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基于四軸飛行器的空氣污染應急監測系統

文檔作者：王琦翔柳嘉敏全立地文檔來源：湖州師范學院		點擊數：	更新時間： 2025年05月11日
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應用研究數字技術
與應用
65
在突發空氣污染事故中,污染源的方位、污染物的擴散方向都
是極為重要的信息,獲取這些信息需要對污染區域實施監測。傳統
的測量方法存在諸多的安全隱患,且測量效率不高。基于這種情況,
設計一套基于四軸飛行器的新型空氣污染應急監測系統。遇到突發
空氣污染事件,操作人員在工作站上規劃飛行路徑,飛行器按照路
徑飛行,抵達測量點時懸停測量空氣污染濃度,測量結果經無線模
塊發送到工作站。待所有測量完成后,飛行器自動返航。
1 飛行原理
四軸飛行器的飛行原理是利用兩對旋翼相互作用來抵消每個
旋翼產生的反槳矩。當飛行器的旋翼以相同速度旋轉時,產生的升
力大小相同,總的升力大于自重時做上升運動,等于自重時處于懸
停狀態,總的升力小于自重時做下降運動。當后方兩個旋翼速度大
于前方的速度時,飛行器前方飛行,反之則向后方飛行。同樣地,左
右運動原理與前后運動原理相同。這是四軸飛行器最基本的上下、
前后和左右運動原理[1]。
2 系統硬件組成
系統采用Pixhawk飛控為控制核心,實現自動飛行監測和人工
控制監測兩種模式。四軸飛行器硬件平臺主要包括:Pixhawk飛控、
GPS模塊、無刷電調、無刷電機、無線數傳模塊、無線遙控模塊和監測
模塊[2]。硬件組成原理圖1所示。
(1)主控制器。Pixhawk飛控是一款基于ARM芯片的32位開源
飛控,可以合理規劃好所有復雜的輸入,根據參數進行實時調整。(2)
遙控模塊。系統遙控模塊采用樂迪AT9遙控器及其接收機。樂迪
AT9沿用AT10的數據回傳技術,可將接收機集成信號強度和電壓
數據回傳,支持外擴模塊,如電池電壓、轉速、GPS,并采用DSSS直
擴干擾技術,QPSK調制,有著良好的抗干擾效果,能夠準確識別和
提取信號,方便操控人員觀察,保障飛行安全。(3)通信工具。3DR
Radio無線數傳是系統的一個數傳模塊作為連接飛行器與地面站
的通信工具,其有幾個特點:1)接受靈敏度為-118dBm;2)發射功率
由100mW/500mW可選;3)可以矯正高達25%的數據位錯誤。(4)地
面站。系統采用MissionPlanner作為地面站,可對飛控進行配置,調
整參數以達到最優的性能。在地面站上設置航線,自動飛行航線任
務將上傳至飛控,在飛行器飛行過程中可以通過地面站監測其飛行
狀態,在到達監測點后下放傳感器監測空氣濃度,通過數傳將數據
傳回到地面站。
3 系統設計
收稿日期:2017-06-16
作者簡介:王琦翔(1995 —),男,浙江溫州人,湖州師范學院本科在讀,研究方向:自動化。
基于四軸飛行器的空氣污染應急監測系統
王琦翔 柳嘉敏 全立地
(湖州師范學院,浙江湖州 313000)
摘要:為了解決突發情況下的空氣污染檢測效率不高、實時性不夠的問題,設計了一種基于四軸飛行器的應急監測系統,該系統主要
包括四軸飛行器和檢測裝置兩部分。四軸飛行器選用Pixhawk飛控作為主控制器,采用電子羅盤、陀螺儀、加速度計作為飛行器姿態信
息監測與調整模塊,以電調電路和無刷直流電機組成飛行器動力模塊,采用雙閉環PID算法對飛行器進行飛行控制。
關鍵詞: 四軸飛行器；空氣污染；應急監測
中圖分類號:TN925.93 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2017)06-0065-01
Pixhawk飛控
無刷電調無刷電機
無刷電調無刷電機
無刷電調無刷電機
無刷電調無刷電機
遙控接收機
GPS模塊
無線數傳
遙控器
地面站
空氣監測器
高度
組別
5m 10m 15m 20m
1 15.381 17.265 20.883 25.162
2 15.127 16.995 21.071 24.988
3 14.997 17.831 21.013 25.243
4 15.458 17.130 20.996 25.135
5 15.239 16.997 21.127 25.012
圖1 硬件組成原理圖
圖2 雙閉環PID控制流程圖
表1 監測二氧化硫結果(單位μg/m3 )
······下轉第67頁
萬方數據
應用研究數字技術
與應用
67
相關的索引,包括社會情境下的主題和規則、媒介情境下的工具和
功能、任務情境的下目標和意義等,實現對位置、關系、事件場景的
感知和理解。
交互可供用I表示,m為可供狀態數量。其中每一個行為集由若
干可供性支撐, 形式描述為I = { I a 1, I a 2……I a m } , 屬性實例a =
{physics,body,environment,social}。交互可供域用D表示,其形式
描述為D={Da1,Da2……Dam}。交互可供根據用戶場景的界定,從而
更好的溝通設計意圖與用戶認知解釋,進而在利用交互可供進行人
機交互設計時,提高多層次的信息進行索引,即基于物理特征、動作
對象等自然行為高層交互可供語義。
交互空間用P表示,j為交互空間數量。每一個交互空間下包含
任務對象,交互協議,交互界面的子集,其形式描述為P={ Po 1 ,
Po2……Poj},屬性實例o={task,protocol, interface}。在情境感
知下形成不同的服務調用模式用S表示,其形式描述為S={So1,
So2……Soj}。交互空間主要針對物理空間向信息空間建立對應的
關系,形成感官刺激上或行為干預上可操作的物理屬性,減輕用戶
的認知負擔。
3 結語
為了進一步探索CPS下人機交互設計中人-機-物的關系問
題,本文基于社交網絡分析法,提出基于位置-事件-關系的CPS
下場景融合交互事件模型法,構建了CPS系統多層次的信息物理
對偶模型,探討了CPS中接口層級下交互可供性視角下的人與物
體間線索的構建。
參考文獻
[1]Carlos Andre,Reis Pinheiro,漆晨曦,等譯.社交網絡分析及案例
詳解[M].北京:人民郵電出版社,2013:4-6.
