劉祥　林維昌

【摘 要】針對目前在人員難以進入?yún)^(qū)域的環(huán)境實時監(jiān)測與信息采集，設(shè)計了一種可以投放傳感節(jié)點的無人機系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由無人機與地面站兩大分系統(tǒng)構(gòu)成，通過ZigBee與無線串口的信息互聯(lián)方式來進行實時數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測上傳。在整體系統(tǒng)中無人機擔任定點投擲平臺、空中信息采集平臺與數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)平臺；地面站系統(tǒng)負責人機交互，交互信息包括傳感信息、地圖信息、視頻信息與控制信號。此外，無人機可搭載攝像頭與GPS模塊分別進行視頻信號的上傳與衛(wèi)星地圖的測定顯示。在整體系統(tǒng)搭建完成后，通過對整體系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，此系統(tǒng)可基本達到設(shè)計要求，實現(xiàn)一機多用。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境監(jiān)測；旋翼無人機；ZigBee；地面站

【Abstract】In order to make the environmental real-time monitoring and information collection in hard-to-reach locations. A new UAV （Unmanned aerial vehicle）system is designed， which can put the sensing nodes in the area. This system consists of the UAV and the ground station， which make the real-time acquisition and monitoring upload through the ZigBee and wireless serial interconnected. The UAV play a role in fixed-point throwing platform， air data collection platform and data transfer platform in the whole system. The ground station system is responsible for human-computer interaction， and the interactive information includes transducer information， maps information， video information and control signal. In addition， the UAV can carry camera for video upload and GPS module for map show. After the overall system completed and tested， this system can meet the desired requirement， and achieved the multi-usage.

【Key words】Environmental monitoring； Rotor unmanned aerial vehicle； ZigBee； Ground station

0 引言

隨著近些年來一系列環(huán)境災害與環(huán)境事故頻發(fā)，環(huán)境保護被日益重視，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究越來越引起國內(nèi)外政府學者的重視。近些年來，無人機已成功用于水環(huán)境監(jiān)測，空氣質(zhì)量監(jiān)測、有害物質(zhì)泄漏監(jiān)測等?？v觀環(huán)境監(jiān)測無人機的研究，環(huán)境監(jiān)測無人機除了進行遙感操作外，還應(yīng)加強對地面環(huán)境信息的直接采集。通過對地投放傳感器節(jié)點，或利用已在地面部署好的傳感器節(jié)點進行信息獲取，構(gòu)成天地一體的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。這就要求無人機系統(tǒng)應(yīng)具有傳感器節(jié)點的投放和定位能力，以及良好的組網(wǎng)通信能力。同時還應(yīng)提高無人機的飛行效率，爭取做到一機多用。

本文闡述了一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機系統(tǒng)，無人機將監(jiān)測節(jié)點空投至需要監(jiān)測的區(qū)域，并和所布置的節(jié)點通信，在人員難以進入的地區(qū)實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)的快速部署，無人機在完成上述任務(wù)的同時還可以利用自身攜帶的傳感器和攝像頭對沿途區(qū)域進行環(huán)境信息采集，為環(huán)境動態(tài)監(jiān)測提供更多的信息獲取途徑。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本文所提出的多功能環(huán)境監(jiān)測無人機系統(tǒng)在整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示。無人機通過自主飛行飛至監(jiān)測目標區(qū)域，進行遙感信息采集等常規(guī)操作，還可以投下傳感器節(jié)點。所投放的傳感器節(jié)點自身不帶定位裝置，而是通過無人機對所部署的傳感器節(jié)點進行定位，地面站負責對無人機下達各種任務(wù)，跟蹤監(jiān)視無人機的動作情況，獲得各種信息參數(shù)。傳感器節(jié)點部署完成后，可組成無線傳感網(wǎng)（WSN），與無人機一起構(gòu)成天地一體的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由無人機和地面站構(gòu)成。無人機采用多軸旋翼結(jié)構(gòu)作為飛行平臺，利用GPS導航及慣性元件為無人機提供飛行姿態(tài)參數(shù)，在導航系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了INS/GPS組合導航方式，使用卡爾曼濾波器對低速率的GPS導航解與高速率INS系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進行組合處理，對INS系統(tǒng)的誤差做出估計并校正后給出組合導航參數(shù)。搭載了視頻采集與無線視頻傳輸模塊，可實現(xiàn)針對目標區(qū)域的圖像遙感操作，無人機上設(shè)有投放裝置可以完成監(jiān)測節(jié)點的投放，監(jiān)測節(jié)點采用ZigBee協(xié)議通信，并能和無人機上的Master節(jié)點通信。地面站系統(tǒng)應(yīng)用程序采用C#語言編程，通過數(shù)傳電臺地面站可以同無人機進行雙向通信，及時獲取相關(guān)信息并向無人機發(fā)布命令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無人機飛行結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前的多軸旋翼無人機主要有四軸和六軸的機架結(jié)構(gòu)。四軸飛行器作為一種欠驅(qū)動系統(tǒng)，控制方式獨特、復雜。六軸飛行器作為一個完全驅(qū)動系統(tǒng)，其控制穩(wěn)定性較四軸飛行器要高且對于動力系統(tǒng)失效的容忍程度也會上升，六軸旋翼無人機能夠在單發(fā)甚至雙發(fā)失效的狀況下仍然可控。本設(shè)計采用六旋翼無人機作為系統(tǒng)的飛行平臺。

