基于四旋翼飛行器的空氣參數檢測系統設計

梁雪慧，閆粉粉，邵曉龍

（1.天津理工大學 自動化學院，天津 300384；2.天津市環境保護科學研究院 天津 300191）

基于四旋翼飛行器的空氣參數檢測系統設計

梁雪慧1，閆粉粉1，邵曉龍2

（1.天津理工大學 自動化學院，天津 300384；2.天津市環境保護科學研究院 天津 300191）

針對高空環境、危險環境中有害氣體檢測困難等問題，本文設計了一種基于四旋翼飛行器的環境參數檢測系統。在對四旋翼的姿態控制進行深入研究的基礎上，對PID控制與模糊PID控制算法進行了仿真分析，驗證了模糊PID控制的快速性和平穩性。飛行器搭載空氣參數檢測模塊，在天津地區進行了飛行實驗，結果證明該系統飛行穩定、操作方便、能夠有效地檢測環境的溫度、濕度、CO濃度、CO2濃度及空氣中的煙霧濃度。利用此檢測系統，可以使工作人員遠離危險環境，通過無線遙控設備對空中及工業現場的五種環境參數進行檢測。

四旋翼飛行器；檢測裝置；空氣參數；模糊PID

目前，我國的空氣污染狀況十分嚴重，主要是城市空氣中懸浮顆粒物普遍超標以及工業廢氣排放超標。環境空氣做到實時檢測，對控制大氣污染十分重要。對于環境空氣的檢測裝置一般多為固定式或便攜式，自身不能夠移動，通常是由人攜帶到現場檢測，這種方式對于高空煙囪排放氣體、工業高溫排放氣體以及由各種原因造成生產或運輸過程中泄露的危害性氣體等的檢測存在很多困難。然而，無人機的應用為解決這些問題提供了可能[1]。四旋翼飛行器是無人機多種機型之一，具有結構簡單小巧、能夠垂直起降和自由懸停、對飛行環境要求低等優勢[2]。隨著遙感技術的迅速發展，使得無人機能夠實現遠程飛行，以及準確地控制其在復雜環境中的穩定飛行[3]。同時，四旋翼飛行器還能夠攜帶多種小型設備，其應用領域非常廣泛，在環境惡劣復雜的情況下能夠對工業生產進行安全監測等，顯然這些優勢有利于作為搭載平臺實現高空、危險復雜環境下環境氣體的快速、實時檢測。

本文旨在針對特殊環境下基于無人機平臺的氣體檢測問題，以基于四旋翼無人機的五環境空氣參數 （CO、CO2、煙霧、溫度、濕度）檢測系統為例，對系統建模、軟硬件實現以及控制等進行研究并進行了實際驗證飛行。

1 高空環境下環境氣體檢測系統模型與結構

1.1 四旋翼飛行器的工作原理

四旋翼飛行器是4個螺旋槳分別固定在對稱的前后、左右交叉的結構上，螺旋槳是通過4個獨立電機來驅動組成的系統。通過調節4個電機的轉速來改變4個旋翼的轉速，產生不同的升力變化，從而使飛行器的姿態和位置發生變化。四旋翼飛行器有4個力的輸入，有6個狀態的輸出，3個線運動，即前向運動、側向運動以及垂直高度變化，3個角運動，即俯仰角、偏航角、滾轉角，是一個控制量個數小于系統自由度個數的非線性欠驅動系統[4][5]。

1.2 四旋翼飛行器的模型

建立四旋翼飛行器的模型，基于兩個基本坐標系，地面坐標系E（oxyz）和機體坐標系B（oxyz）[6]，如圖1所示。

圖1 四旋翼飛行器基本坐標系

根據牛頓-歐拉公式建立四旋翼飛行器的數學模型[7]：

式中，Ix、Iy、Iz是機體分別繞3個坐標軸的轉動慣量，Jr是4個螺旋槳總轉動力矩，Ω是螺旋槳總角速度，U1、U2、U3、U4是由4個螺旋槳的旋轉產生的控制輸入量，l是螺旋槳的中軸到機體中心點的距離，同時，變量間有如下關系式：

