蘇 峰 ，李中健 ，李 萍 ,雷志榮

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129；2.飛行器控制一體化國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710065）

近年來(lái)的我國(guó)的空氣質(zhì)量狀況不容樂(lè)觀，連續(xù)的霧霾天氣已經(jīng)為人們敲響了警鐘，建立一套有效的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)控制大氣污染至關(guān)重要。目前空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)多以覆蓋式設(shè)定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為主[1]，各子站接受中心站的控制與調(diào)試，利用子站的分析儀器直接測(cè)量本站空氣中的污染物，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行恼?。這種定點(diǎn)檢測(cè)方式往往也存在著很多的不足，如監(jiān)測(cè)站布點(diǎn)不盡合理，監(jiān)測(cè)指標(biāo)偏少，缺乏流動(dòng)觀測(cè)和立體觀測(cè)的技術(shù)手段。本方案就將子站的部分功能融合到飛行器中，實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)的監(jiān)測(cè)子站。四旋翼由4個(gè)螺旋槳驅(qū)動(dòng)，可操作性好，小巧便攜，飛行穩(wěn)定，且零污染，零排放，適于搭載大氣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)[2]。本系統(tǒng)就以檢測(cè)空氣中懸浮顆粒物濃度為例，設(shè)計(jì)了一整套的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了大量的系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證工作，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用Xaircraft X650四旋翼飛行器，搭載了空氣質(zhì)量檢測(cè)及飛行控制系統(tǒng)和一個(gè)安全保障裝置——手自動(dòng)切換模塊。該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，空氣質(zhì)量傳感器采用技術(shù)上相對(duì)成熟的模塊化的產(chǎn)品。飛控及空氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)以32位ARM內(nèi)核芯片為核心處理器，外擴(kuò)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集接口、SD卡存儲(chǔ)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、PWM波檢測(cè)接口、多通道串口通信接口構(gòu)成最基本的電路，輔以微型航向姿態(tài)參考系統(tǒng)（AHRS）、超聲波高度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器完成空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和飛行控制功能；基于FPGA的手自動(dòng)切換板能實(shí)時(shí)可靠地將飛行器從自動(dòng)飛行模式切換到手動(dòng)遙控模式；采用LabVIEW設(shè)計(jì)一套地面站軟件，通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)與飛行器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量及飛行器狀態(tài)監(jiān)測(cè)和任務(wù)設(shè)定功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要分為2個(gè)部分，即基于ARM的飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路和基于FPGA的手自動(dòng)切換電路。

2.1基于ARM的飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路

飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路主要完成四旋翼控制、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)信息的無(wú)線傳輸功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

空氣質(zhì)量傳感器種類較多，如GP2Y1010粉塵傳感器模塊（可測(cè)PM2.5/PM10）、TGS2201汽車尾氣傳感器模塊（可測(cè)CO、CO2、NO、NO2）或?qū)Ｓ玫臍怏w成分傳感器模塊，這些傳感器多將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓模擬信號(hào)，便于空氣數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)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(cè)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(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VE為主控芯片，其擁有足夠的內(nèi)存空間和外設(shè)接口，完全滿足設(shè)計(jì)要求。航向姿態(tài)參考系統(tǒng) (Attitude and Heading Reference System，AHRS)選用了自研設(shè)備，可通過(guò)串口為飛行器提供姿態(tài)、航向、高度、位置等信息。采用SensComp公司的615088傳感器進(jìn)行低空高度的測(cè)量。它具有兩種模式：觸發(fā)測(cè)距模式、5 Hz自動(dòng)測(cè)距模式。測(cè)量范圍：0.15～10.7 m，測(cè)量精度：0.1%。采用MaxStream公司的XStream-PKG數(shù)傳電臺(tái)，它采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)32 km。飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Flight control and air data acquisition circuit structure

如圖2所示，STM32單片機(jī)通過(guò)A/D口采集空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)串口讀取飛行器的姿態(tài)角、角速率、磁航向信息等，經(jīng)過(guò)內(nèi)部控制運(yùn)算輸出四路PWM電機(jī)控制信號(hào)，做四旋翼的姿態(tài)控制，實(shí)時(shí)將空氣及飛機(jī)狀態(tài)信息記錄在SD卡中并傳輸?shù)降孛嬲?。使用超聲波傳感器測(cè)定高度進(jìn)行低空高度控制，當(dāng)飛行器飛行至高空時(shí)轉(zhuǎn)用氣壓高度。輔以GPS全球定位系統(tǒng)將精確地位置及速度信息輸送給ARM單片機(jī)進(jìn)行定位控制。在設(shè)計(jì)完原理圖后，進(jìn)行了PCB板的設(shè)計(jì)并印制，經(jīng)調(diào)試該電路板（如圖3所示）實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。

