清华大学本科毕设论文.doc
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1、清 华 大 学综 合 论 文 训 练题目:基于四旋翼无人机的PM2.5测量系 别:电子工程系专 业:电子信息科学与技术中文摘要近年来,随着无人航空技术发展的日趋完善与成熟,无人机逐渐受到重视并且得到广泛应用。无人机凭借其机动强、经济上较为实惠、方便起飞、降落等方面的优势,越来越受到人们的青睐。同时,无线遥感技术的飞速发展与日趋完善,也在很大程度推动了无人机的应用,无人搭载平台在空气检测、环境监测、恶劣条件侦探、航拍等方面都得到广泛应用。 本课题以无人机作为搭载平台,搭载空气传感器与GPS模块,实现对PM2.5与PM10数据的采集,在PC端通过单片机编程,实现SD卡存储所采集的数据,达到空气质量
2、检测的目的。本文依次介绍系统的硬件部分、软件部分。之后,对传感器的可信度进行评估,介绍如何通过单片机编程实现用SD卡存储PM2.5(PM10)值。最后对采集的数据进行处理,绘制PM2.5(PM10)随着不同的经纬度、高度、风速的变化趋势曲线图,得出结论。关键词: 四旋翼无人机;SDS011激光传感器;STM32单片机;数据储存与显示ABSTRACTWith the rapid development of UAV technology, its application has become more and more widespread together. With its advantag
3、e in mobility, fastness, economy, convenience and so on, the UAV has been used more widespread. With the development of wireless remote sensing technology, the UAV has been used in meteorological monitoring, resource surveys, aerial survey and respond to emergencies widely.This topic uses the UAV as
4、 carrying platform, and equips UAV with air sensor and GPS module, implementation of PM2.5 and PM10 data collection, through the microcontroller programming to achieve the data stored on the SD card, and finally achieve the purpose of air quality testing.This paper firstly introduces the hardware pa
5、rt and software part of the system. And the evaluates the reliability of the sensor, describes how to use the microcontroller to store the value of PM2.5(PM10) in the SD card. Finally deal with the data collected, and then draw the trends and graph of the values of PM2.5(PM10) change with the latitu
6、de and longitude, altitude, wind speed.Keywords: Four-rotor UAV;SDS011 laser sensor;STM32 microcontroller;Data storage and display目 录第1章 引言11.1 课题背景1 1.1.1 无人机概述1 1.1.2 PM2.5(PM10)国内外检测现状概述11.2 课题的研究的目的和意义21.3 项目需求31.4 整体工作介绍6第2章 系统硬件概述与设计72.1 四旋翼无人机搭载平台介绍72.2 SDS011高精度激光传感器82.3 ATK-NEO-6M-V23定位模块10
