基于無(wú)人機(jī)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉永昌，尹百通，鄒慶勇，徐遠(yuǎn)征

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

我國(guó)疆域遼闊，森林資源總量大，森林防火工作復(fù)雜，形勢(shì)嚴(yán)峻。我國(guó)森林火災(zāi)預(yù)防大多以人員巡山為主，這樣的方式耗時(shí)費(fèi)力，在密林地區(qū)還比較危險(xiǎn)。未來我國(guó)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)會(huì)對(duì)林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)[1]。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)火災(zāi)的物理現(xiàn)象展開了多種技術(shù)研究，例如，火焰圖像識(shí)別技術(shù)；紅外感溫識(shí)別；氣體火災(zāi)探測(cè)等，主要探測(cè)器分為：氣體型、感溫型、感煙型、感光型[2]。續(xù)航里程低是限制無(wú)人機(jī)發(fā)展的一大因素；圖像識(shí)別和紅外識(shí)別設(shè)備使得監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)成本高；高耗電降低了無(wú)人機(jī)巡航范圍，也加大了設(shè)備成本[3]。另外，森林火災(zāi)和城市建筑火災(zāi)有很大區(qū)別，甚至北方森林和南方森林植被覆蓋不同，陰燃或明燃釋放的氣體成分也有很大差別[4-5]，以上這些對(duì)煙霧傳感器選型至關(guān)重要。鑒于上述原因，本文結(jié)合相關(guān)算法，著重研究煙霧傳感器對(duì)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)效果，結(jié)合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、超寬帶定位技術(shù)和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于自巡航無(wú)人機(jī)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩大板塊組成：負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)采集平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)采集平臺(tái)主要負(fù)責(zé)收集煙霧傳感器采集的煙霧信號(hào)和處理信號(hào)、無(wú)人機(jī)位置的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)的采集和無(wú)人機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)無(wú)人機(jī)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析顯示以及判斷警情級(jí)別和警報(bào)處理。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram of the system

負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)采集平臺(tái)由2 部分組成：控制飛行姿態(tài)的飛控主板和采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算主板。飛控主板的主要功能是采集陀螺儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和羅盤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，集成相關(guān)算法從而控制無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，保持無(wú)人機(jī)飛行平穩(wěn)。本系統(tǒng)采用的飛控主板是市面上開源的飛控模塊。由于飛控模塊的開發(fā)涉及更多知識(shí)和方面，采用開源模塊可以節(jié)省飛控部分的開發(fā)時(shí)間[6]；控制主板的主要功能是采集多路煙霧傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)融合，采集無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和通過GPRS 與上位機(jī)遠(yuǎn)程通信。

飛控主板和控制主板均采用嵌入式中低端32位ARM 微處理器STM32F103C8T6。無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用雙主板的設(shè)計(jì)方案，在控制成本的前提下讓2 個(gè)單片機(jī)各司其職，降低了單片機(jī)的運(yùn)算壓力且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。無(wú)人機(jī)實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 搭載多路煙霧傳感器的無(wú)人機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Real image of UAV equipped with multiple smoke sensors

2 硬件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)搭載的控制主板的電路設(shè)計(jì)，主要包括穩(wěn)壓電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、GPRS 通信模塊電路和煙霧傳感器邏輯電路。

2.1 煙霧傳感器邏輯電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)主要通過多路煙霧傳感器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)是否有火災(zāi)發(fā)生，從而降低無(wú)人機(jī)平臺(tái)成本。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)檢測(cè)的靈敏性，在控制主板上增加了硬件邏輯或運(yùn)算電路，每2 個(gè)傳感器一組，只要有任何一個(gè)傳感器觸發(fā)信號(hào)就會(huì)傳送到單片機(jī)。傳感器硬件邏輯電路如圖3 所示。