圖3 飛行控制及空氣數(shù)據(jù)采集電路板Fig.3 Flight control and air data acquisition board

2.2基于FPGA的手自動(dòng)切換電路

該模塊獨(dú)立于飛控及大氣數(shù)據(jù)采集電路，用于四旋翼自動(dòng)控制模式和手動(dòng)遙控模式的切換，當(dāng)飛控電路板出現(xiàn)故障時(shí)，可以隨時(shí)切換到遙控模式，從而極大提高了系統(tǒng)的可靠性。

模塊采用ALTERA公司的CycloneII系列EP2C5T144C8N芯片，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)切換功能，相對(duì)于單片機(jī)更高的實(shí)時(shí)性，能夠在切換信號(hào)到來(lái)后幾微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換，并且全數(shù)字邏輯的實(shí)現(xiàn)也極大提高了可靠性。要實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換功能，僅需要一個(gè)最小系統(tǒng)即可。

以上就是本系統(tǒng)主要的兩部分硬件設(shè)計(jì)，遙控器與STM32F103及EP2C5芯片的信號(hào)是相互兼容的，它們之間的通訊不需要任何信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。STM32與數(shù)傳電臺(tái)通訊需要使用串口芯片（MAX232）將普通的CMOS電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)串口信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，以上兩部分硬件實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要分為3個(gè)部分：基于ARM的飛行控制及數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)，基于FPGA的信號(hào)切換軟件設(shè)計(jì)及基于LabVIEW的地面站監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

3.1基于ARM的飛行控制及數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 四旋翼飛行器測(cè)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(duì)電機(jī)和螺旋槳對(duì)稱分布組成其動(dòng)力裝置，每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，其所提供的升力也就越大，相應(yīng)地反扭力矩也就越大。本設(shè)計(jì)采用X型控制模式，即機(jī)頭指向1、2號(hào)機(jī)臂正前方，1、3號(hào)電機(jī)和 2、4號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反。在理想環(huán)境中，當(dāng)四旋翼懸停時(shí)，1、2、3、4號(hào)電機(jī)（如圖所示）轉(zhuǎn)速相同，四旋翼右滾/抬頭/右偏時(shí)，1、4/1、2/2、4號(hào)電機(jī)加速，2、3/3、4/1、3 號(hào)電機(jī)減速，由此構(gòu)成四旋翼的姿態(tài)控制。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了四旋翼的定點(diǎn)控制，即設(shè)定一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，四旋翼可以沿著一條直線飛到目標(biāo)點(diǎn)保持懸停，于是就必須要實(shí)現(xiàn)四旋翼的姿態(tài)控制（即內(nèi)環(huán)控制）與直線導(dǎo)航控制（即外環(huán)控制）。四旋翼的內(nèi)環(huán)控制采用了最為簡(jiǎn)易也最為實(shí)用的PID（增量式）控制算法，將四旋翼的控制分為滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航3個(gè)控制回路，忽略3個(gè)回路的相互耦合作用，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證該方法十分有效且極易實(shí)現(xiàn)。四旋翼高度控制也采用了PID控制算法[3]，其作為單獨(dú)的一個(gè)控制回路，將控制量同時(shí)施加在4個(gè)電機(jī)上，通過(guò)控制電機(jī)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(jiǎn)單的直線飛行即可完成設(shè)定的任務(wù)，可以認(rèn)為四旋翼的航跡小于50 km，即可近似將地球平面看做一個(gè)平面來(lái)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(gè)目標(biāo)航點(diǎn)，P2為當(dāng)前目標(biāo)航點(diǎn)，P為當(dāng)前四旋翼所在位置，L為航點(diǎn)間距，D為側(cè)偏距，側(cè)偏距方向的定義為，為P1點(diǎn)向P2點(diǎn)看去，當(dāng)前置位于右側(cè)為正，左側(cè)為負(fù)，則有如下計(jì)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(dāng)前位置P與目標(biāo)航點(diǎn)P2的距離；側(cè)偏速度Ve為無(wú)人機(jī)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(fù),其計(jì)算公式如下：

Ψe為航向角偏差，則設(shè)計(jì)飛行器的直線飛行控制率[5]為：

式中δ為在偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)通道上的控制輸出增量。

四旋翼的另一個(gè)重要功能是監(jiān)測(cè)控制質(zhì)量，這里以監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)用來(lái)感應(yīng)空氣中的塵埃粒子，其內(nèi)部對(duì)角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠他測(cè)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(guò)單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器采集粉塵傳感器輸出電壓，并經(jīng)過(guò)換算可以得到空氣中的粉塵濃度，本系統(tǒng)作為一種監(jiān)測(cè)手段，將傳感器的原始數(shù)據(jù)采回，便于分析與觀測(cè)。

