基于四旋翼飞行器的大气环境监测系统研究与设计

摘要

近年来，频频发生的空气污染事件，给人们的生活造成严重影响，大气环境治理刻不容缓，然而实时准确的监测环境空气污染状况对于大气污染的防治至关重要。当前常见的大气环境监测方式多采用固定式或便携式的监测设备，固定式的通常用于安装在监测站等指定地点，这种方式由于存在监测范围小、监测点分布少等缺陷，往往很难真实的反应区域内的大气污染物分布情况；而便携式的则需要依靠人员携带进行监测，当遇到复杂危险环境时存在很大困难。 针对上述问题，本文设计一种基于四旋翼飞行器的大气环境监测系统，系统通过四旋翼飞行器搭载空气质量数据采集模块对大气环境中主要污染物进行检测，采用无线传输方式将采集的污染物数据实时传输至地面监控终端进行显示和处理，作为一种流动、立体化监测手段，可用于对高空、复杂危险环境下的空气污染状况进行监测。本文主要工作如下： 首先对四旋翼飞行器平台进行设计，分析了其组成结构以及工作原理，根据四旋翼的运动特性和力学分析，采用牛顿-欧拉定理建立了四旋翼动力学模型；设计了以STM32F407为控制核心的飞行控制系统，主要包括主控制器、姿态测量传感器、无线数传等各模块的选型和硬件电路设计；软件实现方面，分析了各传感器数据采集程序设计流程，基于四元数及互补滤波算法对飞行器进行姿态解算，采用串级PID控制算法实现姿态稳定控制，最终完成四旋翼飞行器平台的搭建与调试。其次，针对PM2.5、PM10、CO等主要大气污染物参数的检测，设计了机载空气质量数据采集系统，完成系统硬件设计及数据采集任务。然后采用C#语言开发了一套地面监控终端软件，对软件各功能模块包括监控终端界面、数据通信模块以及数据存储模块等进行了设计。 最后对各模块进行系统化集成，将机载空气质量数据采集模块搭载在四旋翼飞行器平台，联合地面监控终端进行实验测试，测试结果表明，所设计的系统飞行稳定，采集的空气质量数据准确可靠，能够实现对大气环境的空地一体化监测，验证了系统的可行性。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 系统总体方案设计及相关理论分析

2.1 监测系统总体方案设计

2.2 四旋翼飞行器结构和原理

2.3 四旋翼飞行器数学模型分析

2.4 本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1 四旋翼飞行器硬件设计

3.2 空气质量数据采集系统硬件设计

3.3 本章小结

第4章 四旋翼机载系统软件设计

4.1 四旋翼飞行控制系统软件设计

4.2 空气质量数据采集系统软件设计

4.3 本章小结

第5章 地面监控终端设计

5.1 监控界面设计

5.2 数据通信模块设计

5.3 数据存储模块设计

5.4 本章小结

第6章 系统调试与实现

6.1 四旋翼飞行器调试

6.2 空气质量数据采集系统调试

6.3 监测系统功能实现

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目和研究成果

致谢

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