式中 b為升力系數，d為阻力系數，Ωi螺旋槳旋轉速度，i= 1，2，3，4。

2 系統的硬件組成與結構

2.1 高空環境參數檢測系統的硬件組成

整個檢測系統由飛行器和氣體參數檢測模塊組成。四旋翼飛行器主要包括無刷直流電機、飛行控制板、電機調速板、螺旋槳、GPS模塊、接收機、無線遙感發射機等；氣體參數檢測模塊主要包括單片機、氣體傳感器、SD卡等，其實物圖如圖2所示。操作人員通過無線遙感發射機給四旋翼飛行器發送飛行指令，接收到指令后飛行器到達指定位置對5種環境參數進行檢測并存儲至SD卡中。

2.2 四旋翼飛行器的硬件電路設計

四旋翼飛行器的硬件結構框圖如圖3所示。

ATMEGA2560-16AU單片機作為飛行器的主控制器，主要負責飛行器姿態解算算法、飛行控制算法、數據傳輸程序等的運行，是硬件電路的核心。

圖2 循系統實物圖

圖3 四旋翼飛行器硬件結構框圖

三軸磁力計和慣性測量單元組成航姿測量系統，三軸陀螺儀測試飛行器的角位移，角位移對時間的微分為飛行器的角速度，利用三軸加速度計可以得到飛行器的角加速度。將得到的角速度以及角加速度送到主控制器進行解算，再與無線模塊接收的姿態控制指令一起作為姿態控制器的輸入，通過I2C接口發送到電子調速器（簡稱電調）來改變 4個電機的轉速，從而實現姿態控制[5]。

PPM是指脈沖位置調制，又稱為脈位調制。PPM信號經飛行器的單片機控制器處理后，發送到電調，電調再發出PWM信號輸出到電機，實現電機轉速的控制。

2.3 空氣檢測模塊的硬件電路設計

空氣檢測模塊作為飛行器的負載，由各種空氣檢測傳感器組成，分別是CO2傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器。檢測模塊結構圖如圖4所示。利用各傳感器進行數據采集，單片機運行FAT系統文件將采集到的數據以及GPS測得的經緯度以TXT文件格式存儲到SD卡中。

圖4 檢測裝置結構圖

3 四旋翼飛行器的姿態控制

四旋翼飛行器的姿態控制是決定其飛行性能的關鍵所在。四旋翼飛行器在飛行過程中會受到外部環境（如氣流等）的干擾以及其自身結構特點的影響，由于是欠驅動系統，具有多變量、非線性、強耦合和干擾敏感的特性，因此，四旋翼飛行器控制系統的設計非常重要[6-7]。

文中針對四旋翼飛行器的特性，設計了模糊自整定PID控制器。PID控制原理簡單、使用方便、適應性強，模糊控制在設計中不需要建立被控對象的精確數學模型，綜合利用模糊控制和PID控制的各自優勢，能夠實現控制參數的自整定。將所設計的模糊自整定PID控制器應用于式1）的四旋翼飛行器模型，并對整個系統進行了MATLAB仿真實驗。各通道在傳統PID與模糊自整定PID控制下的階躍響應結果如圖5所示。四旋翼飛行器俯仰、偏航、前向以及高度運動的響應時間分別是0.8 s，0.6 s，3.2 s以及1.3 s，而模糊自整定PID控制下，各通道的響應時間是0.56 s，0.2 s，2 s以及0.85 s。可見，各通道在較短時間內平穩地達到了穩定狀態，說明所設計的控制器能夠有效抑制系統超調量、提高響應速度，實現了飛行器姿態的有效控制。

表1 檢測模塊集成的傳感器明細表

4 飛行實驗分析

將檢測模塊搭載在四旋翼飛行器上，通過無線遙感操作使飛行器在空中穩定飛行。飛行器在飛行過程中，檢測裝置開始定時檢測空氣中的CO2、CO、煙霧以及溫濕度并通過GPS得到飛行過程的經緯度。在2015年4月28日天津市最高溫度23℃，最低溫度14℃，多云轉晴，風向是東南風，微風，進行飛行檢測試驗，檢測得到的數據如表2。將這些時刻的經緯度連接起來構成飛行路徑，如圖6所示。