3.1.2 基于ARM的測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該程序主要包含底層驅(qū)動(dòng)程序、控制運(yùn)算程序和基于定時(shí)器的任務(wù)管理程序。其中底層驅(qū)動(dòng)程序主要完成空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的接收，AHRS數(shù)據(jù)接收，高度數(shù)據(jù)接收，遙控器數(shù)據(jù)接收，電機(jī)控制，數(shù)傳電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽豢刂七\(yùn)算程序包含內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制程序，主要完成飛行控制功能；任務(wù)管理程序則基于定時(shí)器的定時(shí)器及中斷對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)管理。程序運(yùn)行原理如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)飛行器與地面站可靠的通訊，設(shè)計(jì)了如表1所示固定格式的數(shù)據(jù)包，保證了無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

圖5 基于ARM的測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Fig.5 The design of control system software based on ARM

表1 數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Packet format

3.2基于FPGA的Verilog程序設(shè)計(jì)

本程序主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是要對(duì)切換信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷的檢測(cè)[6]，當(dāng)切換信號(hào)到來(lái)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)將電機(jī)控制信號(hào)切換到遙控信號(hào)上去，二是要對(duì)遙控器的信號(hào)進(jìn)行混合運(yùn)算，即將遙控器的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航及油門控制信號(hào)映射到四個(gè)電機(jī)上去，實(shí)現(xiàn)四旋翼的遙控控制。

如圖6所示為使用ModelSim軟件對(duì)以上Verilog代碼進(jìn)行的仿真，由圖可以看出，當(dāng)切換信號(hào)到來(lái)后,在下一個(gè)時(shí)鐘周期上升沿turn信號(hào)由低電平跳變到高電平，實(shí)現(xiàn)了切換信號(hào)的檢測(cè)，從而對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行切換。

圖6 ModelSim仿真圖Fig.6 ModelSim simulation diagram

3.3 基于LabVIEW的地面站監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

地面站軟件主要實(shí)現(xiàn)飛行器參數(shù)調(diào)試，任務(wù)指令發(fā)送，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收顯示和地圖顯示等功能。如圖7所示為采用G語(yǔ)言（圖形化語(yǔ)言）編寫(xiě)的地圖顯示程序[7]。

程序采用順序結(jié)構(gòu)，首先對(duì)軟件進(jìn)行初始配置，如調(diào)入地圖圖片，設(shè)定接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑，設(shè)定圖片像素點(diǎn)與GPS點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系等，其次執(zhí)行一個(gè)while循環(huán)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前飛行器狀態(tài)及空氣質(zhì)量狀況，同時(shí)還可以對(duì)四旋翼進(jìn)行參數(shù)配置，用于調(diào)節(jié)PID參數(shù)和上傳多個(gè)任務(wù)航點(diǎn)等。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

系統(tǒng)采用了模塊化的傳感器成品監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，其監(jiān)測(cè)誤差多分布于傳感器本身，采用12位AD轉(zhuǎn)換器所造成的誤差并不大。以檢測(cè)粉塵顆粒物為例，為檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度，表2記錄了在同一地點(diǎn)相同時(shí)刻本系統(tǒng)與PC-3A粉塵儀檢測(cè)到的粉塵數(shù)據(jù)（PM2.5），并進(jìn)行了對(duì)比，經(jīng)反復(fù)測(cè)試表明，本系統(tǒng)的測(cè)量相對(duì)誤差基本可控制在20%以內(nèi)，符合測(cè)量要求。

圖7 地圖顯示程序Fig.7 Map display program

表2 傳感器采樣測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.2 Contrast sensor sampling test results

經(jīng)過(guò)多次PID參數(shù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了四旋翼的姿態(tài)及航線控制。如圖8所示為地面監(jiān)測(cè)站的地圖及空氣數(shù)據(jù)波形顯示界面，圖中曲線為四旋翼飛行航跡，圖中波形為設(shè)定航跡起點(diǎn)處定高為7 m處的粉塵濃度數(shù)據(jù)（可更換不同類型的傳感器以檢測(cè)不同空氣成分），人為增加空氣中顆粒物濃度后可明顯觀測(cè)到兩個(gè)波峰。與此同時(shí)，系統(tǒng)將采集的大氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄到SD卡中，可便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖8 地面站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示Fig.8 Ground station monitoring data show

5 結(jié)論

本系統(tǒng)充分利用了四旋翼飛行器穩(wěn)定性好、可垂直起降、操作方便等特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)與空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)巧妙地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了全自主、高機(jī)動(dòng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)良好完成了設(shè)定功能，可做為一種更加靈活的空氣數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)手段輔助監(jiān)測(cè)人員監(jiān)測(cè)不同的空氣數(shù)據(jù)。

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