國威

近年來，國內的經濟水平和生產制造能力迅速提高。隨之而來的廢物排放問題不得不讓人們警惕。對環(huán)境進行實時測量評估是防止環(huán)境污染的關鍵，也是環(huán)境污染治理的前提，但是國內對于環(huán)境監(jiān)測的技術手段還不完善。目前主要使用地面觀測站和環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星2種方式進行環(huán)境監(jiān)測，對于很多特殊情況的環(huán)境監(jiān)測，這2種方式并不能很好地完成測量任務。地面觀測站是固定式測量，測量范圍有限，環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星也因為成本問題很難做到大規(guī)模普及，將四旋翼飛行器用于環(huán)境監(jiān)測可很好地解決這些問題。

基于四旋翼飛行器的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)旨在解決現有環(huán)境監(jiān)測方法的不足。它可完成對指定地點的環(huán)境參數測量，并且將測量的參數通過無線數據傳輸模塊發(fā)送至計算機，顯示在上位機軟件上，數據實時性更強。另外，在面對突發(fā)的有害物質泄漏時，有更強的應用性，對于當前國內的環(huán)境情況，該系統(tǒng)有很大的應用前景。

背景分析

氣態(tài)和顆粒狀的污染物是造成空氣惡化的元兇，氣態(tài)污染物包括：部分碳氧化合物、氮氧化合物、硫氧化物以及VOC氣體等。其中，VOC是一類有害氣體的通用名稱，如烷烴、乙炔等。顆粒主要分為2種類型：可吸入顆粒PM10是粒徑小于10μm的細顆粒，PM2.5是直徑小于2.5μm的細顆粒，PM2.5的直徑小、質量輕，與PM10相比更容易傳播，可對人體健康構成嚴重威脅。環(huán)境中的空氣溫濕度也是氣象觀測中的重要參數，同時為了精確測量置我們還需要對四旋翼飛行器的高度位置和GPS數據進行測量。

方案設計

系統(tǒng)方案分四旋翼飛行器環(huán)境監(jiān)測部分和地面站接收部分。四旋翼飛行器環(huán)境監(jiān)測部分由環(huán)境測量傳感器、高度傳感器、GPS模塊、單片機、無線通信模塊和地面站遙控器接收機等組成，各個傳感器、無線通信模塊、GPS模塊依照通信接口協(xié)議與單片機連接，地面站遙控器接收機與單片機輸入輸出捕獲I/O口相連。地面站接收部分由無線通信模塊、串口模塊、計算機平臺和上位機軟件組成，無線通信模塊與串口模塊連接后接入計算機平臺，數據通過計算機端口傳給上位機軟件。系統(tǒng)結構如圖1所示。

無線串口數據的接收

四旋翼飛行器回傳的環(huán)境參數數據經由無線接收模塊和CP2102模塊到達計算機串口。C#為程序員提供了簡單極易操作的串口API，用戶只需要設計串口編號和通信波特率即可進行通信。上位機軟件需要讀取計算機串口數據并解析出測量參數才能進行顯示。由于地面站開機時間可能晚于四旋翼飛行器并且空中無線數據可能丟失，會造成地面站接收不到在一次數據傳輸中的所有數據，所以需要進行數據編碼校驗，以保證接收到正確數據、拋棄丟失數據。最好的解決方案就是在四旋翼飛行器的每一次數據中加入幀頭、幀尾和奇偶校驗，這樣可以大大降低數值讀取出錯概率。本文中用到的通信格式如表1和表2所示。

表格中的數據標號為一次數據的類型，也是一次數據中的幀頭，例如溫度數據為0x6A、濕度數據為0x7A等。數據的第2～5幀為數據值，數據值不一定全部用到，未用的數據位為0x00，幀尾數據值統(tǒng)一為0x30，用來降低誤碼率。數值校驗位為前6幀數據相加除以256的余數，和幀尾作用相同。按照上述方法進行通信在實際工作過程中基本沒有發(fā)現顯示錯碼的情況。在串口數據發(fā)送中，由于單片機每次只能發(fā)送一字節(jié)數據，即字符型數據，所以在發(fā)送小數的時候就會出現問題。本設計中由于GPS精度為小數點后5位所以將經緯度的整數部分作為一幀數據、小數后兩位作為一幀數據、小數第3～4位作為一幀，第5位單獨作為一幀數據發(fā)送。在上位機軟件中再對小數進行還原顯示。