7、2.4 开发板13 2.4.1 开发板简介13 2.4.2 单片机给电模块14 2.4.3 数据存储模块15第3章 系统软件概述与设计173.1 系统环境与软件开发工具17 3.1.1 Realview MDK介绍17 3.1.2 JLink仿真调试193.2 串口对数据的输入与查看20 3.2.1 数据输入串口20 3.2.2 数据查看串口223.3 系统环境与软件开发工具23 3.3.1 软件设计程序设计整体构架23 3.3.2 系统模块初始化24 3.3.3 对空气传感器数据处理24 3.3.4 对GPS定位信息进行处理25 3.3.5 存储部分代码实现27第4章 系统实现过程294.1
8、 空气传感器数据实现304.2 GPS定位模块数据实现31 4.2.1 海拔精确度测量32 4.2.2 地面风速测量33 4.2.3 经纬度测量344.3 PM2.5(PM10)值变化情况研究35 4.3.1 PM2.5(PM10)值随海拔变化情况研究35 4.3.2 PM2.5(PM10)值随风速变化情况研究37 4.3.3 PM值在不同的天气条件下随风速变化情况研究38第5章 结论与展望40插图索引41表格索引43参考文献44致谢45声明46附录A 外文资料的调研阅读报告47第1章 引言1.1 课题背景1.1.1 无人机概述 “无人机(unmanned aerial vehicle,UAV
9、是一种带有动力装置,具有自主导航能力,无人驾驶的不载人航空器。”在特定的地域范围与高度范围内,利用无线电实现通信功能,通过预设的计算机程序实现无人机的飞行、悬停、降落等基本功能。无人机最初主要被用于军事,主要用于军事侦查、监视、通信等,实现一些载人飞机难以实现甚至是无法实现的功能,从投入市场至今都深受各国军方的青睐。最近几年以来,随着各国政府逐步放开对无人机的限制,无人机从军用领域逐渐迈入民用领域,民用无人机在航拍、公共安全、应急搜索、环境监测、交通情况监测等方面的应用都日渐广泛。 无人机在很多方面有载人飞机无法比拟的优点,比如成本低廉、起飞简单、不需要专用的场地进行起飞与降落等。同时,无人
10、机的控制相对较容易,一般可以直接通过遥控器实现起飞、悬停、降落、加速、减速等功能。再者,一般的民用无人机体积相对较小,造价较低廉,实用性也较强。当前国内较受欢迎的无人机公司主要有大疆、零度智控、智能鸟等。1.1.2 PM2.5(PM10)国内外检测现状概述“总悬浮颗粒物包括漂浮在空气中的固体与液体颗粒物,一般以其空气动力学直径作为评判依据,其空气动力学直径在0.1-100um范围内。习惯上人们一般把空气动力学直径小于2.5um的可吸入颗粒物称为PM2.5;相应的,把直径小于10um的颗粒物称为PM10。”最近几年以来,我国的一些城市(北京、上海等)的“雾霾”现象日趋严重,成为威胁人们生活的罪魁
11、祸首,其中最主要的污染源一般就是指PM2.5与PM10。本课题利用无人机搭载平台的组成的系统,主要的构成部分包括空气传感器部分,GPS定位模块,数据存储模块,无人机控制模块,整体控制模块等。“基于无人机平台应急监测关键技术与应用研究”课题是我国首次利用无人机进行环境监测实验,截止到当前该研究已经取得了相对比较完善的研究成就。最近几年以来,随着民用无人机技术的飞速发展与逐步成熟,利用无人机作为搭载平台进行环境监测的应用也逐渐广泛起来。现在一般的测量包括航拍,监控,气体监测等,其应用领域已经涵盖“雾霾”,温室气体,水质好坏等等,而且我们有理由相信,随着技术的进一步发展,无人机在环境监测这一块的应用
