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基于四轴飞行器的空气污染应急监测系统

文档作者：王琦翔柳嘉敏全立地文档来源：湖州师范学院		点击数：	更新时间： 2025年05月11日
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上一篇：肼燃料污染自动报警系统研究

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应用研究数字技术
与应用
65
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
收稿日期:2017-06-16
作者简介:王琦翔(1995 —),男,浙江温州人,湖州师范学院本科在读,研究方向:自动化。
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
(湖州师范学院,浙江湖州 313000)
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、加速度计作为飞行器姿态信
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
Pixhawk飞控
无刷电调无刷电机
无刷电调无刷电机
无刷电调无刷电机
无刷电调无刷电机
遥控接收机
GPS模块
无线数传
遥控器
地面站
空气监测器
高度
组别
5m 10m 15m 20m
1 15.381 17.265 20.883 25.162
2 15.127 16.995 21.071 24.988
3 14.997 17.831 21.013 25.243
4 15.458 17.130 20.996 25.135
5 15.239 16.997 21.127 25.012
图1 硬件组成原理图
图2 双闭环PID控制流程图
表1 监测二氧化硫结果(单位μg/m3 )
······下转第67页
万方数据
应用研究数字技术
与应用
67
相关的索引,包括社会情境下的主题和规则、媒介情境下的工具和
功能、任务情境的下目标和意义等,实现对位置、关系、事件场景的
感知和理解。
交互可供用I表示,m为可供状态数量。其中每一个行为集由若
干可供性支撑, 形式描述为I = { I a 1, I a 2……I a m } , 属性实例a =
{physics,body,environment,social}。交互可供域用D表示,其形式
描述为D={Da1,Da2……Dam}。交互可供根据用户场景的界定,从而
更好的沟通设计意图与用户认知解释,进而在利用交互可供进行人
机交互设计时,提高多层次的信息进行索引,即基于物理特征、动作
对象等自然行为高层交互可供语义。
交互空间用P表示,j为交互空间数量。每一个交互空间下包含
任务对象,交互协议,交互界面的子集,其形式描述为P={ Po 1 ,
Po2……Poj},属性实例o={task,protocol, interface}。在情境感
知下形成不同的服务调用模式用S表示,其形式描述为S={So1,
So2……Soj}。交互空间主要针对物理空间向信息空间建立对应的
关系,形成感官刺激上或行为干预上可操作的物理属性,减轻用户
的认知负担。
3 结语
为了进一步探索CPS下人机交互设计中人-机-物的关系问
题,本文基于社交网络分析法,提出基于位置-事件-关系的CPS
下场景融合交互事件模型法,构建了CPS系统多层次的信息物理
对偶模型,探讨了CPS中接口层级下交互可供性视角下的人与物
体间线索的构建。
参考文献
[1]Carlos Andre,Reis Pinheiro,漆晨曦,等译.社交网络分析及案例
详解[M].北京:人民邮电出版社,2013:4-6.
[2]Jacob R J K, Girouard A, Hirshfield L M, et al. Reality-based
interaction[C]// Proceeding of the Twenty-Sixth CHI Conference.
2008:201.
CPS Interactive Event Model Based on Social Network Analysis
Zhou Qian1,Gan Wei2
(1.Guangdong Productivity Promotion Center, Guangzhou Guangdong 510070;2.School of Art and Design, Guangdong University
of Technology, Guangzhou Guangdong 510090)
Abstract:This article is based on social network analysis method to construct a kind of scenario fusion CPS interaction model based on location,
relationship, events. This model combined user perception and situational information to nested interactive events. This model achieved the following
functions: scene perception and the understanding of the context information to users.
Key Words:CPS;location-relationship-event;event model;RBI
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。
PID控制算法采用位置式数字PID控制:
( ) ( ) ( ) ( )
＝ ＋  ＋
t
p i d dt
u t k e t k e t dt k de t
0
其中u(t)为PID输出值, e(t)为期望值与实际值之差, ( ) 
t
e t dt
0
为积分量。
( )
dt
de t
为微分量, kp、i k 、d k 为比例、积分、微分系数。
再将积分量、微分量离散化得到PID计算公式:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
T
u t k e t k e j T k e t e t d
t
p i j
1
0
－ －
＝ ＋ Σ ＋ ＝
其中T为更新时间。
角度环PID计算公式:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Σ＝
－ －
＝ ＋ ＋
t
j
p i d T
AngelPIDout t k e t k e j T k e t e t
0
1
角速度环 PID 计算公式:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Σ＝
－ －
＝ ＋ ＋
t
j
p i d T
AngelPIDout t k e t k e j T k e t e t
0
' '
' ' ' ' ' 1
其中AngelPIDout(t)为角度环PID输出, AngelPIDout(t) 为
角速度环PID输出,e(t) ＝期望角度－实际角度,e'(t) ＝ AngelPIDout(t)
－实际角速度。
PID 输出值经过限幅处理后,再输出给油门,防止输出油门值
过大。
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.
······上接第65页

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