基于LoRa技術的兩棲無人機環境監測系統設計

王若巖， 劉洪瑋， 王廷煜， 沈世培， 張 敏

(哈爾濱工業大學(威海) 信息科學與工程學院，山東 威海 264200)

0 引 言

如何低成本、高精度、方便快捷地完成環境數據采集工作是環境監測研究中的核心與難點[1]。目前，主流水質監測站存在機動性差、功耗高、體積巨大、數據系統性、代表性不足等問題[2-3]；空氣質量監測站存在流動性差、成本高、執法時效性低(傳統監測方式無法對某些企業短時間內違規排放廢氣的行為進行執法取證)等問題[4]；人工實地采樣則存在效率低、周期長、一些場合危險系數較高等問題。近年來，隨著通信技術、計算機技術、自動化控制技術的快速發展，為環境質量監測提供了新思路，越來越多的智能環境監測設備投入使用。使用ZigBee通信組網技術的遠程環境監測人機交互系統[5]，雖然增強了環境監測系統的穩定性與可拓展性，但無法實現遠距離與低功耗的統一，且成本較高。本文采用LoRa通信技術[6-9],充分發揮無人機靈活機動，不受空間、地形限制的優勢，采用兩棲結構設計與GPS導航控制，可自主完成指定區域的環境監測任務，成本低廉、操作方便，節約了大量人力物力資源。此外機身的選材、整體架構充分考慮了節能減排、生態環保的理念，符合國家提倡的科學技術綠色發展戰略。

1 系統總體方案設計

系統結合無人機技術、LoRa組網技術與新型結構技術，自主設計的一體化?？諅鞲衅鲾祿杉瘋鬏斚到y、環境監測巡航控制系統、環境指標研判系統及輕量化高強度可循環利用的兩棲結構系統實現廣域環境污染物的多點監測，系統各部分組成及關系如圖1所示。

圖1 系統總體方案設計

環境監測巡航控制系統以無人機為載體，在姿態模塊與GPS模塊的共同作用下，實現無人機的自穩姿態控制、垂直定高控制、室外觀測點的巡航定位功能。?？諅鞲衅鲾祿杉瘋鬏斚到y對觀測點的環境數據進行實時采集，經單片機處理、分析，將所得的溫度值、PM2.5濃度值、pH值等數據通過LoRa模塊回傳。環境指標研判系統實時接收所得數據，更新觀測點環境質量的分析結果，方便研究人員對當前環境狀況進行研判。

2 系統硬件設計

2.1 兩棲結構設計

選用質地輕、強度高的全碳纖維機身材料，整機質量僅1.4 kg，對稱軸距為330 mm。在12 V左右的額定工作電壓下最大平飛速度可達6 m/s，最高載重0.9 kg，抗風等級為4級。機身與保護圈設計融為一體，避免槳葉直接接觸外部環境，降低對周邊環境造成傷害的可能性，體現了生態環保的理念；輕量化設計則提高了無人機的續航能力。整體架構如圖2所示。

圖2 無人機機身裝配和結構圖

為實現無人機水上作業功能，設計了四面浮力架，極大提高了無人機海面著陸的穩定性。選擇EPE[10-11]材料作為漂浮裝置的主體。該裝置可根據監測應用背景不同反復拆卸、多次使用，進一步提高資源利用率。

2.2 一體化傳感器數據采集傳輸系統

針對大氣和水域的主要污染物，選用pH電極、電導電極、PM2.5傳感器、SO2傳感器、溫度傳感器，對環境數據進行采集，數據采集系統對所得數據進行整合，并通過LoRa通信的方式實現數據的遠程傳輸。

數據采集系統選用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行通信的需求。數據采集系統從飛控獲取5 V電源進行供電，將所得的各類傳感器數據打包為數據幀，通過串口傳輸至LoRa模塊，完成數據的無線傳輸。

pH測量模塊選用雷磁E-201-C電極，pH測量范圍為0～14，工作溫度范圍為5～60 ℃。設計電壓跟隨器電路，提升電源帶負載能力，在pH電極負極輸入1.7 V正基準電壓。利用電壓負反饋電路，放大pH電極正極電壓信號，使用微處理器ADC讀取輸出電壓信號，即可轉換為對應的pH值[12]。由于電位差受溫度影響較大，選用DS18B20傳感器讀取溫度數據，對采集的pH數據進行校正。測量電路如圖3所示，其中pH-接pH電極的負極，pH+接pH電極的正極，pHout為pH測量電路的輸出。

