空气检测无人机可行性报告.docx
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1、空气检测无人机可行性报告目录一、工程概述111.1工程简介121.2创业机会11. 2.1社会背景11.2. 2技术背景21.2. 3科研团队2二、公司简介212. 1公司概述22. 22公司部门及成员532.3公司文化6三、产品说明63 .1设计构 在工厂中的电火花屏蔽,本产品采用防打火设计,每次启动飞机时不 会出现电火花,防止在工厂粉尘浓度较高的地方发生事故,并且保证 在恶劣环境中动力系统的可靠性。4 .针对现有技术的缺乏,一般情况的工业级可折叠四轴飞行器需要在 工厂环7境中需要长时间的稳定工作。基于此理念,本可折叠四轴飞行器电 机轴承进行了密封处理,防止生锈和被腐蚀,定子采用了散热防锈涂
2、 层进行保护,采用封闭式上盖配合上升式离心风冷系统,可有效防止 砂石等异物进入电机内部;电调也采用相关的防锈耐腐蚀、散热良好 的涂层以及高效散热排布方式,加速散热,降低飞机负载。5 .基于工厂复杂的工作环境。本产品拥有一个独立的移动站,在城市 等障碍物较多的地方提供精准的三维定位和定向,弥补GPS和北斗导 航的误差以及气压计和指南针的误差,可适应复杂的工厂环境。6 .基于5G网络的普及(工业上的使用会优先于民用),数据传输可利 用飞机自带的数据传输系统以及地面独立的数据接收系统,可以考虑 加入5G技术来降低延迟,真正实现实时监测。(减少数据延迟,提高 数据精度)7.基于目前的环境监测方法,通过
3、与传统定点监测数据相 比,精准度以及灵活度上高。8 .基于目前工业级四轴飞行器体积大的问题,无人机脚架设计为可收 放的电动脚架,并将脚架安装在机臂靠近中心板的位置,并且起落架 是可以和机臂切合在一起,这样机架下部安装传感器的空间会更充足, 并且传感器可活动的部位会更多,转动更方便。9 .基于现在四轴飞行器续航能力短缺的问题,本产品整个机架都采用 密封防尘的设计,增加散热面积并利用4轴旋翼进行被动风冷,保证 整个系统在工作时温度稳定在一个合理的范围,降低负载,延长工作 时间。10 . PC端提供数据处理,可视化,缩短工作时间。33. 3系统设计方案(暂定)基于四轴飞行器的可移动环境检测系统 包括
4、四轴飞控局部,检测子站,无线传输网络及应用服务层。可用于 可用于测量PM2.5、S02,氮氧化物等各类网格化环境数据。系统采 用模块化设计,可根据不同地域环境状况,对环境各要素灵活增加或 减少相应的模块和传感器,任意组合,方便快捷的满足各种用户需求。 数据通过ZigBee/GPRS上传至管理平台,运用大数据智能动态分析、 及时报警、精准锁源,强化监管体系。设计原理如下:83. 3.1四轴飞控局部四旋翼飞行姿态为X型飞行姿态,这种飞行姿态 在控制时,可以通过同时控制四个电机的转速来控制四旋翼的飞行姿 态,相比+型飞行姿态来说控制要复杂,但是,通过同时控制四个电 机的方法控制飞行姿态的联动性较好。
5、1.无人机组成局部介绍:一般的,无人机组成由遥控器,飞行控制器, 动力系统,机架四局部组成。遥控器:用于操作人员控制飞行器的仪器,一般使用传统航模遥控器, 2. 4GHz可以使遥控器控制距离远、可靠性高、操作简单、姿态调节 稳定。飞行控制器:主要由微控制器和IMU模块组成。IMU:就是姿态传感器,为加速度传感器、高度传感器,常用有MPU6050 陀螺仪传感器和气压传感器,用来检测无人机的实时姿态传送给为控 制器;微控制器:常用有stm32系列的MCU,通过写飞控算法来读取 IMU姿态反响进而控制电调来驱动电机。无线传输模块:业界正常用PPM传输格式,传统遥控都配有相应的接 收机,通过无线传输模
6、块给MCU下指令,至于传输模块WiFi、NRF等 等都是可以的。GPS模块:利用GPS卫星和气压计对飞行器进行定高定点,超视距飞 行时可以掌握飞行器的飞行数据,并且在遥控器下达返航指令时,GPS 可以搜索卫星,提供位置信息给微控制器,使飞行器自动返航。 动力系统:包括航模动力锂电池、无刷电机、电子调速器和螺旋桨。 动力系统是四旋翼最主要的组成局部,动力系统的好坏决定了四旋翼 主要性能的优劣,9如承重能力、飞行速度、飞行距离、悬停时间及飞行稳定性。动力 系统的选择要相互兼容,否那么会使四旋翼无法正常工作。螺旋桨是直 接产生力和力矩的器件,合理匹配螺旋桨可以使电机工作更加高效稳 定。机架:由机身、
