基于四轴飞行器的空气污染应急监测系统

王琦翔+柳嘉敏+全立地

摘要：为了解决突发情况下的空气污染检测效率不高、实时性不够的问题，设计了一种基于四轴飞行器的应急监测系统，该系统主要包括四轴飞行器和检测装置两部分。四轴飞行器选用Pixhawk飞控作为主控制器，采用电子罗盘、陀螺仪、加速度計作为飞行器姿态信息监测与调整模块，以电调电路和无刷直流电机组成飞行器动力模块，采用双闭环PID算法对飞行器进行飞行控制。

关键词：四轴飞行器；空气污染；应急监测

中图分类号：TN925.93 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0065-01

在突发空气污染事故中，污染源的方位、污染物的扩散方向都是极为重要的信息，获取这些信息需要对污染区域实施监测。传统的测量方法存在诸多的安全隐患，且测量效率不高。基于这种情况，设计一套基于四轴飞行器的新型空气污染应急监测系统。遇到突发空气污染事件，操作人员在工作站上规划飞行路径，飞行器按照路径飞行，抵达测量点时悬停测量空气污染浓度，测量结果经无线模块发送到工作站。待所有测量完成后，飞行器自动返航。

1 飞行原理

四轴飞行器的飞行原理是利用两对旋翼相互作用来抵消每个旋翼产生的反桨矩。当飞行器的旋翼以相同速度旋转时，产生的升力大小相同，总的升力大于自重时做上升运动，等于自重时处于悬停状态，总的升力小于自重时做下降运动。当后方两个旋翼速度大于前方的速度时，飞行器前方飞行，反之则向后方飞行。同样地，左右运动原理与前后运动原理相同。这是四轴飞行器最基本的上下、前后和左右运动原理[1]。

2 系统硬件组成

系统采用Pixhawk飞控为控制核心，实现自动飞行监测和人工控制监测两种模式。四轴飞行器硬件平台主要包括：Pixhawk飞控、GPS模块、无刷电调、无刷电机、无线数传模块、无线遥控模块和监测模块[2]。硬件组成原理图1所示。

（1）主控制器。Pixhawk飞控是一款基于ARM芯片的32位开源飞控，可以合理规划好所有复杂的输入，根据参数进行实时调整。（2）遥控模块。系统遥控模块采用乐迪AT9遥控器及其接收机。乐迪AT9沿用AT10的数据回传技术，可将接收机集成信号强度和电压数据回传，支持外扩模块，如电池电压、转速、GPS，并采用DSSS直扩干扰技术，QPSK调制，有着良好的抗干扰效果，能够准确识别和提取信号，方便操控人员观察，保障飞行安全。（3）通信工具。3DR Radio无线数传是系统的一个数传模块作为连接飞行器与地面站的通信工具，其有几个特点：1）接受灵敏度为-118dBm；2）发射功率由100mW/500mW可选；3）可以矫正高达25%的数据位错误。（4）地面站。系统采用MissionPlanner作为地面站，可对飞控进行配置，调整参数以达到最优的性能。在地面站上设置航线，自动飞行航线任务将上传至飞控，在飞行器飞行过程中可以通过地面站监测其飞行状态，在到达监测点后下放传感器监测空气浓度，通过数传将数据传回到地面站。

3 系统设计

当四轴飞行器正常飞行时，如遇风力、电磁干扰等外力影响，在只有角度单环的控制下，飞行器无法很好的稳定飞行。因此，飞行器采用双闭环 PID 控制，当受外界干扰时，能迅速回复，有效避免外界因素造成的影响，增强了系统的鲁棒性。四轴飞行器双闭环 PID 控制如图2所示。

4 实验结果与分析

选取一处工厂进行实验，将监测系统搭载在四轴飞行器上，在一定的高度位置上采集二氧化硫浓度，数据通过无线数传发送回地面站上，将所测结果进行气流补偿，最终数据如表1所示。

根据表格数据可知当日该工厂不同高度下二氧化硫的分布情况，由于受到风向和四轴飞行器四个旋翼的气流影响，测量结果与实际数据存在一定的误差，我们对测量结果进行补偿拟合，最终将误差率控制在3%以内。

5 结语

基于对机械布局、控制原理、硬件控制方式的分析，对飞行轨迹控制方法进行改进，实验结果表明了所设计的四轴飞行器满足了稳定飞行和空气污染的垂直监测要求，能够按照线来完成巡航监测空气浓度。

参考文献

[1]刘杰.四轴飞行器研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2013.

[2]丛梦苑.基于线性二次调节器的四旋翼飞行器控制系统的设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[3]陈李文，马国军，张家栋.四轴飞行器无刷直流电机驱动技术研究[J].现代电子技术，2013，（16）：152-154.endprint