基于四旋翼的空氣質量監測系統設計與實現

蘇 峰 ，李中健 ，李 萍 ,雷志榮

（1.西北工業大學 自動化學院，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量狀況不容樂觀，連續的霧霾天氣已經為人們敲響了警鐘，建立一套有效的空氣質量監測系統對控制大氣污染至關重要。目前空氣質量監測網絡多以覆蓋式設定監測站點為主[1]，各子站接受中心站的控制與調試，利用子站的分析儀器直接測量本站空氣中的污染物，并將數據實時傳輸到中心站。這種定點檢測方式往往也存在著很多的不足，如監測站布點不盡合理，監測指標偏少，缺乏流動觀測和立體觀測的技術手段。本方案就將子站的部分功能融合到飛行器中，實現可移動的監測子站。四旋翼由4個螺旋槳驅動，可操作性好，小巧便攜，飛行穩定，且零污染，零排放，適于搭載大氣檢測系統進行大氣質量監測[2]。本系統就以檢測空氣中懸浮顆粒物濃度為例，設計了一整套的監測系統，并進行了大量的系統調試驗證工作，最終實現預定功能。

1 總體設計

系統結構如圖1所示，采用Xaircraft X650四旋翼飛行器，搭載了空氣質量檢測及飛行控制系統和一個安全保障裝置——手自動切換模塊。該系統采用模塊化的設計方案，空氣質量傳感器采用技術上相對成熟的模塊化的產品。飛控及空氣數據采集系統計以32位ARM內核芯片為核心處理器，外擴空氣質量數據采集接口、SD卡存儲器、電機驅動接口、PWM波檢測接口、多通道串口通信接口構成最基本的電路，輔以微型航向姿態參考系統（AHRS）、超聲波高度傳感器、空氣質量傳感器完成空氣質量數據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設計一套地面站軟件，通過數傳電臺與飛行器進行數據傳輸，實現實時的空氣質量及飛行器狀態監測和任務設定功能。

2 系統硬件設計

系統硬件主要分為2個部分，即基于ARM的飛行控制及空氣數據采集電路和基于FPGA的手自動切換電路。

2.1基于ARM的飛行控制及空氣數據采集電路

飛行控制及空氣數據采集電路主要完成四旋翼控制、空氣質量數據采集及監測信息的無線傳輸功能。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

空氣質量傳感器種類較多，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）或專用的氣體成分傳感器模塊，這些傳感器多將氣體信號轉化為0～5 V電壓模擬信號，便于空氣數據的采集。該系統搭載了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。

該系統選用意法半導體公司的STM32F103VE為主控芯片，其擁有足夠的內存空間和外設接口，完全滿足設計要求。航向姿態參考系統 (Attitude and Heading Reference System，AHRS)選用了自研設備，可通過串口為飛行器提供姿態、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數傳電臺，它采用串口進行數據通信，最遠通訊距離可達32 km。飛行控制及空氣數據采集電路結構如圖2所示。

圖2 飛行控制及空氣數據采集電路結構Fig.2 Flight control and air data acquisition circuit structure

如圖2所示，STM32單片機通過A/D口采集空氣質量傳感器數據，通過串口讀取飛行器的姿態角、角速率、磁航向信息等，經過內部控制運算輸出四路PWM電機控制信號，做四旋翼的姿態控制，實時將空氣及飛機狀態信息記錄在SD卡中并傳輸到地面站。使用超聲波傳感器測定高度進行低空高度控制，當飛行器飛行至高空時轉用氣壓高度。輔以GPS全球定位系統將精確地位置及速度信息輸送給ARM單片機進行定位控制。在設計完原理圖后，進行了PCB板的設計并印制，經調試該電路板（如圖3所示）實現了預定功能。

圖3 飛行控制及空氣數據采集電路板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據采集電路，用于四旋翼自動控制模式和手動遙控模式的切換，當飛控電路板出現故障時，可以隨時切換到遙控模式，從而極大提高了系統的可靠性。

模塊采用ALTERA公司的CycloneII系列EP2C5T144C8N芯片，設計中采用數字邏輯設計切換功能，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實現信號的切換，并且全數字邏輯的實現也極大提高了可靠性。要實現信號切換功能，僅需要一個最小系統即可。

以上就是本系統主要的兩部分硬件設計，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換電路。STM32與數傳電臺通訊需要使用串口芯片（MAX232）將普通的CMOS電平信號轉化為標準串口信號。經過調試，以上兩部分硬件實現了預定功能。

3 系統軟件設計

系統的軟件主要分為3個部分：基于ARM的飛行控制及數據采集軟件設計，基于FPGA的信號切換軟件設計及基于LabVIEW的地面站監控軟件設計。

3.1基于ARM的飛行控制及數據采集軟件設計

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，每個電機的轉速越高，其所提供的升力也就越大，相應地反扭力矩也就越大。本設計采用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號電機轉速方向相反。在理想環境中，當四旋翼懸停時，1、2、3、4號電機（如圖所示）轉速相同，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，由此構成四旋翼的姿態控制。