圖3 傳感器邏輯電路Fig.3 Sensor logic circuit

2.2 通信模塊電路

該系統(tǒng)采用了安信可開發(fā)的A9G 模塊。該模塊是一個(gè)集成GPRS 和GPS 于一體的四頻通信模組，目前廣泛應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)合。該模組采用SMD 封裝，開發(fā)簡(jiǎn)單并且適用于工作環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)所。A9G 模組支持AT 指令操作，與單片機(jī)通過UART 通信。GPS 定位精度達(dá)到2.5 m。該模塊還支持一鍵復(fù)位操作，當(dāng)通訊失敗可以通過復(fù)位操作恢復(fù)狀態(tài)。通信模塊的電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 通信模塊電路Fig.4 Communication module circuit

2.3 電池監(jiān)測(cè)電路

電池續(xù)航問題是無(wú)人機(jī)的重點(diǎn)，如果在電池電壓過低的情況下沒有返航，將會(huì)給無(wú)人機(jī)帶來災(zāi)難性的后果。在硬件設(shè)計(jì)中，加上電池電壓監(jiān)測(cè)電路將為無(wú)人機(jī)的安全提供充分保障。如圖5 是電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路。STM32F103C8T6 內(nèi)部具有12位ADC 采集單元，采集精度為0.8 mV。硬件電路使用BAT54S 將采集電壓鉗制在0～5 V，保障單片機(jī)的IO 安全。單片機(jī)定時(shí)1 s 檢測(cè)電池電壓，并將電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，一旦電池電壓達(dá)到閾值就會(huì)觸發(fā)警報(bào)；若電池電壓達(dá)到極限值將采取緊急措施強(qiáng)行降落，避免墜機(jī)引發(fā)災(zāi)難后果。

圖5 電池電壓監(jiān)測(cè)電路Fig.5 Battery voltage monitoring circuit

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 控制主板程序設(shè)計(jì)

服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)端是一個(gè)綜合性平臺(tái)，既要控制飛行器平穩(wěn)飛行，又要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集以及遠(yuǎn)程通信等任務(wù)。飛行器姿態(tài)控制主要由飛控主板負(fù)責(zé)，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)指令控制無(wú)人機(jī)飛行高度，為精確搜尋火災(zāi)信號(hào)提供服務(wù)；控制主板主要負(fù)責(zé)飛行線路規(guī)劃、飛行器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)融合以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。飛行器狀態(tài)確認(rèn)主要是飛行器起飛前的電池電量檢測(cè)、GPRS遠(yuǎn)程連接狀態(tài)的確認(rèn)，只有經(jīng)過控制主板檢查符合安全起飛條件，方可允許飛行器起飛巡航。主控板定時(shí)器1定時(shí)500 ms執(zhí)行一次中斷服務(wù)函數(shù)，主要內(nèi)容為：電池電量檢測(cè)、定位數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)上傳。如圖6 是現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)端的控制程序拓?fù)鋱D。

圖6 控制程序整體設(shè)計(jì)拓?fù)鋱DFig.6 Control program overall design topology

3.1.1 火災(zāi)監(jiān)測(cè)算法

現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)一共搭載了8 路煙霧傳感器。為了提高傳感器的檢測(cè)可靠性和靈敏度，其中每2 路用硬件邏輯電路或運(yùn)算，只要有任何一路傳感器觸發(fā)都會(huì)進(jìn)入報(bào)警程序，然后控制主板會(huì)發(fā)送指令主動(dòng)控制飛行器下降高度，進(jìn)一步檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)是否有警情發(fā)生。當(dāng)再次融合煙霧傳感器數(shù)據(jù)確認(rèn)有警情發(fā)生時(shí)，控制主板將進(jìn)行報(bào)警數(shù)據(jù)封裝和上傳。圖7 是火災(zāi)監(jiān)測(cè)算法流程圖。

圖7 火災(zāi)監(jiān)測(cè)算法流程圖Fig.7 Flow chart of fire monitoring algorithm

3.1.2 自巡航程序控制

無(wú)人機(jī)載有GPS 定位模塊，可以實(shí)時(shí)獲取自身位置數(shù)據(jù)，控制主板根據(jù)GPS 位置實(shí)時(shí)修正無(wú)人機(jī)巡航路徑。由于市場(chǎng)上購(gòu)買的GPS 定位模塊具有一定的誤差，采集的定位數(shù)據(jù)誤差范圍較大，現(xiàn)采用卡爾曼濾波法進(jìn)行定位數(shù)據(jù)濾波處理?？柭鼮V波器模型[8]如下：