2.2 無人機的航電系統(tǒng)設(shè)計

圖3給出了無人機的航電系統(tǒng)構(gòu)成。微控制器單元（MCU）選用微控制器STM32F405RG，負責完成運算和控制，慣性導航器件用來采集無人機的飛行姿態(tài)。衛(wèi)星定位模塊采用u-blox公司的NEO-6M模塊，慣性導航器件包括三軸陀螺儀MAX21000和三軸加速度計LSM303D，同時選用高分辨率氣壓傳感器MS5611作為高度計，這些模塊一起為無人機提供自身定位和飛行姿態(tài)信息。伺服系統(tǒng)負責驅(qū)動無人機運行，其中無刷電機選取4008KV400電機，無刷電調(diào)選取30A旋翼專用電調(diào)。投放裝置完成環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的投放。無人機上的攝像頭采集實時圖像通過無線視頻傳輸設(shè)備送地面站使用，地面站通過數(shù)傳電臺可以和無人機進行雙向無線通信。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點和定位裝置采用支持ZigBee協(xié)議的CC2530芯片構(gòu)成。

2.3 節(jié)點投放裝置

投放裝置如圖4所示，固定銷可在支架內(nèi)做平行移動，通過舵機帶動連桿機構(gòu)完成固定銷的打開和閉鎖。簡單且可靠性高。通過給予舵機一路脈寬調(diào)制波形（PWM）的不同數(shù)值來實現(xiàn)舵機不同的打角度數(shù)，帶動機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)節(jié)點連接件的釋放，通過節(jié)點自身重力，下沉到目標地面地點，完成投放。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 無人機飛行控制軟件設(shè)計

1.無人機的控制系統(tǒng)主要分為兩個回路：位置控制回路和姿態(tài)控制回路。姿態(tài)控制回路使無人機按照設(shè)定姿態(tài)飛行，未知控制回路使無人機能夠向指定目標飛行。系統(tǒng)采用經(jīng)典的PID控制算法實現(xiàn)兩個回路的控制。

2.由于慣性導航系統(tǒng)（INS）提供的參數(shù)比其他的導航方式要齊備，但容易隨時間積累而產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GPS）的精度高，然而容易受環(huán)境的影響。無人機導航采用GPS/INS組合導航，該組合具有很強的互補性，GPS能夠消除INS的積累誤差，INS能夠在GPS信號失鎖時提供短時精確的定位。GPS/INS組合導航系統(tǒng)以數(shù)據(jù)融合理論作為基礎(chǔ)，以卡爾曼濾波作為主要融合方法，對進入組合系統(tǒng)的GPS定位數(shù)據(jù)與INS定位數(shù)據(jù)分別進行估計、修正、融合，來解決GPS信號失鎖引起的無法定位問題和INS積累誤差引起的長時間漂移問題。

3.超聲避障是利用機載超聲波探測，來實現(xiàn)對旋翼無人機飛行隱患安全的提前判除與實時糾正，使得旋翼無人機生存力大大提高。系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的不確定性，增加超聲波障礙判斷來對飛行航跡上的危險體避除。在一定的情況下，應(yīng)以系統(tǒng)安全為主，因此超聲波判定優(yōu)先級大于導航優(yōu)先級。

3.2 節(jié)點定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

對所投放節(jié)點的定位問題可以看成單移動錨節(jié)點的節(jié)點定位問題，目前的定位算法大致分為無需測距算法和基于測距算法兩類，其中基于接收信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）的定位方法就是一種基于測距的定位方法，該方法無需額外硬件，成本低，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法中被廣泛使用。本系統(tǒng)使用ZigBee協(xié)議在進行投放節(jié)點之間的數(shù)據(jù)采集傳輸與機載master主節(jié)點之間進行協(xié)議通訊，支持ZigBee協(xié)議的CC2530芯片本身能夠提供RSSI數(shù)據(jù)，無人機能夠?qū)崟r獲得各傳感器節(jié)點的RSSI數(shù)值，然后再通過優(yōu)化算法來尋找未知節(jié)點的坐標估計值使得定位誤差最小，完成對所投放節(jié)點坐標的定位。

3.3 地面站系統(tǒng)軟件設(shè)計

地面站系統(tǒng)應(yīng)用程序采用c#編程，分為三個模塊：通信模塊、電子地圖模塊和視頻顯示模塊。通信模塊負責地面站與無人機的數(shù)據(jù)交互通信，無線通信范圍可達數(shù)公里，當無線聯(lián)絡(luò)失效時，無人機能夠自動返航，飛回的起飛位置；電子地圖模塊負責航跡在電子地圖上的顯示，采用百度地圖所提供的API來實現(xiàn)電子地圖功能；視頻顯示模塊負責將無線視頻接收模塊接收回的視頻信號顯示在相應(yīng)的視圖窗口中。

4 結(jié)語

由于無人機具有成本相對較低、無人員傷亡風險、生存能力強、機動性能好、使用方便等優(yōu)勢，使得無人機在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但在現(xiàn)階段市場還處于尚未形成規(guī)模的初級階段。本設(shè)計提出的多功能環(huán)境監(jiān)控無人機系統(tǒng)將豐富目前的環(huán)境應(yīng)急監(jiān)控管理手段，為快速準確獲取事件現(xiàn)場各類環(huán)境信息提供有力支撐，具有廣闊的市場和良好的應(yīng)用前景。

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[責任編輯：楊玉潔]