CN204964476U - 一种自动巡航的无人机大气污染监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动巡航的无人机大气污染监测装置，它的组成包括：四轴飞行器、嵌入式硬件控制系统、大气质量监测传感器、卫星定位系统、飞行姿态传感器、电机驱动电路和数据存储器，嵌入式硬件控制系统对四轴飞行器进行飞行轨迹控制、悬停控制，对大气质量监测传感器进行采样控制，收集到的数据经处理之后存入数据存储器，所述电机驱动电路用来控制四轴飞行器各电机运行状态。该实用新型以四轴无人飞行器为平台，扩展传感器等设备之后通过嵌入式系统进行自动飞行控制(通过定时)，对指定空间进行定点数据采集，无人机的自动巡航使得监测采样效率和空域倍增，节省了大量的人力、物力资源，同时降低了该系统的操作门槛。

Description

一种自动巡航的无人机大气污染监测装置

技术领域

本实用新型涉及大气污染监测领域，尤其是一种自动巡航的无人机大气污染监测装置。

背景技术

近一段时间大气污染问题吸引了大众关注，雾霾尤其是其中的PM2.5成为议论的焦点。中华人民共和国环境保护部发布的《环境影响评价技术导则-大气环境(HJ2.2-2008)》(以下简称新大气导则)中对大气污染做出了详细的定义和分类，并推荐了几种大气污染扩散模型，还对污染评价做出了细致的规定。然而,由于大气污染在时间和空间分布和扩散的特殊性，以及其实际检测中受到地形、大气环流等诸多不可预测客观条件的影响，很难对其污染扩散情况有全面准确的认识、检测和模拟，因而需要进行大范围的大气环境监测和定点数据采集。但是空间上的广泛分布使得固定设备的监测很难完全覆盖。

近两年无人机技术已经用在城市噪声污染监测、城市光污染监测以及固定污染源烟气排放监测等，例如：公开号为CN104132729A的发明提供了一种基于无人机的城市噪声污染监测装置及监测方法，该发明包括空中飞行模块和与空中飞行模块进行通信的地面控制模块,其特征是：所述的空中飞行模块上设置有噪声测试仪和GPS定位模块,所述的噪声测试仪和GPS定位模块连接中央处理器,所述的中央处理器连接空中收发天线；公开号为CN104121986A的发明提供了一种基于无人机的城市光污染监测装置及监测方法。该发明包括空中飞行模块和与空中飞行模块进行通信的地面控制模块,其特征是：所述的空中飞行模块上设置有光强测试仪和多普勒测距雷达,所述的光强测试仪和多普勒测距雷达连接中央处理器,所述的中央处理器连接空中收发天线；公开号为CN203798793的实用新型公开了基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测装置，所述装置包括与地面工作站进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱周边均匀安装若干旋臂，所述旋臂末端设有旋翼，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱顶端还设有导航天线，所述支架上还设有若干液晶显示屏。

实用新型内容

本实用新型针对大气环境监测实际需求，设计一种自动巡航的无人机大气污染监测装置。提供了一种四轴无人飞行器和大气污染监测传感器相结合的数据采集装置，以弥补遥感卫星、雷达、地面监测站点等对于地形复杂区域中低空大气环境监测能力的不足。

实现本实用新型的技术解决方案是：

一种自动巡航的无人机大气污染监测装置包括四轴无人飞行器，以及大气环境数据采集和存储设备。该装置分为硬件和软件两大部分。

硬件部分包括：四轴飞行器、嵌入式硬件控制系统、大气质量监测传感器、卫星定位系统、飞行姿态传感器、电机驱动电路和数据存储器。所述嵌入式硬件控制系统使用DSP或者ARM32位微处理器作为控制器，控制各模块协同工作；所述大气质量监测传感器包括主要包括颗粒物浓度传感器，也可以根据所执行的具体任务更换扩展其它类型的传感器，用于在不同情况下采集数据；所述卫星定位系统是GPS或者北斗导航系统，用于确定飞行器的经、纬度和海拔高度；所述飞行姿态传感器包括三轴加速度计和两轴陀螺仪，用以确定无人机姿态和加速度；所述电机驱动电路用来控制四轴飞行器各电机运行状态；所述数据存储器保存大气质量监测传感器采集数据。

