国威
近年来，国内的经济水平和生产制造能力迅速提高。随之而来的废物排放问题不得不让人们警惕。对环境进行实时测量评估是防止环境污染的关键，也是环境污染治理的前提，但是国内对于环境监测的技术手段还不完善。目前主要使用地面观测站和环境监测卫星2种方式进行环境监测，对于很多特殊情况的环境监测，这2种方式并不能很好地完成测量任务。地面观测站是固定式测量，测量范围有限，环境监测卫星也因为成本问题很难做到大规模普及，将四旋翼飞行器用于环境监测可很好地解决这些问题。
基于四旋翼飞行器的环境监测系统旨在解决现有环境监测方法的不足。它可完成对指定地点的环境参数测量，并且将测量的参数通过无线数据传输模块发送至计算机，显示在上位机软件上，数据实时性更强。另外，在面对突发的有害物质泄漏时，有更强的应用性，对于当前国内的环境情况，该系统有很大的应用前景。
背景分析
气态和颗粒状的污染物是造成空气恶化的元凶，气态污染物包括：部分碳氧化合物、氮氧化合物、硫氧化物以及VOC气体等。其中，VOC是一类有害气体的通用名称，如烷烃、乙炔等。颗粒主要分为2种类型：可吸入颗粒PM10是粒径小于10μm的细颗粒，PM2.5是直径小于2.5μm的细颗粒，PM2.5的直径小、质量轻，与PM10相比更容易传播，可对人体健康构成严重威胁。环境中的空气温湿度也是气象观测中的重要参数，同时为了精确测量置我们还需要对四旋翼飞行器的高度位置和GPS数据进行测量。
方案设计
系统方案分四旋翼飞行器环境监测部分和地面站接收部分。四旋翼飞行器环境监测部分由环境测量传感器、高度传感器、GPS模块、单片机、无线通信模块和地面站遥控器接收机等组成，各个传感器、无线通信模块、GPS模块依照通信接口协议与单片机连接，地面站遥控器接收机与单片机输入输出捕获I/O口相连。地面站接收部分由无线通信模块、串口模块、计算机平台和上位机软件组成，无线通信模块与串口模块连接后接入计算机平台，数据通过计算机端口传给上位机软件。系统结构如图1所示。
无线串口数据的接收
四旋翼飞行器回传的环境参数数据经由无线接收模块和CP2102模块到达计算机串口。C#为程序员提供了简单极易操作的串口API，用户只需要设计串口编号和通信波特率即可进行通信。上位机软件需要读取计算机串口数据并解析出测量参数才能进行显示。由于地面站开机时间可能晚于四旋翼飞行器并且空中无线数据可能丢失，会造成地面站接收不到在一次数据传输中的所有数据，所以需要进行数据编码校验，以保证接收到正确数据、抛弃丢失数据。最好的解决方案就是在四旋翼飞行器的每一次数据中加入帧头、帧尾和奇偶校验，这样可以大大降低数值读取出错概率。本文中用到的通信格式如表1和表2所示。
表格中的数据标号为一次数据的类型，也是一次数据中的帧头，例如温度数据为0x6A、湿度数据为0x7A等。数据的第2～5帧为数据值，数据值不一定全部用到，未用的数据位为0x00，帧尾数据值统一为0x30，用来降低误码率。数值校验位为前6帧数据相加除以256的余数，和帧尾作用相同。按照上述方法进行通信在实际工作过程中基本没有发现显示错码的情况。在串口数据发送中，由于单片机每次只能发送一字节数据，即字符型数据，所以在发送小数的时候就会出现问题。本设计中由于GPS精度为小数点后5位所以将经纬度的整数部分作为一帧数据、小数后两位作为一帧数据、小数第3～4位作为一帧，第5位单独作为一帧数据发送。在上位机软件中再对小数进行还原显示。
四旋翼飞行器的姿态解算
