基于小型四旋翼无人机的大气环境参数获取系统研发

作     者：张天毅 

作者单位：石河子大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵庆展

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：大气环境污染 环境监测 四旋翼 Arduino UNO ITAE 层次分析法 

摘      要：随着我国农村城镇化进程和农业经济的快速发展,农村大气环境污染问题日益严重。大气环境污染不仅会影响人类身体健康,造成农田水土资源污染,影响作物生长,甚至还严重威胁到粮食安全,制约着农村可持续发展。大气环境监测是大气环境污染防治工作的基础和保障,现有的监测技术主要以架设地面监测站和卫星遥感方式为主,对于地域广阔、环境复杂的农村地区,监测设施相对落后,往往存在监测成本较高、灵活度不高、效率低等不足。本文系统设计基于小型四旋翼无人机,开展了低成本大气环境参数测量系统的研究工作。首先,在飞行平台方面,完成了飞行器组成单元的设备选型、组装工作,并选取悬停状态下的四旋翼飞行器为研究对象,运用飞行器动力学、牛顿经典力学等理论完成数学模型的构建,提出了基于ITAE指标的带有前置滤波的PID优化控制算法,使用MATLAB Simulink进行了控制品质提高的仿真实验并结合真机完成了试飞验证;其次,从监测系统硬件和软件模块设计入手,选取了Arduino UNO作为处理器,采用DHT11、DSM501A、MQ-7、MG811传感器分别完成温湿度、颗粒物浓度、一氧化碳和二氧化碳数据获取工作,并采用Micro SD卡模块完成数据的读写、存储工作;然后,选择石河子大学东校区和石河子南开发区热电厂西侧200米处条田为实验区域,确定采集点(每个点持续采集5min,30s一个周期,共采集10个数据)完成采集实验;最后,针对采集仪获取的城市和农田监测点数据,运用格拉布斯准则完成了样本粗大误差数据的筛选剔除工作,通过收集整理环保部官网标准数据,使用最小二乘拟合方法实现了筛选后城市样本数据和官网数据的曲线拟合,利用皮尔逊积矩系数分析验证了相关性,根据拟合关系反演农田标准数据,进而采用层次分析法实现了农田及城市的环境质量等级评价。系统实验和软件仿真实验的结果表明:针对四旋翼飞行器系统,在输入为单位阶跃信号且扰动作用较小可忽略时,采用基于ITAE指标的带有前置滤波的PID控制算法后,系统稳态误差为0,调节时间ts1s,系统超调量控制在5%以内,满足误差带Δ=2%时系统的动态性能指标;系统采集的数据与官网数据拟合模型精度高,相关性均达到0.97,环境等级评级结果的准确性达到93.3%。经过软件仿真、实际测试、数据分析等工作,验证了采集系统的可靠性和数据的有效性,可为今后此类采集系统的设计提供一定的参考。