软件方面包括中心控制模块、自动巡航模块、飞行状态传感器接口、大气污染数据采集接口和数据处理模块。所述自动巡航模块、飞行状态传感器接口、大气污染数据采集接口和数据处理模块均与中心控制模块相连。

本实用新型有如下的有益效果：

1.本实用新型为了实现大气环境的定点探测功能，将四轴飞行器和环境监测传感器有机结合，极大地提高了监测效率和准确性，有效填补了复杂地形中低空污染检测的空白。

2.该实用新型以四轴无人飞行器为平台，扩展传感器等设备之后通过嵌入式系统进行自动飞行控制(通过定时)，对指定空间进行定点数据采集，无人机的自动巡航使得监测采样效率和空域倍增，节省了大量的人力、物力资源，同时降低了该系统的操作门槛。

3.可以对四轴飞行器进行路径进行优化，以提高效率，克服现有无人机因电池能量密度的不足，使其巡航时间受到极大限制的缺陷。

4.无需专用起降跑道，不受航空管制约束，场地适应性强，同时可以实现多个四轴飞行器还能够组成一个飞行器群，协同执行任务。

附图说明

图1四轴无人飞行器硬件框图

图2本实用新型软件部分框图

图3整体工作流程

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

1.如图1所示，本实用新型中四轴飞行器所搭载的设备包括嵌入式硬件控制系统、大气质量监测传感器、卫星定位系统、飞行姿态传感器、电机驱动电路和数据存储器。嵌入式硬件控制系统对四轴飞行器进行飞行轨迹控制、悬停控制，对大气质量监测传感器进行采样控制，收集到的数据经处理之后存入数据存储器。为了检测最常见的雾霾，大气质量监测传感器一般为颗粒物浓度传感器，可根据任务要求进行定制。卫星定位系统采用GPS或者北斗导航系统，用来确定无人机当前的经、纬度和海拔高度。飞行姿态传感器用以确定无人机的运行状态。电机驱动电路接收控制系统的指令，调整各电机转动参数。数据存储器用来存储大气质量监测传感器采集到的数据。嵌入式硬件控制系统使用DSP或者ARM32位微处理器作为控制器。

1)DSP芯片选择

美国TI公司的TMS320C54X。

不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：

(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；(3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；(5)快速的中断处理和硬件I/O支持；(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；(7)可以并行执行多个操作；(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

2)ARM芯片的选择

如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间,就需要选择ARM720T以上带有MMU(memorymanagementunit)功能的ARM芯片，ARM720T、StrongARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都带有MMU功能。系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz,常见的ARM7芯片系统主时钟20MHz-133MHz,ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz,ARM10最高可以达到700MHz。GPIO在某些芯片供应商提供的说明书中,往往申明的是最大可能的GPIO数量,但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。中断ARM内核只提供快速中断(FIQ)和标准中断(IRQ)两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器,以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素,合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度的工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750,所有GPIO都可以设置成FIQ或IRQ,并且可以选择上升沿、下降沿、高电平、低电平四种中断方式。这使得红外线遥控接收、指轮盘和键盘等任务都可以作为背景程序运行。而CirrusLogic公司的EP7312芯片,只有4个外部中断源,并且每个中断源都只能是低电平或者高电平中断,这样在用于接收红外线信号的场合时,就必须用查询方式,会浪费大量的CPU时间。

3)大气质量监测传感器选择

目前气体传感器正向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。日本FIGARO公司开发生产的系列半导体气体传感器代表了目前气体传感器领域最新的水平，为研究开发空气质量监测系统创造了有利条件，提供了一条简单而实用的途径。