7、机臂、起落架构成。机身是用来承载四旋翼所有设备 的平台,从一定程度上来讲,四旋翼的平安性、稳定性都与机身密不 可分。因此在选用四旋翼机身时要综合考虑机身的尺寸、材料、形状、 重量、强度等因素。机臂决定了四旋翼的轴距,轴距是用来衡量四旋 翼尺寸的重要参数,通常被定义为电机轴围成的外接圆周的直径。通 常情况下,轴距即为对角线上的两电机轴心的距离。轴距的大小限定 了螺旋桨的尺寸上限,从而限定了螺旋桨能产生的最大拉力,进而决 定了四旋翼的载重能力。起落架功能包括支撑四旋翼的起飞与降落、 保持机身的水平平衡、保证四旋翼与地面有足够的距离防止螺旋桨与 地面发生碰撞、减小起飞和降落时螺旋桨气流冲击地面产生的
8、气流干 扰。因此我们选择使用高强度,质量轻的炭纤维材料作为飞行器的机架; 无刷电机的低噪音,响应快,转速高,寿命长,已经成为旋翼无人机 的最优电机;选用动力航模锂电池将会提供大电流、高电压、长续航, 航模动力电池比传统锂电池(例如18650锂电池)的优点在于它可以 连续高倍率放电,这对于飞行器的升力视野个重要参数;电子调速器 目前使用好盈电调,对PWM信号反响快是其一大优点;飞控暂时使用 大疆NAZAV2,大疆目前在多旋翼飞行器的算法很优异,但是后期我 们可以使用STM32系列单片机进行算法编辑,满足我们对产品的开源 需求,包括电调后期都可以自己开发与飞控相对应的智能电调;遥控 后期会改善,做
9、与之匹配的地面站进行控制,解决普通遥控器遥控距 离较短,并且在地面站可以实时接收传感器传回的数据,提供USB端 口,使用电脑连接后可直接进行数据处理,方便快捷。四旋翼无人机作为传感器的搭载平台,由于搭载不同的传感器工作, 对其本身的性能要求会比拟高,对其智能化也会提出一定的要求,因 此在飞控的感度方面的自动调节,植保无人机可以供我们参考。而且 飞机可以在一些极端的环境中进行工作(化工厂等),温度较高、粉 尘含量较多对无人机的动力系统提出了考验,所以我们会制作一个样 品,以此来进行相关的数据采集和分析,为后期无人机动力的优化方 案提供一个重要的参考。102.无人机定高定位解决思路及方法:在目前的
10、无人机定高时用到了 气压计,但是普通飞控的气压计是内置的,造成了精度误差比拟大, 有时候飞机会出现无法定高的现象,因此我们打算将气压计外置且尽 可能的避开螺旋桨气流扰动,提升精度,降低干扰,这样就会提升无 人机定高精度,另外我们还打算加红外线定高,前视、上视、下视传 感器,自动感知并躲避障碍物,实现精准悬停,以此来适应一些复杂 多变的地形,防止发生碰撞。定位系统目前主流方式都为GPS+北斗 导航系统,保证室外搜星可以到达25-32颗,确保精度可以到达厘米 级,因此我们GPS为两个,同时IMU (姿态传感器)也为两个,当其中 一个发生故障时,可以迅速的切换到另一套系统继续工作或者平安返 航,并且
11、我们可以做出一个独立的移动站,在城市等障碍物较多的地 方提供精准的三维定位和定向,弥补GPS和北斗导航的误差以及气压 计和指南针的误差,可适应复杂的工厂环境。3 .:无人机数据传输方法:飞控主板和传感器主板之间会进行数据互通和 交换,传感器的数据和飞机的飞行数据都会通过飞机自带的数据传输 系统传给地面独立的数据接收系统(目前采用wifi进行数据传输), 可以考虑加入5G技术来降低延迟,真正实现实时监测。飞手可提前 规划飞行路线,并且在数据传输时数据处理人员可利用PC端专业软 件对空气中的污染物进行实时分析和处理,任务完成后飞机再由飞手 下达返航指令后,自动返航至出发点。遥控器可采用双频段,目前
12、主流频段为2. 4GHz和5. 8GHz,采用双频 段可以保证其中一个频段在受到干扰时,可以迅速自动切换到另一频 段进行作业。保证平安性和可靠性。4 .无人机能源供应方式:能源供应采用航模动力锂电池,后续会将其 做为智能航模锂电池,能检测电池自身的温度并且将其调整为最优状 态,每块智能电池都有自己的识别码,不同类型的机型电池不可互换, 且后续的电池保养可以出一个软件进行对电池状态的监测,保证电池 在一个健康的状态下进行工作。充电器可以开发为多电池并充、快充, 充电过程中充电器会继续监测电池的状态并根据电池的状态改变冲 点电流大小,提高平安性和工作效率。5 .无人机抗恶劣环境处理方法:动力系统在