四旋翼飞行器姿态解算是飞行器进行稳定飞行的前提，为飞行控制提供当前状态。目前对于姿态测量中的坐标系旋转问题常使用欧拉法和四元数法。欧拉法是一种极为便捷的坐标系旋转方法，但是测量旋转速度的陀螺仪在进行速度测量的时候会出现万向节死锁的问题。经过实验验证使用欧拉法进行姿态角计算的时候俯仰角和翻滚角会出现10°左右的死角，虽然在四旋翼飞行器的实际飞行中基本不会出现70°以上的仰角，但是不利于突发情况的飞行控制。四元数坐标旋转完美地解决了欧拉法万向节死锁的问题，使姿态测量更加连贯，十分适合应用于四旋翼飞行器的姿态解算。
在各种姿态测量任务中主要使用卡尔曼滤波算法和互补滤波算法。由于飞行器的姿态三轴测量参数过多，并且卡尔曼滤波器的数学原理很难理解，同时在低速运动测试中二者数据差别并不是很大，所以这里使用简单易懂的互补滤波算法。
下面将对本设计中使用的姿态解算算法进行详细的推导解释。四元数是一种超复数，在现代惯性导航系统中常用来表示坐标或点的旋转，四元数的格式如下：
建立常量与常微分量的关系，由于角速度与角度关系为一阶微分，所以这里我们仅使用一阶龙格库塔公式：
四旋翼飛行器的控制
四旋翼飞行器有4个控制目标：航向角（偏航）、侧倾角（翻滚）、俯仰角和飞行高度。传统的位置式PID也可以对四旋翼飞行器进行姿态控制，但是对于快速飞行的控制并不是很稳定。位置式PID的微分项虽然对突变情况有着很好的控制效果，但也会造成系统的不稳定，例如飞行过程中出现抖动等，这对于监测恶劣的环境十分不利。在位置PID的基础上将，串级PID加入了速度控制，以角度控制为外环并且作为内环的输入期望值，以角速度环为串级PID的内环并且作为PID的输出值，即为控制电机的输出高电平脉宽。以下为位置式PID和串级PID的公式和计算机离散化公式。
四旋翼飞行器定位监测
在地图学中，地球通常被视为一个球体，由地心坐标系映射。地心坐标系是以地球椭球质心为基准的，轴与第一子午面和赤道相交，轴为地球自转轴，轴由右手坐标系决定。在地心坐标中使用经度、纬度和地面高度来描述地球上的某一位置。国家规定在国内出版的电子地图必须最低使用GCJ-02加密算法对地图经纬坐标进行加密，以保护我国国家领土安。GCJ-02是由国家测绘局研发的一种地理位置不可逆的非线性加密算法。目前虽然已有对GCJ-02的近似还原算法，但都是有误差的还原，很多国内的电子地图供应商会在GCJ-02的基础上进一步对地图进行加密，如百度地图的BD-09坐标和搜狗地图的搜狗坐标等，供应商会提供坐标转换接口，但是不会公开算法。
由GPS系统测量的坐标参数由WGS-84坐标标定。WGS-84的坐标系以地球质心为原点，地极方向作为轴，轴指向国际时间局规定的主子午线与赤道的交点，坐标系为右手坐标系，从而确定轴。WGS-84是一个专门为GPS定位建立的统一坐标系，开发者将GPS坐标在地图上标定时，需要把WGS-84坐标转换为使用地图的坐标才可以得到精确的地图位置。本设计中使用的GMap.NET地图控件直接采用WGS-84坐标系，所以不需要进行坐标转换，可以直接将GPS数据应用于地图控件中。
本文以四旋翼飞行器为载体平台，利用了传感器技术进行各种环境参数的测量，采用了无线通信的方式，传输至C#上位机软件。通过远程遥控四旋翼飞机飞行来执行各个位置的远程环境参数测量任务。本文设计的环境监测系统改善了傳统环境监测方法不可移动和高成本的缺点，十分适合应用于突发环境污染的即时有效测量，大大减少了监测人员的安全问题。
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