基于麥克納母輪的自控制氣象要素探測設備設計

趙博，萬毅豪，何林潘，鄧力，梁友陳，趙遠

（成都信息工程大學電子工程學院，四川 成都 610000）

本設備是基于麥克納母輪的一套自控制氣象要素探測設備。它能實時檢測未知環(huán)境中的溫濕度、氣壓、有毒氣體濃度等基本氣象要素，通過服務器將采集的各項數據上傳到后端進行處理分析。將氣象傳感器引入移動系統(tǒng)中，使可移動探測系統(tǒng)在無人控制狀態(tài)按照指令進行探測所在環(huán)境各種氣象要素的任務，加上可移動探測設備本身具有的移動特性和靈活性，可以在一些惡劣的或未知的環(huán)境中進行作業(yè)，減少不必要的人身傷害。

1 技術原理

1.1 位置式PID控制器

比例積分微分控制器（PID）是最早發(fā)展起來的自控制策略之一。由于其算法簡單、魯棒性較好、可靠性高，因此，廣泛應用于工業(yè)控制領域。

式中，Kp是比例系數；e(k)是本次誤差值；e(k-1)是上次誤差值；是累計誤差；Ti是積分系數；Td是微分系數；u(k)是控制器輸出值。

1.2 增量式PID控制器

該控制器是將上一次輸出值累加到本次輸出值上，得到新的輸出值。該控制器有較大的反應速度，但是，控制精準度相比位置式PID較為欠缺。

1.3 加權滑動濾波

本文主要在電機穩(wěn)定性中采用了加權滑動濾波對電機輸入方波占空比進行濾波，從而防止輸入突變。

2 系統(tǒng)方案設計

本設備主要分為探測模塊、通信模塊、電機模塊、視覺模塊以及驅動模塊（圖1）。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 主控芯片

本設備采用基于Cortex-M4內核的STM32F407ZGT6作為主控芯片，主控芯片常用于各種高性能嵌入式存儲器、醫(yī)療器械、工業(yè)應用等領域中。

2.2 各類傳感器

（1）圖像處理模塊。通過裝在可移動云臺上的攝像頭，實現全方位圖像采集數據并解算信息。

（2）GPS/北斗定位模塊。通過配合GPS和北斗的雙模定位模塊獲得移動設備實時位置數據。

（3）GPS/北斗定位模塊。通過內部高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的3個軸的角運動檢測裝置得到航向角、俯仰角以及橫滾角。

（4）氣象要素探測模塊。通過氣象要素探測模塊采集空氣中主要氣體濃度以及溫濕度。

（5）通信模塊。通過LoRa技術接收移動設備傳遞的數據包并通過4G通信傳遞給服務器。目前，LoRa通信以自適應組網和較好的性能優(yōu)勢已廣泛應用在智慧城市、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等領域。

2.3 電源驅動以及電機驅動方案

通過低壓降線性穩(wěn)壓電路對移動探測設備上的所有模塊供電，并采用電機驅動雙通道驅動芯片對電機進行驅動。

2.4 麥克納母輪

麥克納姆輪是一種可全方位移動的全向輪，由輪轂和圍繞輪轂的輥子組成。麥輪輥子軸線和輪轂軸線夾角成45°。由4個這種輪加以組合，可以使機構實現全方位移動功能。

2.5 自控制算法

通過將超聲波模塊、攝像頭模塊、姿態(tài)檢測模塊數據進行融合并計算得到電機理論速度然后進行控制。

3 軟硬件設計（圖2）

圖2 主控板部分原理圖

4 設備測試

筆者將設備放在測試場地，并以10m為一個采樣點采集數據并上傳數據。服務器端生成帶有各項所需氣象要素信息的數據地圖，并將數據以TXT后綴文件形式保存作為日志文件（圖3）。

圖3 空間氣象要素坐標圖

5 結語

針對移動設備需要在復雜未知環(huán)境中完成任務，本設備是一套融合了自控制算法、圖像處理、基于超聲波的周圍環(huán)境地圖建立、麥克納母輪的運動解算等多種技術的移動設備。通過物聯網技術以及LoRa通信技術，實現了完全意義上的自動化、智能化、穩(wěn)定化。解決了在未知復雜環(huán)境進行氣象信息采集過程中實現無人控制的難題。