空气传感器是半导体气敏传感器中的一种，它构造简单，由传感器基板，气敏元件和传感器盖帽组成。气敏元件由一个以金属铝做衬底的金属氧化物敏感芯片和一个完整的加热器组成。利用加热器加热，以侦测气体附着于金属氧化物表面而产生的电阻值的变化。在检测气体时，传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化。在目标气体不存在的状态下，大量附着的空气中的O2会捕捉电子，而呈现出高阻状态；相反的，若有目标气体存在，则因为会与氧产生一种燃烧反映，自由电子的量增加，而电阻值则降低。用一个测量电路能将该传导率的变化转化成对应于气体浓度变化的输出信号。

TGS2600是日本FIGARO公司开发生产的一种新型半导体气体传感器，能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味，如空气中的低浓度香烟污染物和其它异味，对H2、CO等有较高的敏感度。该传感器能检测到几个ppm级H2含量。

4)卫星定位系统

(1)GPS

GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称。GPS模块系统采用第三代高线式GPS模块接受SiRFStarⅢGPS模块SiRF灵活性。该芯片是小于10米的定位精度，能够同时追踪20个卫星信道。其内部的可充电电池，可以保持星历数据，快速定位。对于数据的输出电平的串行数据格式，通信速度。波特率4800，每名GPS数据输出。该模块采用MMCXGPS天线接口，为6线连接器，数据线接口电缆输出，使用简单，一般情况下只需要使用三个输出线，第一连接3.5～5.5V的直流供电，第五脚是电源，脚的第二行是GPS测量输出的是TTL电平信号，串行端口，高大于2.4V，低小于400mV，输出驱动器的启动，直接与微处理器的接口。如果只使用默认设置，微处理器读取数据只能从模块可以。

(2)北斗导航系统

中国北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后的全球第四大卫星导航系统。定位效果分析是导航系统性能评估的重要内容。卫星导航专用ASIC硬件结合国产应用处理器的方案，成为北斗卫星导航芯片一项重大突破。该处理器由中国本土IC设计公司研发，具有完全自主知识产权并已实现规模应用，一举打破了电子终端产品行业普遍采用国外处理器局面。卫星导航终端中采用的导航基带及射频芯片，是技术含量及附加值最高的环节，直接影响到整个产业的发展。在导航基带中，一般通过导航专用ASIC硬件电路结合应用处理器的方案来实现。BD/GPS多模基带芯片解决方案中，卫星导航专用ASIC硬件结合国产应用处理器打造出了一颗真正意义的“中国芯”。该应用处理器为国内完全自主开发的CPU/DSP核，包括指令集、编译器等软件工具链以及所有关键技术，均拥有100％的中国自主知识产权。其拥有国际领先水平的多线程处理器架构，可共享很多硬件资源，并在提供相当多核处理器处理能力的同时，节省芯片成本。而基于该国产处理器卫星导航芯片方案的模块，是全球体积最小的BD/GPS双模模块，具有定位精度高、启动时间快及功耗低等特点。

5)飞行姿态传感器

飞行姿态传感器系统以32位处理器STM32F103C为控制核心,采用模拟输出式MEMS加速度传感器测量各轴向的重力加速度分量,采用I2C接口输出式MEMS磁传感器测量各轴向的磁场强度。MEMS加速度传感器的输出电压信号经过信号调理电路进入STM32F103C的片内模数转换器,MEMS磁传感器通过I2C接口将测量结果传送给STM32F103C。STM32F103C经过处理、计算,将姿态信息通过RS232总线和CAN总线传送给计算机或其他航空电子设备。

2.如图2，软件方面包括中心控制模块、自动巡航模块、飞行状态传感器接口、大气污染数据采集接口和数据处理模块，所述自动巡航模块、飞行状态传感器接口、大气污染数据采集接口和数据处理模块均与中心控制模块相连。由中心控制模块发指令给其他模块执行相应操作。

