趙博，萬毅豪，何林潘，鄧力，梁友陳，趙遠

（成都信息工程大學電子工程學院，四川 成都 610000）

本設備是基于麥克納母輪的一套自控制氣象要素探測設備。它能實時檢測未知環(huán)境中的溫濕度、氣壓、有毒氣體濃度等基本氣象要素，通過服務器將采集的各項數(shù)據(jù)上傳到后端進行處理分析。將氣象傳感器引入移動系統(tǒng)中，使可移動探測系統(tǒng)在無人控制狀態(tài)按照指令進行探測所在環(huán)境各種氣象要素的任務，加上可移動探測設備本身具有的移動特性和靈活性，可以在一些惡劣的或未知的環(huán)境中進行作業(yè)，減少不必要的人身傷害。

1 技術(shù)原理

1.1 位置式PID控制器

比例積分微分控制器（PID）是最早發(fā)展起來的自控制策略之一。由于其算法簡單、魯棒性較好、可靠性高，因此，廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

式中，Kp是比例系數(shù)；e(k)是本次誤差值；e(k-1)是上次誤差值；是累計誤差；Ti是積分系數(shù)；Td是微分系數(shù)；u(k)是控制器輸出值。

1.2 增量式PID控制器

該控制器是將上一次輸出值累加到本次輸出值上，得到新的輸出值。該控制器有較大的反應速度，但是，控制精準度相比位置式PID較為欠缺。

1.3 加權(quán)滑動濾波

本文主要在電機穩(wěn)定性中采用了加權(quán)滑動濾波對電機輸入方波占空比進行濾波，從而防止輸入突變。

2 系統(tǒng)方案設計

本設備主要分為探測模塊、通信模塊、電機模塊、視覺模塊以及驅(qū)動模塊（圖1）。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 主控芯片

本設備采用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6作為主控芯片，主控芯片常用于各種高性能嵌入式存儲器、醫(yī)療器械、工業(yè)應用等領(lǐng)域中。

2.2 各類傳感器

（1）圖像處理模塊。通過裝在可移動云臺上的攝像頭，實現(xiàn)全方位圖像采集數(shù)據(jù)并解算信息。

（2）GPS/北斗定位模塊。通過配合GPS和北斗的雙模定位模塊獲得移動設備實時位置數(shù)據(jù)。

（3）GPS/北斗定位模塊。通過內(nèi)部高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的3個軸的角運動檢測裝置得到航向角、俯仰角以及橫滾角。

（4）氣象要素探測模塊。通過氣象要素探測模塊采集空氣中主要氣體濃度以及溫濕度。

（5）通信模塊。通過LoRa技術(shù)接收移動設備傳遞的數(shù)據(jù)包并通過4G通信傳遞給服務器。目前，LoRa通信以自適應組網(wǎng)和較好的性能優(yōu)勢已廣泛應用在智慧城市、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

2.3 電源驅(qū)動以及電機驅(qū)動方案

通過低壓降線性穩(wěn)壓電路對移動探測設備上的所有模塊供電，并采用電機驅(qū)動雙通道驅(qū)動芯片對電機進行驅(qū)動。

2.4 麥克納母輪

麥克納姆輪是一種可全方位移動的全向輪，由輪轂和圍繞輪轂的輥子組成。麥輪輥子軸線和輪轂軸線夾角成45°。由4個這種輪加以組合，可以使機構(gòu)實現(xiàn)全方位移動功能。

2.5 自控制算法

通過將超聲波模塊、攝像頭模塊、姿態(tài)檢測模塊數(shù)據(jù)進行融合并計算得到電機理論速度然后進行控制。

3 軟硬件設計（圖2）

圖2 主控板部分原理圖

4 設備測試

筆者將設備放在測試場地，并以10m為一個采樣點采集數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)。服務器端生成帶有各項所需氣象要素信息的數(shù)據(jù)地圖，并將數(shù)據(jù)以TXT后綴文件形式保存作為日志文件（圖3）。

圖3 空間氣象要素坐標圖

5 結(jié)語

針對移動設備需要在復雜未知環(huán)境中完成任務，本設備是一套融合了自控制算法、圖像處理、基于超聲波的周圍環(huán)境地圖建立、麥克納母輪的運動解算等多種技術(shù)的移動設備。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及LoRa通信技術(shù)，實現(xiàn)了完全意義上的自動化、智能化、穩(wěn)定化。解決了在未知復雜環(huán)境進行氣象信息采集過程中實現(xiàn)無人控制的難題。