設計實現了四旋翼的定點控制，即設定一個目標點，四旋翼可以沿著一條直線飛到目標點保持懸停，于是就必須要實現四旋翼的姿態控制（即內環控制）與直線導航控制（即外環控制）。四旋翼的內環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、俯仰、偏航3個控制回路，忽略3個回路的相互耦合作用，經過實際驗證該方法十分有效且極易實現。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定的任務，可以認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為前一個目標航點，P2為當前目標航點，P為當前四旋翼所在位置，L為航點間距，D為側偏距，側偏距方向的定義為，為P1點向P2點看去，當前置位于右側為正，左側為負，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為當前位置P與目標航點P2的距離；側偏速度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、滾轉通道上的控制輸出增量。

四旋翼的另一個重要功能是監測控制質量，這里以監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，該模塊設計用來感應空氣中的塵埃粒子，其內部對角安放著紅外線發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，通過單片機內部AD轉換器采集粉塵傳感器輸出電壓，并經過換算可以得到空氣中的粉塵濃度，本系統作為一種監測手段，將傳感器的原始數據采回，便于分析與觀測。

3.1.2 基于ARM的測控系統軟件設計

該程序主要包含底層驅動程序、控制運算程序和基于定時器的任務管理程序。其中底層驅動程序主要完成空氣質量數據的接收，AHRS數據接收，高度數據接收，遙控器數據接收，電機控制，數傳電臺數據傳輸等功能；控制運算程序包含內環和外環控制程序，主要完成飛行控制功能；任務管理程序則基于定時器的定時器及中斷對整個系統進行任務管理。程序運行原理如圖5所示。為實現飛行器與地面站可靠的通訊，設計了如表1所示固定格式的數據包，保證了無線傳輸數據的可靠性。

圖5 基于ARM的測控系統軟件設計Fig.5 The design of control system software based on ARM

表1 數據包格式Tab.1 Packet format

3.2基于FPGA的Verilog程序設計

本程序主要實現兩個功能，一是要對切換信號進行實時不間斷的檢測[6]，當切換信號到來時能夠實時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、俯仰、偏航及油門控制信號映射到四個電機上去，實現四旋翼的遙控控制。

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的地面站監控軟件設計

地面站軟件主要實現飛行器參數調試，任務指令發送，監測數據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]。

程序采用順序結構，首先對軟件進行初始配置，如調入地圖圖片，設定接收數據存儲路徑，設定圖片像素點與GPS點對應關系等，其次執行一個while循環，實時顯示當前飛行器狀態及空氣質量狀況，同時還可以對四旋翼進行參數配置，用于調節PID參數和上傳多個任務航點等。

4 實驗應用

系統采用了模塊化的傳感器成品監測空氣質量數據，其監測誤差多分布于傳感器本身，采用12位AD轉換器所造成的誤差并不大。以檢測粉塵顆粒物為例，為檢驗系統數據采集的精度，表2記錄了在同一地點相同時刻本系統與PC-3A粉塵儀檢測到的粉塵數據（PM2.5），并進行了對比，經反復測試表明，本系統的測量相對誤差基本可控制在20%以內，符合測量要求。

圖7 地圖顯示程序Fig.7 Map display program

表2 傳感器采樣測試結果對比Tab.2 Contrast sensor sampling test results

經過多次PID參數調試，實現了四旋翼的姿態及航線控制。如圖8所示為地面監測站的地圖及空氣數據波形顯示界面，圖中曲線為四旋翼飛行航跡，圖中波形為設定航跡起點處定高為7 m處的粉塵濃度數據（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，系統將采集的大氣數據實時記錄到SD卡中，可便于對數據進行進一步的分析。

圖8 地面站監測數據顯示Fig.8 Ground station monitoring data show

5 結論

本系統充分利用了四旋翼飛行器穩定性好、可垂直起降、操作方便等特點，將設計的飛行控制系統與空氣質量監測系統巧妙地結合在一起，實現了全自主、高機動的空氣質量監測，經實驗驗證，系統良好完成了設定功能，可做為一種更加靈活的空氣數據監測手段輔助監測人員監測不同的空氣數據。

[1]汪勝輝.基于GPRS的空氣質量監測系統設計[D].湖南大學,2008.

[2]張垚,鮮斌,殷強,等 .基于ARM處理器的四旋翼無人機自主控制系統研究[J].中國科學技術大學學報,2012,42(9):753-760.ZHANG Yao,XIAN Bin,YIN Qiang,et al.Autonomous control system for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors[J].Journal of University of Science and Technology of China,2012,42(9):753-760.

[3]周雪琴，安錦文.計算機控制系統[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

[4]胡慶.基于STM32單片機的無人機飛行控制系統設計[D].南京航空航天大學,2012.

[5]王松,王田苗,李新軍,等.微小型飛行器航向系統設計[J].機器人,2006,28(6).WANG Song,WANG Tian-miao,LI Xin-jun.Design of the heading system of micro air vehicle[J].Robot,2006,28(6).

[6]王爾申,陳士英,石劍民.基于FPGA的機載PWM信號轉換器仿真與實現[J].計算機工程與設計,2013,34(8):2850-2854.WANG Er-shen,CHEN Shi-ying,SHI Jian-min.Simulation and implementation of airborne PWM signal converter based on FPGA[J].Computer Engineering and Design,2013,34(8):2850-2854.

[7]陳樹學,劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業出版社,2012.