傳感器并連接到微控制器，通過氣體傳感器可以檢測到來自車輛的氣體參數。氣體傳感器通過 ADC(模擬-數字轉換器)模塊將傳感器輸出的模擬數據轉換為數字量形式輸出給微控制器進行處理。當這些參數值超過閾值時，向 RTA發出報警指示，報警信息包括目標車輛的準確位置；同時向目標發送報警信息，命令目標停止運行，并通過GPRS在網頁上發布。

圖1 系統連接圖Fig.1 System connection diagram

2 硬件特征

微控制器：此部分構成了整個項目系統的控制單元，是系統的大腦和核心，基本上由一個微控制器及其相關電路組成，如帶電容的晶體、復位電路、上拉電阻(如果需要)等。微控制器構成了項目的核心，因為它控制著被連接的設備，如各種氣體傳感器、GPS模塊等，并根據所寫的程序與設備通信，包括上傳至LCD屏顯示、發送報警信息等功能。

ARM7TDMI：ARM 是 Advanced RISC Machine的縮寫，ARM 處理器是英國 Acorn有限公司設計的低功耗成本的第一款 RISC微處理器，它是一類處理器，也是一種技術的名稱。ARM處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集，一般來講比等價32位代碼節省達 35%，卻能保留 32位系統的所有優勢。與復雜指令集計算機(Risc)設計相比，RISC指令集及其相關的解碼機制要簡單得多。

液晶顯示器(LCD)：液晶顯示器(LCD)是一種平板顯示器，采用液晶光調制特性的電子視覺顯示器，液晶不直接發光。LCD可顯示任意圖像或隱藏的固定圖像，如數字時鐘中的預設字、7段數字的顯示，如數字時鐘。

CO2傳感器：家庭和工業氣體泄漏檢測設備，適用于液化石油氣、正丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙氣的檢測。傳感器RS的表面電阻是通過串聯的負載電阻RL的影響電壓信號輸出獲得的。

GPS：全球定位系統。

GPRS：GPRS(General Packet Radio Service)是一種基于數據包的無線通信服務數據承載服務，作為GSM、CDMA 和 TDMA(ANSI-I36)網絡的網絡覆蓋提供。GPRS采用分組無線原理，在 GSM 移動臺和外部分組數據網絡之間高效地傳輸用戶數據包。分組交換是先將數據分割成單獨傳輸的分組，然后在接收端重新組裝。GPRS支持世界領先的基于分組的互聯網通信協議Internet Protocol(IP)和X.25(主要在歐洲使用的協議)。GPRS允許任何現有的 IP或 X.25應用程序通過 GSM 蜂窩連接進行操作。具有 GPRS功能的蜂窩網絡是互聯網和X.25網絡的無線擴展。

直流電動機：直流電動機電流流過的線圈產生與線圈中心對準的電磁場。通過接通或斷開線圈中的電流，可以接通或斷開線圈中電流產生的磁場，也可以通過控制線圈中的電流方向，將其產生的磁場的方向切換 180°。

3 結 論

本文設計和介紹了一種以無人機為移動載體，用于氣體分布檢測和泄漏定位的嵌入式平臺。該測量儀的主要特點是功耗低、體積系數小，可依靠自身的可充電電池實現較長的自主權。現場試驗表明，裝有VOC目標MOX傳感器的測量儀器在獨立和作為無人機有效載荷安裝時的靈敏度可靠。