（1）先驗(yàn)估計(jì)

（2）先驗(yàn)誤差協(xié)方差矩陣

（3）卡爾曼增益

（4）后驗(yàn)估計(jì)

（5）更新誤差協(xié)方差矩陣

主控板通過GPS 位置數(shù)據(jù)更新航線。通過PID控制算法將偏航誤差融合成與無(wú)人機(jī)通信的SBUS協(xié)議中的通道數(shù)據(jù)，形成航向通道數(shù)據(jù)控制無(wú)人機(jī)姿態(tài)。無(wú)人機(jī)巡航過程中的高度控制也通過PID 實(shí)現(xiàn)。位置式PID 控制模型[9-10]如式（6）：

式中：u（k）——PID 控制器輸出信號(hào)；e（k）——控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差；Kp——比例系數(shù)；Ki——積分系數(shù)，Kd——微分系數(shù)。

3.1.3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)協(xié)議

負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)依靠單獨(dú)的打包協(xié)議與遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行通訊。表1 展示了無(wú)人機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控端通訊數(shù)據(jù)封裝協(xié)議，這樣的通訊協(xié)議具有穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)丟失率小、數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

在表1 中，數(shù)據(jù)幀Ⅰ表示無(wú)人機(jī)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控端的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀Ⅱ表示遠(yuǎn)程監(jiān)控端發(fā)送到無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)。每一幀數(shù)據(jù)由幀頭和數(shù)據(jù)段組成，其中電池電壓占1 個(gè)字節(jié)，經(jīng)度占10 個(gè)字節(jié)，緯度占8 個(gè)字節(jié)，警情等級(jí)占1 個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)尾部的故障碼用于緊急情況下的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)類型Ⅰ中，當(dāng)無(wú)人機(jī)高度急劇下降時(shí)，故障碼1 用于發(fā)送無(wú)人機(jī)故障信號(hào)。在數(shù)據(jù)類型Ⅱ中，控制命令用于發(fā)送控制命令，從而緊急時(shí)刻一鍵回收無(wú)人機(jī)，故障碼2 用于控制無(wú)人機(jī)緊急降落并發(fā)送最后位置。

表1 遠(yuǎn)程協(xié)議數(shù)據(jù)封裝協(xié)議Tab.1 Remote protocol data encapsulation protocol

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)程度設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)的最大特點(diǎn)就是由工作人員負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程電腦的信息收集即可，不需要到現(xiàn)場(chǎng)巡視。上位機(jī)具有遠(yuǎn)程連接功能，工作人員可同時(shí)觀測(cè)多臺(tái)無(wú)人機(jī)的飛行狀況和巡視數(shù)據(jù)，大大提高工作效率。現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息由上位機(jī)提交。如圖8 所示是監(jiān)控端的功能拓?fù)鋱D。

圖8 監(jiān)控端功能拓?fù)鋱DFig.8 Function topology of monitoring terminal

4 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)人機(jī)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本低，節(jié)省人力物力，可實(shí)現(xiàn)常態(tài)巡航監(jiān)視森林安全。多路煙霧傳感器降低了傳感器的使用成本，同時(shí)提高了檢測(cè)的靈敏度?；诂F(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離警情上傳遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)情報(bào)。這方面的探索為無(wú)人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)巡航森林提供了參考。但是，只依靠一種傳感器不足以百分百確認(rèn)和識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)的火災(zāi)情況，無(wú)法估計(jì)現(xiàn)場(chǎng)的著火范圍以及火焰情況，在現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)上添加攝像頭遠(yuǎn)程傳送圖像和視頻是至關(guān)重要的，將會(huì)提高火災(zāi)情報(bào)的可信度[11]。下一步應(yīng)將工作重心放在多傳感器的融合上，同時(shí)無(wú)人機(jī)受航程限制嚴(yán)重，也應(yīng)該加大低功耗、輕量化方面的研究。