12、必将取得更为广阔与成熟的应用。本课题借助零度公司的四旋翼无人机作为搭载平台,SDS018PM2.5激光传感器作为空气传感器模块部分,STM32F103RCT6开发板核心板单片机实现开发功能, Ublox NEO-6M带天线5Hz GPS模块实现GPS定位,直接利用无人机电源供电,采用Mini-360航模降压电源模块对电源降压,获得所需电压。通过单片机编程,对所获取数据进行处理,获得需要的数据部分,把提取好的所需数据存储在存储卡。读取数据,在PC端对数据进行处理,通过数据处理软件例如Excel等对所采数据处理,画出对比趋势曲线,进行对比,得出结论。1.2 课题的研究的目的和意义当前的空气监测方法
13、特别是PM2.5(PM10)的测量存在一定的问题,大部分的城市测量只能在选定的地点,固定的高度进行固定的采样。显然,该测量方法在很大程度上存在样本过于集中,不能较为客观的反应事实的问题。基于该问题,本文企图利用无人机随时悬停,易于控制的优势,更好的、更客观的取得观测数据。本课题通过嵌入开发平台设计空气质量监测系统,通过无人机的遥控器实现无人机的起飞与停止,利用GPS定位模块实现对无人机位置获取,位置信息一般包括经度,纬度,高度,当地风速等参数,通过空气传感器实时获取PM2.5值,PM10值,获得在采样点的数据值之后,经过单片机(STM32)编程,把数据以TXT文件格式存储在SD卡中,返回地面进
14、行处理,绘制曲线趋势图,得出结论。把系统总体构架与功能实现之后,在北京市不同的地方分别进行测量,因为禁飞区的缘故,选择在六环外进行测量。选择不同的天气(改变基值),在不同的地点(经纬度不同)采集数据;在同一的地点(经纬度不变),通过遥控器,改变无人机飞行的高度(不同的海拔)获取相应的点的采样数据。最终把所有获取的数据,拿到地面端的PC机进行处理,分别绘制出在同一地点,PM2.5(PM10)值随着海拔变化的变化曲线图;在不同的地方,相同的海拔情况下,分别采集数据,绘制出PM2.5(PM10)值随着经纬度的变化的曲线图;以及绘制出不同风速条件下的曲线图等。利用无人机的优点,在不同的气候条件下,原则
15、上在任意位置进行实时测量,可以获取相对比较精确且客观的数据,可以在一定程度上,改善当前客气测量的不足,能够优化空气测量研究与探索,能够更好的利用无人机实现为人类服务的目的。1.3 项目需求本课题是基于无人机平台的PM2.5(PM10)测量,空气传感器读取PM2.5(PM10)值,输出16进制数字。GPS模块输出一系列信息,其中都以16进制形式呈现,通过STM32进行编程,把有用的信息提取出来,以TXT文件形式保存下来,测量完所需数据,拿到PC端进行处理,画出趋势对比图,得出结论。课题的总体框图如下:图 0.1 课题总体框架 系统工作过程为:1直接把无人机输出的12.4V电压作为整体电压,通过M
16、ini-360航模降压电源模块实现由12.45V电压转换功能,输出的5V电压分别给单片机供电,从单片机的两个输出端口接出一个5V给空气传感器供电,接出一个3.3V电压给GPS定位模块供电。 2通过两个串口把两个模块输出的十六进制数据分别输入到STM32单片机3编程实现对两组十六进制的数据分别转化为可视性的10进制数,并且把一些不必要的数据进行合理的取舍,获得所提取的数据4通过编程,利用STM32开发板对所获取的数据进行存储,每隔20s分别存储一次PM2.5(PM10)的数据值,一次GPS信息值(经纬度,海拔,地面速度,时间等),交替循环实现数据的存储。为了便于显示与读取的方便,每20s之后,T
17、XT文件自动换行。其中本次课题很重要的部分是编程代码实现对数据的提取,获取实验需要的必要数据,同时,对所获取的数据进行存储。实现过程通过利用Keil uVision实现程序的编写与程序的加载(烧录),采用C语言编写,调试完成之后,把代码烧进开发板。每次上电之后,按下“reset”键,系统开始自动测量数据,此时在地面端,通过串口3可以收到“OK”确认符号,在串口可以直接看出数据存储情况。软件编码模块的主要框架如下:图 0.2 毕业设计总体软件设计框架图 各个部分分别实现的功能如下:1. 启动STM32,运用Keil uVision官方网站自带的启动文件实现,实现单片机的启动功能与中断等基本功能2
