无人机机载嵌入式空气污染监测系统的研究与设计

摘要

环境污染特别是空气污染是全球面临的严峻挑战。为了获取空气污染物的分布规律及控制情况，人们已经研究了多种空气污染监测技术手段，大部分监测手段都是基于固定监测站进行监测的，这些监测手段不够灵活且监测点规划复杂。由于无人机具有可悬停、无人驾驶、体积小、噪声小、控制灵活方便等优点，利用无人机搭载空气污染检测设备能够快速找到污染源，灵活地完成监测任务。因此，为了实现对空气污染的快速定位与灵活监测，本文对无人机机载的嵌入式空气污染监测系统展开研究，这对中国的空气环境监测，特别是应急监测或突然检查有着重要意义。本文的研究内容主要包括两部分：监测系统和无人机机载平台。
　　监测系统包括机载监测端和地面显示端。机载监测端负责检测三种空气污染气体浓度、粉尘浓度及温湿度，并对监测区域进行定位，然后基于3G通信技术将检测数据和定位信息传送到地面显示端；地面显示端是利用Qt在PC机上实现的显示平台，运用Qt的多线程技术和QTCPSocket网络通信技术接收并存储监测端传回的数据，然后将这些数据以一定格式显示到Qt/GUI界面上，提供了友好的人机交互功能。在硬件设计方面，本文采用ARM9控制器S3C2440A控制各个传感器检测模块、AD转换模块、GPS定位模块以及3G网络通信模块。在软件设计方面，本文采用Linux系统管理各传感器检测软件、3G网络通信软件和GPS定位软件，并设计了显示端的数据接收、存储和显示软件，从而完成了整个监测系统的设计。
　　为了保证无人机能搭载监测系统并平稳飞行，本文研究了四旋翼无人机的工作原理和动力学模型，通过研究并对比PID控制算法和自抗扰控制算法在四旋翼无人机飞行控制中的控制效果，仿真结果表明在稳定性、快速性及抗风干扰能力方面，自抗扰控制算法要比PID控制算法更具优势，从而选定自抗扰算法为本文无人机机载平台的控制算法，进而研究了基于自抗扰控制器的机载平台飞行控制系统，使得机载平台能稳定飞行，快速调整姿态，保证机载平台能配合监测系统完成空气污染监测任务。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究目的及意义

1.4主要研究内容和组织结构

第2章 系统总体方案设计

2.1 系统功能概述

2.2 系统关键技术及解决问题

2.3 监测系统总体设计框架

2.4 监测系统硬件设计框架

2.5 监测系统软件设计框架

2.6 本章小结

第3章 监测系统硬件设计

3.1 S3C2440A最小系统

3.2 存储器接口电路

3.3 电源电路

3.4 信号检测电路

3.5 3G网络通信接口电路

3.6 GPS定位接口电路

3.7 本章小结

第4章 机载平台飞行控制系统研究

4.1 四旋翼无人机控制系统研究

4.2 基于PID控制器的无人机控制系统研究

4.3 基于自抗扰控制器的无人机控制系统研究

4.4 基于PID和自抗扰控制器的无人机抗风干扰性能比较

4.5 本章小结

第5章 监测系统软件及显示平台设计

5.1 操作系统平台搭建

5.2 信号检测软件设计

5.3 3G网络通信软件设计

5.4 GPS定位软件设计

5.5 数据显示平台设计

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果