基于麦克纳母轮的自控制气象要素探测设备设计

赵博，万毅豪，何林潘，邓力，梁友陈，赵远

（成都信息工程大学电子工程学院，四川 成都 610000）

本设备是基于麦克纳母轮的一套自控制气象要素探测设备。它能实时检测未知环境中的温湿度、气压、有毒气体浓度等基本气象要素，通过服务器将采集的各项数据上传到后端进行处理分析。将气象传感器引入移动系统中，使可移动探测系统在无人控制状态按照指令进行探测所在环境各种气象要素的任务，加上可移动探测设备本身具有的移动特性和灵活性，可以在一些恶劣的或未知的环境中进行作业，减少不必要的人身伤害。

1 技术原理

1.1 位置式PID控制器

比例积分微分控制器（PID）是最早发展起来的自控制策略之一。由于其算法简单、鲁棒性较好、可靠性高，因此，广泛应用于工业控制领域。

式中，Kp是比例系数；e(k)是本次误差值；e(k-1)是上次误差值；是累计误差；Ti是积分系数；Td是微分系数；u(k)是控制器输出值。

1.2 增量式PID控制器

该控制器是将上一次输出值累加到本次输出值上，得到新的输出值。该控制器有较大的反应速度，但是，控制精准度相比位置式PID较为欠缺。

1.3 加权滑动滤波

本文主要在电机稳定性中采用了加权滑动滤波对电机输入方波占空比进行滤波，从而防止输入突变。

2 系统方案设计

本设备主要分为探测模块、通信模块、电机模块、视觉模块以及驱动模块（图1）。

图1 系统框图

2.1 主控芯片

本设备采用基于Cortex-M4内核的STM32F407ZGT6作为主控芯片，主控芯片常用于各种高性能嵌入式存储器、医疗器械、工业应用等领域中。

2.2 各类传感器

（1）图像处理模块。通过装在可移动云台上的摄像头，实现全方位图像采集数据并解算信息。

（2）GPS/北斗定位模块。通过配合GPS和北斗的双模定位模块获得移动设备实时位置数据。

（3）GPS/北斗定位模块。通过内部高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的3个轴的角运动检测装置得到航向角、俯仰角以及横滚角。

（4）气象要素探测模块。通过气象要素探测模块采集空气中主要气体浓度以及温湿度。

（5）通信模块。通过LoRa技术接收移动设备传递的数据包并通过4G通信传递给服务器。目前，LoRa通信以自适应组网和较好的性能优势已广泛应用在智慧城市、智能交通、环境监测等领域。

2.3 电源驱动以及电机驱动方案

通过低压降线性稳压电路对移动探测设备上的所有模块供电，并采用电机驱动双通道驱动芯片对电机进行驱动。

2.4 麦克纳母轮

麦克纳姆轮是一种可全方位移动的全向轮，由轮毂和围绕轮毂的辊子组成。麦轮辊子轴线和轮毂轴线夹角成45°。由4个这种轮加以组合，可以使机构实现全方位移动功能。

2.5 自控制算法

通过将超声波模块、摄像头模块、姿态检测模块数据进行融合并计算得到电机理论速度然后进行控制。

3 软硬件设计（图2）

图2 主控板部分原理图

4 设备测试

笔者将设备放在测试场地，并以10m为一个采样点采集数据并上传数据。服务器端生成带有各项所需气象要素信息的数据地图，并将数据以TXT后缀文件形式保存作为日志文件（图3）。

图3 空间气象要素坐标图

5 结语

针对移动设备需要在复杂未知环境中完成任务，本设备是一套融合了自控制算法、图像处理、基于超声波的周围环境地图建立、麦克纳母轮的运动解算等多种技术的移动设备。通过物联网技术以及LoRa通信技术，实现了完全意义上的自动化、智能化、稳定化。解决了在未知复杂环境进行气象信息采集过程中实现无人控制的难题。