18、 因为GPS模块输出的数据较多较杂,而且是以十六进制的形式呈现,通过GPS.C实现对所需信息的提取,对模块输出的数据进行数据处理,包括16进制转10进制,去掉无用信息,提取其中有用信息包括经度、纬度、高度、风速、日期等。3. 通过串口2实现对PM2.5(PM10)数据的输入、处理。把十六进制数转化为十进制,并且去掉帧头与帧尾,留下PM2.5的数值与PM10数值,同时,为了保证准确度,也读取出校验和,对其他无用的数据进行舍去。4. 获得数据之后,需要通过STM32的中断与停止等功能实现对数据的合理输入与处理,因为两组数据都是每20秒发十次,出于显示的方便,每20秒选择分别采十组数据,然后以接收
19、一组定位信息,之后接收一组PM2.5(PM10)的形式进行存储,为了便于后期处理,每读取10组数据之后,TXT文件空一行,一次读取。5. 采集完数据,通过数据处理软件(MATLAB或Excel)绘制表格与趋势变化曲线图,对比得出结论。1.4 整体工作介绍本次毕业设计的总体工作表示如下:图 0.3 整体工作介绍框架图第2章 系统硬件概述与设计完善的软硬件配合是系统能否正常工作的必要条件,硬件作为系统的必要的躯干或框架,是系统可以正常运行的基础。本部分分模块地对系统的硬件部分进行介绍,并且将各个部分有机的结合在一起,用以构建一个完整的空气检测系统。 2.1 四旋翼无人机搭载平台介绍随着各国政府对无
20、人机的管制逐步放松,无人机技术如雨后春笋般飞速发展,无论是国内还是国外,无人机技术都取得了长足的进步,并且得到较好的应有。当前无人机无论是在航拍、紧急情况侦探(地震,火山等)、环境监测等方面都逐步取得比较良好与广泛的应用。“四旋翼飞行器具备4个螺旋桨,四个螺旋桨呈十字形交叉结构分布。相对的螺旋桨具有相同的旋转方向,相反的螺旋桨旋转方向相反。” 吴东国,基于四旋翼飞行器平台的低空遥感技术在公路环境调查中的应用J,2012,12. 本文采用的无人机是“零度智控”捐赠给实验室的小型的无人机,除去本身自带的云台之外,可以额外搭载200g的物体,满足实验所需要求。无人机最高垂直速度为3m/s,最高水平速
21、度为8m/s,其飞行速度基本上可以满足本次实验要求。无人机自带电源,可以外接,单片机与几个传感器所需电压由无人机外接电源直接引出,通过降压模块可以得到所需电压。无人机实物图如下:图 0.1 四旋翼无人机实物图2.2 SDS011高精度激光传感器出于实验方便考虑以及由于实验室条件限制,本次实验只研究比较常见的PM2.5值与PM10的值。实验采用SDS011高精度空气质量传感器,该传感器采用激光散射原理,可以较为精确得测量出空气中0.310um的颗粒物,内置风扇,上电就直接可以输出16进制数据。经过在实验室的观测测量,对其测量精度进行评估,可以验证其稳定度与精确度都比较高。其实物图如下:图 0.2
22、 传感器实物图传感器加上5V电压之后,就会源源不断输出所测的PM2.5与PM10的值,以16进制形式呈现,每一行代表一组输出,通过串口小助手则可以直接查看其输出形式,其数据原始输出如下:图 0.3 空气传感器输出16进制数其串口速率为9600,串口上报通讯周期为1.5s,即是每一分钟可以收到40组数据。其数据定义如下:表 0.1 空气传感器输出位数意义列号12345678910意义报文头指令号PM2.5低字节PM2.5高字节PM10低字节PM10高字节保留位保留位校验和报文尾其中PM2.5值:(PM2.5 高字节*256)+PM 2.5低字节)/10其中PM10值:(PM10 高字节*256)
23、PM 10低字节)/10比如,上述给出的样例中,第二行的PM2.5值为:(0*256+55)/10=5.5;PM10的值为:(0*256+124)/10=12.4。2.3 ATK-NEO-6M-V23定位模块ATK-NEO-6M-V2.3是一款高性能GPS定位模块,采用U-BLOX NEO-6M模组。该模块使用方便,模块支持多种波特率传输,在使用之前,可以通过串口设置各种参数,并且可以把各类参数保存在EEPROM中,模块自带充电电池,支持冷启动与热启动两种各种模式。其实物图如下:图 0.4 定位模块实物图其基本特性如下:图 0.5 ATK-NEO-6M-V23基本特性其电器特性为:图 0.6
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