[2]Jacob R J K, Girouard A, Hirshfield L M, et al. Reality-based
interaction[C]// Proceeding of the Twenty-Sixth CHI Conference.
2008:201.
CPS Interactive Event Model Based on Social Network Analysis
Zhou Qian1,Gan Wei2
(1.Guangdong Productivity Promotion Center, Guangzhou Guangdong 510070;2.School of Art and Design, Guangdong University
of Technology, Guangzhou Guangdong 510090)
Abstract:This article is based on social network analysis method to construct a kind of scenario fusion CPS interaction model based on location,
relationship, events. This model combined user perception and situational information to nested interactive events. This model achieved the following
functions: scene perception and the understanding of the context information to users.
Key Words:CPS;location-relationship-event;event model;RBI
當四軸飛行器正常飛行時,如遇風力、電磁干擾等外力影響,在
只有角度單環的控制下,飛行器無法很好的穩定飛行。因此,飛行器
采用雙閉環 PID 控制,當受外界干擾時,能迅速回復,有效避免外
界因素造成的影響,增強了系統的魯棒性。四軸飛行器雙閉環 PID
控制如圖2所示。
PID控制算法采用位置式數字PID控制:
( ) ( ) ( ) ( )
＝ ＋ ? ＋
t
p i d dt
u t k e t k e t dt k de t
0
其中u(t)為PID輸出值, e(t)為期望值與實際值之差, ( ) ?
t
e t dt
0
為積分量。
( )
dt
de t
為微分量, kp、i k 、d k 為比例、積分、微分系數。
再將積分量、微分量離散化得到PID計算公式:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
T
u t k e t k e j T k e t e t d
t
p i j
1
0
－ －
＝ ＋ Σ ＋ ＝
其中T為更新時間。
角度環PID計算公式:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Σ＝
－ －
＝ ＋ ＋
t
j
p i d T
AngelPIDout t k e t k e j T k e t e t
0
1
角速度環 PID 計算公式:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Σ＝
－ －
＝ ＋ ＋
t
j
p i d T
AngelPIDout t k e t k e j T k e t e t
0
' '
' ' ' ' ' 1
其中AngelPIDout(t)為角度環PID輸出, AngelPIDout(t) 為
角速度環PID輸出,e(t) ＝期望角度－實際角度,e'(t) ＝ AngelPIDout(t)
－實際角速度。
PID 輸出值經過限幅處理后,再輸出給油門,防止輸出油門值
過大。
4 實驗結果與分析
選取一處工廠進行實驗,將監測系統搭載在四軸飛行器上,在
一定的高度位置上采集二氧化硫濃度,數據通過無線數傳發送回地
面站上,將所測結果進行氣流補償,最終數據如表1所示。
根據表格數據可知當日該工廠不同高度下二氧化硫的分布情
況,由于受到風向和四軸飛行器四個旋翼的氣流影響,測量結果與
實際數據存在一定的誤差,我們對測量結果進行補償擬合,最終將
誤差率控制在3%以內。
5 結語
基于對機械布局、控制原理、硬件控制方式的分析,對飛行軌跡
控制方法進行改進,實驗結果表明了所設計的四軸飛行器滿足了穩
定飛行和空氣污染的垂直監測要求,能夠按照線來完成巡航監測空
氣濃度。
參考文獻
[1]劉杰.四軸飛行器研究與設計[D].南京:南京郵電大學,2013.
[2]叢夢苑.基于線性二次調節器的四旋翼飛行器控制系統的設計與
研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.
[3]陳李文,馬國軍,張家棟.四軸飛行器無刷直流電機驅動技術研究
[J].現代電子技術,2013,(16):152-154.
······上接第65頁

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