13、工厂环境中需要长时间的 稳定工作,因此电机轴承需要密封处理,防止生锈和被腐蚀,定子可 以用散热防锈涂层进行保护,采用封闭式上盖配合上升式离心风冷系 统,可有效防止砂石等异物进11入电机内部;桨叶采用碳纤维可折叠桨叶,方便折叠和迅速投入 作业,电调也采用相关的防锈耐腐蚀、散热良好的涂层以及高效散热 排布方式,加速散热,降低飞机负载,采用防打火设置,保证在一定 粉尘浓度中的平安性,并且保证在恶劣环境中动力系统的可靠性。飞控板和传感器主板位于机架中心板,采用全密封防尘设计,增加散 热面积并利用4轴旋翼进行被动风冷,保证整个系统在工作时温度稳 定在一个合理的范围,降低负载,延长工作时间。无人机电调放置
14、于四轴的碳管内也进行密封处理,并且将电机和电调 设计为一体化,将大大减少电调所占用的体积。无人机脚架设计为可收放的电动脚架,并将脚架安装在机臂靠近中心 板的位置,并且起落架是可以和机臂切合在一起,这样机架下部安装 传感器的空间会更充足,并且传感器可活动的部位会更多,转动更方 便。当飞机处于地面的杂物较多的时候,我们可以使用一块易携带,可折 叠,比拟大的降落平台给飞机提供平整的降落地。桨叶的强度需要根据电机的转速进行调整。机架内部主控板、IMU等电子零件设置2级减震方案,脚架采用1级 减震,保证飞机在降落时的稳定性以及保护内部电子设备。3. 3. 2监测子站由安装在每台四轴飞行器上的24个传感器
15、节点组成, 主要负责信息的采集,然后将采集到的信息通过多跳中继-的方式传 递给终端节点站,然后通过无线网络将数据传递给后台数据处理中心, 处理后的结果反响给远程控制中心。3. 3. 3传感器节点传感器节点的设计如图1所示:12包括了无线节点模块,传感模块和电源模块。传感模块主要的是 负责采集监测区域内的空气质量信息,本工程设计的气体质量信息包 括温湿度,一氧化碳(CO),臭氧(03 )、二氧化氮(N0 2 )、二氧化 硫(S02)及PM2. 5等数据。无线节点模块主芯片暂定采用TI的CC2530单片机,其集成了高性能、低功耗的8 0 5 1微控制器核, 集成符合IEEE 8 0 2.1 5.4
16、标准的2. 4 GHz的RF无线电收发机, 天线为棒状。电源模块实现节点模块与传感模块的连接及系统供电, 目前主要为2节电池供电,保存外接电源接口,可以由直流电源直接 供电。传感器节点工作流程图如下:如下图,CC 2 5 3 0直接与各传感器 连接,传感器节点初始化后,按顺序依次申请加入网络,如果有中断 信号产生,就进入中断处理程序。当来自ZigBee网络的中断产生时, 系统首先对采集的信息对象进行判断;如果采集对象是一氧化碳,那么 读取一氧化碳,如果采集对象是温湿度,那么读取温湿度的参数信息并 返回应答信号浓度的参数信息并返回应答信号,依次类推,当有采集 信号的中断产生时,将读取到的参数信息
17、上传到ZigBee网络中传递 给终端节点站,最后经由终端节点上传给应用服务中心。133. 3. 4终端节点终端节点站将会接受来自子节点的传感信息,进行 汇总,然后逐步传递给后台数据处理管理中心,采用链式结构可以加 快各节点以及后台数据处理中心的采集和处理信息的能力。设计如图2所示,包括GPR模块和无线节点模块,二者通过RS232串 口进行数据传输,无线节点模块由CC2530来实现。GPRS模块采用 SIMCOM公司的工业SIM800芯片,其是一款工业级高性能高性价比的 GSM/GPRS模块。通过指示灯的闪烁情况,系统能很方便地判断SIM800 模块的工作状态。14终端节点运行过程如下图:在协调
18、器程序初始化后,进入到主循环程序,判断是否有配置信息, 如果需要配置,那么针对需要修改或增加的参数进行配置,并存储配置 后的信息根据来源的不同,串口中断可以分为GPRS网络中断和 ZigBee网络中断。GPRS网络中断有三种情况:如果需要操作子站的 ZigBee协调器节点,那么先进行相关参数修改并15返回确认信息;如果以ZigBee网络中其他节点作为目的地址,那么 将接收到的信息通过ZigBee网络传输到目的节点;如果不需要数据 发送那么丢弃该数据,返回失败信息到GPRS模块,传回至后台服务器。 对于ZigBee网络中断,如果需要传输数据,那么将数据发送到GPRS网 络,否那么丢弃该数据(备用