四旋翼飛行器的姿態(tài)解算

四旋翼飛行器姿態(tài)解算是飛行器進行穩(wěn)定飛行的前提，為飛行控制提供當前狀態(tài)。目前對于姿態(tài)測量中的坐標系旋轉問題常使用歐拉法和四元數法。歐拉法是一種極為便捷的坐標系旋轉方法，但是測量旋轉速度的陀螺儀在進行速度測量的時候會出現萬向節(jié)死鎖的問題。經過實驗驗證使用歐拉法進行姿態(tài)角計算的時候俯仰角和翻滾角會出現10°左右的死角，雖然在四旋翼飛行器的實際飛行中基本不會出現70°以上的仰角，但是不利于突發(fā)情況的飛行控制。四元數坐標旋轉完美地解決了歐拉法萬向節(jié)死鎖的問題，使姿態(tài)測量更加連貫，十分適合應用于四旋翼飛行器的姿態(tài)解算。

在各種姿態(tài)測量任務中主要使用卡爾曼濾波算法和互補濾波算法。由于飛行器的姿態(tài)三軸測量參數過多，并且卡爾曼濾波器的數學原理很難理解，同時在低速運動測試中二者數據差別并不是很大，所以這里使用簡單易懂的互補濾波算法。

下面將對本設計中使用的姿態(tài)解算算法進行詳細的推導解釋。四元數是一種超復數，在現代慣性導航系統(tǒng)中常用來表示坐標或點的旋轉，四元數的格式如下：

建立常量與常微分量的關系，由于角速度與角度關系為一階微分，所以這里我們僅使用一階龍格庫塔公式：

四旋翼飛行器的控制

四旋翼飛行器有4個控制目標：航向角（偏航）、側傾角（翻滾）、俯仰角和飛行高度。傳統(tǒng)的位置式PID也可以對四旋翼飛行器進行姿態(tài)控制，但是對于快速飛行的控制并不是很穩(wěn)定。位置式PID的微分項雖然對突變情況有著很好的控制效果，但也會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，例如飛行過程中出現抖動等，這對于監(jiān)測惡劣的環(huán)境十分不利。在位置PID的基礎上將，串級PID加入了速度控制，以角度控制為外環(huán)并且作為內環(huán)的輸入期望值，以角速度環(huán)為串級PID的內環(huán)并且作為PID的輸出值，即為控制電機的輸出高電平脈寬。以下為位置式PID和串級PID的公式和計算機離散化公式。

四旋翼飛行器定位監(jiān)測

在地圖學中，地球通常被視為一個球體，由地心坐標系映射。地心坐標系是以地球橢球質心為基準的，軸與第一子午面和赤道相交，軸為地球自轉軸，軸由右手坐標系決定。在地心坐標中使用經度、緯度和地面高度來描述地球上的某一位置。國家規(guī)定在國內出版的電子地圖必須最低使用GCJ-02加密算法對地圖經緯坐標進行加密，以保護我國國家領土安。GCJ-02是由國家測繪局研發(fā)的一種地理位置不可逆的非線性加密算法。目前雖然已有對GCJ-02的近似還原算法，但都是有誤差的還原，很多國內的電子地圖供應商會在GCJ-02的基礎上進一步對地圖進行加密，如百度地圖的BD-09坐標和搜狗地圖的搜狗坐標等，供應商會提供坐標轉換接口，但是不會公開算法。

由GPS系統(tǒng)測量的坐標參數由WGS-84坐標標定。WGS-84的坐標系以地球質心為原點，地極方向作為軸，軸指向國際時間局規(guī)定的主子午線與赤道的交點，坐標系為右手坐標系，從而確定軸。WGS-84是一個專門為GPS定位建立的統(tǒng)一坐標系，開發(fā)者將GPS坐標在地圖上標定時，需要把WGS-84坐標轉換為使用地圖的坐標才可以得到精確的地圖位置。本設計中使用的GMap.NET地圖控件直接采用WGS-84坐標系，所以不需要進行坐標轉換，可以直接將GPS數據應用于地圖控件中。

本文以四旋翼飛行器為載體平臺，利用了傳感器技術進行各種環(huán)境參數的測量，采用了無線通信的方式，傳輸至C#上位機軟件。通過遠程遙控四旋翼飛機飛行來執(zhí)行各個位置的遠程環(huán)境參數測量任務。本文設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方法不可移動和高成本的缺點，十分適合應用于突發(fā)環(huán)境污染的即時有效測量，大大減少了監(jiān)測人員的安全問題。