3.图3所示为一种自动巡航的无人机大气污染监测系统的具体实施流程。首先需要确定实施监测空域。比如在工厂周围测定其污染物分布情况时需要监测的区域范围。确定其空间数据之后，确定监测点分布。根据需求将空间进行网格划分，均匀分布的节点即是监测采样点，分别确定其三维坐标。根据监测点分布密度和无人飞行器续航时间确定无人机数量和每架无人飞行器监测空间。每架无人机再根据所分配的任务进行飞行路径规划，使其经过每一个监测点。之后将规划好的飞行路径参数分别下载到无人机嵌入式硬件控制系统的程序存储器中。在天气允许的情况下启动四轴无人飞行器开始执行任务。当抵达该无人机所设置的第一个采样点之后，自动巡航采用PID算法控制电机驱动电路使无人机悬停在指定的经、纬度和海拔高度。之后中心控制模块启动大气污染监测传感器进行数据采集。采集到的数据经中心控制模块传输到数据处理模块进行A/D转换之后导入数据存储器。一次数据采集过程完成之后自动巡航模块控制飞行器抵达下一监测点，控制器中的中心控制模块控制大气污染监测传感器重复以上污染数据采集过程。当完成自动巡航模块所设定最后一个监测点的数据采集任务之后，无人机由自动巡航模块控制返航至设定降落地点。然后将数据存储器的数据导出至电脑。如有需要，可在重新规划飞行路径并下载到无人机程序存储器之后，更换电池再次升空作业。由于无人机续航时间极其有限，应避免过度执行任务，重新使用时务必保证电量。

4.装置功能实现

四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。这四轴飞行器(Quadrotor)是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。具体的技术细节在“基本运动原理”中讲述。因为它固有的复杂性，历史上从未有大型的商用四轴飞行器。近年来得益于微机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。国际上比较知名的四轴飞行器公司有中国大疆创新公司、法国Parrot公司、德国AscTec公司和美国3DRobotics公司。

四轴飞行器是一个在空间具有6个活动自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作)，但是只有4个控制自由度(四个电机的转速)的系统，因此被称为欠驱动系统(只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统)。不过对于姿态控制本身(分别沿3个坐标轴作旋转动作)，它确实是完整驱动的。

与直升机相比，四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少，不过基本的前进、后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单，维修和更换的开销也非常小，这让四轴飞行器有了比直升机更大的应用优势。

为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成惯性导航模块，可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度、角速度。飞行控制器通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力，通过电子调控器来保证电机输出合适的力。

因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速改变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转(正向和反向)，实现飞行器的滚转运动。

四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变，飞机不会发会垂直运动。

要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

Claims (6)

1.一种自动巡航的无人机大气污染监测装置，它的组成包括：四轴飞行器、嵌入式硬件控制系统、大气质量监测传感器、卫星定位系统、飞行姿态传感器、电机驱动电路和数据存储器，其特征在于：嵌入式硬件控制系统对四轴飞行器进行飞行轨迹控制、悬停控制，对大气质量监测传感器进行采样控制，收集到的数据经处理之后存入数据存储器，所述电机驱动电路用来控制四轴飞行器各电机运行状态。

2.根据权利要求1所述的无人机大气污染监测装置，其特征在于：所述嵌入式硬件控制系统使用32位微处理器作为控制器。

3.根据权利要求1所述的无人机大气污染监测装置，其特征在于：所述大气质量监测传感器为颗粒物浓度传感器。

4.根据权利要求1所述的无人机大气污染监测装置，其特征在于：所述卫星定位系统是GPS或者北斗导航系统。

5.根据权利要求1所述的无人机大气污染监测装置，其特征在于：所述飞行姿态传感器是由三轴加速度计和两轴陀螺仪组成。

6.根据权利要求2所述的无人机大气污染监测装置，其特征在于：所述32位微处理器为DSP或者ARM。