圖3 pH值測量電路

PM2.5的測量選用GP2Y1014AU光學灰塵傳感器。數據采集系統控制二極管發射出光線，其中部分光線經空氣中PM2.5反射后，被光電晶體管接收，轉換為電壓信號，供數據采集系統ADC讀取，得到對應的PM2.5濃度[13]。測量原理如圖4所示。

圖4 PM2.5濃度測量原理

同時，系統搭載標準E53拓展接口，通過外擴紅外SO2模組和電導電極完成對大氣SO2濃度和水域電導率的測量。

數據采集系統完成環境數據采集后，通過串口傳輸至基于擴頻技術的M-HL9無線透傳LoRa通信模塊，實現無線傳輸。其支持頻率為470～510 MHz，最大發射功率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 ℃。監測過程中，當環境信號較差、傳輸距離較遠時，無人機數據采集系統可與預設子節點組網，形成級聯組網的形式。預設子節點將傳感器的數據集成到一起，經級聯網絡上傳至地面站。地面站負責無線網絡指令的下達、數據的接收、系統的檢測以及管理等功能。組網示例如圖5所示。

圖5 遠距離LoRa組網

3 系統軟件設計

3.1 環境監測巡航控制系統

飛行控制系統工作在定時器調度模式，并對各外設模塊的中斷優先級進行合理的設計。在主函數main.c 的設計中，主循環While(1)中的非實時函數，例如按鍵掃描、加速度計標定、遙控器行程標定、顯示屏刷新等操作，對周期性要求不高，利用中斷空閑時間執行。對周期性要求較高的實時函數，例如姿態解算、慣性導航、數據采集等則采用定時器中斷來實現多任務調度，保障了程序運行的實時性與穩定性。

無人機巡航任務主要由GPS導航系統進行控制，采用SINS-2fGPS最優組合導航系統，使基于十軸傳感器數據的慣導與GPS導航進行數據融合，實現兩者性能互補。通過位置+速度雙觀測量卡爾曼濾波，進行精確定位與定點飛行。具體步驟為：地面站發送目標點地理位置信息，由2.4G數據傳輸模塊進行傳輸，飛控經解析得出目標經緯度等信息，與當前機載GPS模塊經緯度比較得出位置偏差，若位置偏差不超限，則進行目標點的定點飛行，利用PID進行修正，使位置偏差趨近于零;若位置偏差超限，無人機則向地面站返回超限錯誤信息，并且不執行此項目標點的飛行任務，請求控制端重新發送合適位置信息。通過不斷更新規定航線與實際位置的偏差，進行運動反饋閉環控制，從而精確定位。

無人機的高度控制采用雙閉環PID控制策略[14-16]。外環為高度環，內環為高度方向z軸的加速度環。具體控制思路見圖6所示。

3.2 基于Qt的環境指標研判

系統人機交互界面采用Qt Creator進行開發，將接收到的來自數據采集系統的傳感器數據實時顯示，以供研究人員對環境質量進行研究與判斷。通過Qt的QSerialPort組件完成數據幀的接收。提取數據幀中的幀頭幀尾與校驗位，對接收數據的有效性進行校驗。校驗通過后，依次按位提取出數據幀中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據顯示到交互界面中，進行實時顯示。系統交互界面如圖7所示。

圖6 無人機高度控制示意圖

圖7 環境研判系統及實時回傳數據顯示

4 測試結果與分析

為驗證系統的各項功能，將兩棲無人機投放于人工湖、高空、近海等場景執行實地環境監測任務。監測飛行過程中有強風擾動、小型外物干擾時，無人機會在短暫時間內失去平衡狀態，此時飛行控制系統進行實時姿態解算，依靠飛控系統內部算法能及時恢復平穩飛行狀態，按照計劃航線繼續行進。

執行大氣、水域監測任務時，無人機按照GPS定位數據抵達規定區域點，然后執行自主降落程序，利用浮漂結構平穩降落到水面上進行水域污染物指標的監測與數據實時回傳。任務完成后自主起飛，抵達指定空域后進行空域污染物指標的實時監測與數據實時回傳。所有任務點監測完畢后按照規定航線安全返回。圖8為無人機在近海海面上執行監測任務的實景，圖9為無人機在近海上空執行監測任務的實景。

5 結 語

本文充分發揮無人機靈活機動、不受空間地形限制的優勢，結合兩棲結構設計，可自主完成大氣、水域質量的一體化監測；搭載LoRa通信模塊，降低了數據傳輸功耗，在傳輸距離較遠時，通過設立中間子節點，以增大傳輸距離。通過實地測試表明，飛控算法穩定性強，能夠完成惡劣環境下的自主監測任務，數據回傳的實時性與準確性高，可實現低成本、高效率的廣域環境質量監測。但受限于無人機的續航能力，該設計更多用于即時環境測量。