無(wú)人飛行器自主氣體探測(cè)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)特征

馮 樂(lè)，陳志娟

(天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司 天津 300384)

0 引 言

汽車排放的主要污染物是碳和氮的氧化物，這些數(shù)據(jù)借助半導(dǎo)體氣體傳感器很容易檢測(cè)到，現(xiàn)有系統(tǒng)利用 GPS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遙感。采用裝備了嵌入式系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)或移動(dòng)機(jī)器人可以收集比人工操作更密集、分辨率更高、更準(zhǔn)確的環(huán)境樣本，這也使得工作環(huán)境更加安全。

污染和城市空氣質(zhì)量問(wèn)題是危害公共衛(wèi)生安全的主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。氣體排放導(dǎo)致了各種呼吸疾病和環(huán)境問(wèn)題，如酸雨頻繁和臭氧層消耗。污染物可以是交通、工業(yè)和火災(zāi)的廢氣排放，也可作為化學(xué)品事故的后果排放。

無(wú)人機(jī)或移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始在生活中廣泛使用，成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集和遙感領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一。這在許多研究中得到了高度重視，尤其是其高分辨率和位置精度等優(yōu)點(diǎn)。它們對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境科學(xué)研究的重要性已在諸多實(shí)踐中被證實(shí)。其民用用途包括氣體檢測(cè)的各種應(yīng)用，例如獲得氣體分布圖、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染物氣體的排放量，以及在存在環(huán)境問(wèn)題的地理區(qū)域進(jìn)行氣體源定位。調(diào)查表明，當(dāng)前所有實(shí)施中存在以下問(wèn)題：

①受到自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法的影響，無(wú)人機(jī)的飛行自主性有限。

②小型無(wú)人機(jī)無(wú)法攜帶過(guò)重的測(cè)量設(shè)備。

③在聯(lián)合優(yōu)化化學(xué)傳感器的飛行軌跡和能耗方面開(kāi)展的工作還很少。

1 工作原理

本項(xiàng)目的總設(shè)備放置在一輛車內(nèi)，如圖 1所示，配置 GPS(全球定位系統(tǒng))模塊，以得到所檢測(cè)車輛的位置和無(wú)人機(jī)的位置，其值顯示在 LCD(液晶顯示器)上。應(yīng)用一些傳感器并連接到微控制器，通過(guò)氣體傳感器可以檢測(cè)到來(lái)自車輛的氣體參數(shù)。氣體傳感器通過(guò) ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)模塊將傳感器輸出的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量形式輸出給微控制器進(jìn)行處理。當(dāng)這些參數(shù)值超過(guò)閾值時(shí)，向 RTA發(fā)出報(bào)警指示，報(bào)警信息包括目標(biāo)車輛的準(zhǔn)確位置；同時(shí)向目標(biāo)發(fā)送報(bào)警信息，命令目標(biāo)停止運(yùn)行，并通過(guò)GPRS在網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布。

圖1 系統(tǒng)連接圖Fig.1 System connection diagram

2 硬件特征

微控制器：此部分構(gòu)成了整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)的控制單元，是系統(tǒng)的大腦和核心，基本上由一個(gè)微控制器及其相關(guān)電路組成，如帶電容的晶體、復(fù)位電路、上拉電阻(如果需要)等。微控制器構(gòu)成了項(xiàng)目的核心，因?yàn)樗刂浦贿B接的設(shè)備，如各種氣體傳感器、GPS模塊等，并根據(jù)所寫(xiě)的程序與設(shè)備通信，包括上傳至LCD屏顯示、發(fā)送報(bào)警信息等功能。

ARM7TDMI：ARM 是 Advanced RISC Machine的縮寫(xiě)，ARM 處理器是英國(guó) Acorn有限公司設(shè)計(jì)的低功耗成本的第一款 RISC微處理器，它是一類處理器，也是一種技術(shù)的名稱。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集，一般來(lái)講比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá) 35%，卻能保留 32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。與復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(Risc)設(shè)計(jì)相比，RISC指令集及其相關(guān)的解碼機(jī)制要簡(jiǎn)單得多。

液晶顯示器(LCD)：液晶顯示器(LCD)是一種平板顯示器，采用液晶光調(diào)制特性的電子視覺(jué)顯示器，液晶不直接發(fā)光。LCD可顯示任意圖像或隱藏的固定圖像，如數(shù)字時(shí)鐘中的預(yù)設(shè)字、7段數(shù)字的顯示，如數(shù)字時(shí)鐘。

CO2傳感器：家庭和工業(yè)氣體泄漏檢測(cè)設(shè)備，適用于液化石油氣、正丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙氣的檢測(cè)。傳感器RS的表面電阻是通過(guò)串聯(lián)的負(fù)載電阻RL的影響電壓信號(hào)輸出獲得的。

GPS：全球定位系統(tǒng)。

GPRS：GPRS(General Packet Radio Service)是一種基于數(shù)據(jù)包的無(wú)線通信服務(wù)數(shù)據(jù)承載服務(wù)，作為GSM、CDMA 和 TDMA(ANSI-I36)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋提供。GPRS采用分組無(wú)線原理，在 GSM 移動(dòng)臺(tái)和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間高效地傳輸用戶數(shù)據(jù)包。分組交換是先將數(shù)據(jù)分割成單獨(dú)傳輸?shù)姆纸M，然后在接收端重新組裝。GPRS支持世界領(lǐng)先的基于分組的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議Internet Protocol(IP)和X.25(主要在歐洲使用的協(xié)議)。GPRS允許任何現(xiàn)有的 IP或 X.25應(yīng)用程序通過(guò) GSM 蜂窩連接進(jìn)行操作。具有 GPRS功能的蜂窩網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)網(wǎng)和X.25網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線擴(kuò)展。

直流電動(dòng)機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)電流流過(guò)的線圈產(chǎn)生與線圈中心對(duì)準(zhǔn)的電磁場(chǎng)。通過(guò)接通或斷開(kāi)線圈中的電流，可以接通或斷開(kāi)線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，也可以通過(guò)控制線圈中的電流方向，將其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向切換 180°。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)和介紹了一種以無(wú)人機(jī)為移動(dòng)載體，用于氣體分布檢測(cè)和泄漏定位的嵌入式平臺(tái)。該測(cè)量?jī)x的主要特點(diǎn)是功耗低、體積系數(shù)小，可依靠自身的可充電電池實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的自主權(quán)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，裝有VOC目標(biāo)MOX傳感器的測(cè)量?jī)x器在獨(dú)立和作為無(wú)人機(jī)有效載荷安裝時(shí)的靈敏度可靠。