圖5 模糊自整定PID控制下各通道的階躍響應對比

5 結論

文中對基于四旋翼無人機平臺的環境空氣檢測系統建模、軟硬件實現、姿態控制等進行了研究，結果表明利用四旋翼飛行器的遠程遙控可實現環境空氣參數的檢測。在人員無法到達的復雜環境、有害氣體泄露的地點、工業高溫排放的氣體以及高空中的空氣能夠準確測得其中CO、CO2、煙霧以及溫濕度的數據參數，有效提高了各種復雜環境工作的安全性和效率，還能實現監測區域的準確定位。

圖6 四旋翼飛行器飛行路徑

表2 實驗所得到數據

[1]王橋，王晉年，楊一鵬，楊海軍等.環境監管無人機遙感技術與應用[M].北京：科學出版社，2014.

[2]楊云高，鮮斌，殷強，李浩濤，曾偉.四旋翼無人飛行器架構及飛行控制的研究現狀 [J].中國自動化學會控制理論專業委員會C卷.2011（7）：22-24.

[3]張浩然.四旋翼直升機控制系統設計與實現 [D].哈爾濱:哈爾濱理工大學，2014.

[4]Bouabdallah S，Siegwart R.Backstepping and Sliding-mode Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor.[C]//IEEE conference on Robotics and Automation，2005：2247-2252.

[5]楊桐.Quad-rotor飛行器控制問題研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009.

[6]De Monte，Paul.Trajectory tracking control for a quadrotor helicopter based on back stepping using a decoupling quaternion parametrization [C]//2013 21st Mediterranean Conference on Control and Automation，2013:507-512.

[7]Rashid，M.Imran.Adaptive control of a quadrotor with unknown model parameters[C]//Proceedings of 2012 9th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology，2012:8-14.

[2]郭山國，任立軍，王國章，等.基于LabVIEW和PCI-1710的虛擬儀器系統[J].儀表技術與傳感器，2011（10）:35-37.

[3]程曉輝，李雷雷.熱電偶用補償導線的使用問題 [J].科技信息，2010（11）:490-492.

[4]王偉峰.煤田火災無線自組網鉆孔溫度遠程監控系統的開發研究[D].西安：西安科技大學，2010.

[5]韓惠福.熱電偶用補償導線的制造與應用 [J].電線電纜，2008（4）:7-9.

[6]Theophilus Wellem，Bhudi Setiawan，A microcontrollerbased room temperature monitoring system international[J].Journal of Computer Applications（0975-8887），Volume 53，No.1，September 2012

[7]黃永紅，王恒海，陳照章，等.基于LabVIEW的溫度監控與介電譜測試系統研制[J].儀器儀表學報，2008（7）:1544-1547.

Design of ambient air parameters detection system based on the quadrotor aerocraft

LIANG Xue-hui1，YAN Fen-fen1，SHAO Xiao-long2
（1.School of Electrical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin Academy of Environmental Sciences，Tianjin 300191，China）

To solve the problems in the detection of harmful gases in high-altitude dangerous environment，this paper designed a system of ambient air detection based on the quadrotor aerocraft.Based on the profoundly studying of the attitude control of quadrotor aerocraft，the PID controller and fuzzy self-tuning PID controller is designed and the latter method is more fast and stable.The flight experiments of aircraft equipped with air parameter detection module were carried out in Tianjin area.The results showed that the system was stable and easy to be operated and also could effectively detect the temperature，humidity，CO concentration，CO2 concentration and smog concentration in the air.With this detection system，not only the staff can be far from dangerous environment but also the five environmental parameters of the air and industrial scene are detected by the wireless remote equipment.

quadrotor aerocraft；detecting device；air parameters；fuzzy self-tuning PID

TN8

A

1674－6236（2016）15-0142-04

2015-08-21 稿件編號：201508113

天津市科技特派員項目（14JCTPJC00510），天津市科技計劃資助項目（13ZCZDGX03800）

梁雪慧（1970—），女，河北藁城人，副教授。研究方向：先進控制理論。