19、一份,超限报警和数据共享等。本系统目 前将采用VS2017平台凭借C+开发,选择SQLServer作为数据库设 计和应用的平台。3. 3. 5工程应用网络ZigBee网络、GPRS网络(暂定)3. 3. 6.应用服 务层包括应用展示层,应用实例层,应用支撑层,基础数据四局部。 应用展示层:通过不同的方式(APP移动端,web端,LED大屏)向 用户展示平台界面;应用实例层:主要是对网格化监测区域各项参数 进行监测预警及分析,对污染物的扩散曲线趋势进行推算等功能。应 用支撑层:以云计算,大数据,数据库等技术手段,整合和分析海量 跨地域,跨行业的环境信息,实现海量数据储存,实时处理和深度挖 掘和分
20、析。基础数据库凌乱,标准化差,应用服务实用性单一,难以 共享等问题。3. 3. 7.软件界面1.主界面162.子界面13.子界面217气体传感器是一种可以将气体的某些信息包括浓度和种类转换为 可以被操作人员、仪器仪表、计算机等利用的声、电、光或者数字信 息的装置,通常被安装于监测系统探测头内的监测系统中,用于现场 采集空气数据。通过气体传感器将气体信号转换为电信号,再通过串 口通信,传至单片机中进行数据处理。气体传感器是气体监测系统的 核心,对气体检测系统起着决定性的作用。根据工作原理将气体传感 器分为电学类、光学类、电化学类及其他类型四大类。根据气敏特性 可将气体传感器分为半导体式、固体电解
21、质式、电化学式、接触燃烧 式、光学式和热导式等类型,主要利用物理效应、化学效应等机理制 作成,另外还有声外表波式和光纤式等新型气体传感器,以及微系统 微型气体传感器,与一体化、智能化和图像化结合的新型专用气体传 感器。43. 4总结分析本工程提出的汇创未来空气检测无人机基于了目前较 为成熟的四轴飞控技术以及正在快速开展的空气传感模块搭配不同 种类的局域网一同研发而成,每台四轴飞行器都有24个传感器节点, 传感器节点将采集到的的空气质量信息经多跳路由到达协调器节点, 协调器节点又将采集到的空气质量信息通过GPRS网络发送到后台管 理中心进行分析、存储、显示。当空气质量参数出现异常,监控中心 可对
22、异常状态及时做出相应处理。18四、市场营销44. 1宏观环境分析(TPEST模型)4. 1. 1政治环境 PoliticalFactors党的十九大报告提出,要构建政府为主导、公司63632产品优势633.3系统设计方案(暂定)73.3. 1四轴飞控局部83. 3.2监测子站113. 3. 3传感器节点113. 3. 4终端节点133.3.5工程应用网络153.3. 6.应用服务层153.3.7,软件界面1543.4总结分析析四、 为主体、社会组织和公众共同参与的环境治理体系。2018年,中共 中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的 意见进一步明确改革完善生态环境治理体系,
23、并从生态环境监管体 系、生态环境保护经济政策体系、生态环境保护法治体系、生态环境 保护能力保障体系和生态环境保护社会行动体系5方面做出具体部 署。可见,生态环境检测治理体系已成为推进生态文明建设、实现美 丽中国目标的重要抓手,对其进行改革完善具有重要的理论与现实意 义。市场营销.1宏观环境分析(TPEST模型)PoliticalFactorsEconomicFactorsSocioculturalFactors.184184. 1. 1政治环境.184. 1. 2经济环境184. 1. 3社会环境194. 1.4技术环境2019年是我国十三五改善环境治理的关键期,环境监测领域改革不 断深化。省
24、以下的环保机构税改试点,跨地区环保机构试点等改革措 施逐步落地。排污许可、环保税、环保督察、按日计罚在内的环境管 理机制正在加速完善。环保进入强监管时期,战略高度节节提升,政 策扶持力度持续加码,而这无疑是我公司开展的一大商机。4. 1. 2 经济环境 EconomicFactors19对2019年之前的行业状况进行整合分析。结合中国环境保护产业 协会统计2010-2017年数据和2018年中国环境监测仪器行业现状, 前瞻初步估算,2018年中国环境监测行业销售额约71亿元。止匕外, 随着环境监测行业的快速开展以及市场竞争的激烈,大型公司由于自 身的技术优势、品牌影响力、成套的解决方案以及服务
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