臺灣博碩士論文加值系統

本研究目的是建立一套空污無人機自動嗅覺導引系統，搭載空污數據即時分析系統，讓無人飛行器能夠即時偵測出飛行範圍內的PM2.5污染值，將收集到的數據進行即時分析得到污染方向後自動導引無人飛行器至污染源。
空污無人機使用開源Pixhawk 飛行控制系統、自行開發之4G LTE 模組以及PMS3003 PM2.5感測器，並且將開源的地面監控軟體Mission Planner加入即時分析數據的功能做後續的污染源自動導引飛行。將收集到的數據加以分析後，藉由嗅覺導引系統將空污無人機自動導向污染源。
由模擬以及實際的飛行實驗中可以得知，本研究已能夠成功找到污染方向。建立一個能夠依據污染濃度的梯度變化以自動控制無人飛行器找出污染源的嗅覺導引系統，為本研究的主要貢獻。

The goal of this research is to build an air pollution detection UAV which equipped with real time air pollution data analysis system, so that the UAV can instantly detect the PM2.5 pollution value within its flight range, and analyze the pollution data to automatically guide the UAV itself to the pollution source.
We integrate a quadrotor UAV that equipped with an open source Pixhawk flight control system, a self-developed 4G LTE module, a PMS3003 PM2.5 sensor module and a novel navigation algorithm based on gradient operation of the PM.2.5 density, to be a test platform.
For the experiments, after sampling and processing the real-time air data, the UAV would automatically change its heading directed to the pollution source by the olfactory navigation
system.
In this research, this novel system has been successfully validated through early computer simulation to final actual field tests, all had been proven to be able to track and point to the direction of the pollution source. Establishing an prototype olfactory guidance system that can automatically lead UAV to locate the source of pollution is the major contribution to this research.

摘要...i
Abstract...ii
誌謝...iii
目錄...iv
表目錄...vi
圖目錄...vii
符號說明...ix
第一章 緒論...1
1.1 研究背景...1
1.2 研究動機...1
1.3 研究目的...2
1.4 論文架構...2
第二章 文獻探討...3
2.1 空氣污染的飄散及來源判斷...3
2.2 污染物在大氣中的變化...4
2.3 PM2.5空氣污染的偵測方式...4
2.4 目前的空污偵查無人機...5
第三章 研究內容與方法...8
3.1 硬體元件與系統架構...8
3.1.1 Pixhawk 飛行控制板...9
3.1.2 MPU-6000 六軸姿態感測器...9
3.1.3 MS5611 氣壓高度計...10
3.1.4 ST Micro LSM303D 電子羅盤...11
3.1.5 GPS 全球定位系統...12
3.1.6 4G 通訊模組...12
3.1.7 遙控器...13
3.1.8 機體與動力元件...14
3.1.9 影像模組...15
3.1.10 數據整合模組...16
3.1.11 空氣污染模組...17
3.1.12 空污無人偵察機硬體元件改良...18
3.2 軟體與系統架構...20
3.2.1 韌體編譯環境...20
3.2.2 雲端平台系統...21
3.2.3 污染源之梯度分析與定位...24
3.2.4 嗅覺判斷系統...25
3.2.5 自動飛行導引控制...26
第四章 實驗規劃與結果分析...29
4.1 實驗規劃...29
4.2 實驗結果...30
4.2.1 數據樣本數分析...30
4.2.2 地面站即時監控驗證...33
4.2.3 自動轉向功能模擬測試...34
4.2.4 自動轉向功能實地驗證...35
4.2.5 全系統功能模擬測試...37
4.2.6 全系統功能實地驗證...39
第五章 結論...45
5.1 結論...45
5.2 未來展望...45
參考文獻...46
Extended Abstract...48

[1] 倫敦煙霧事件，https://zh.wikipedia.org/wiki/1952%E5%B9%B4%E4%BC%A6%E6%95%A6%E7%83%9F%E9%9B%BE%E4%BA%8B%E4%BB%B6
[2] 中國霧霾事件，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E5%9C%8B%E9%9C%A7%E9%9C%BE%E4%BA%8B%E4%BB%B6
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[7] β射線 衰弱法 https://iaq.epa.gov.tw/indoorair/doc/A20610C.pdf
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[10] 環保署現行偵測方式， https://taqm.epa.gov.tw/taqm/tw/b1306.aspx
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[13] 中研院空污偵查無人機，https://fairmedia.com.tw/%E5%8F%B0%E4%B8%AD/29803
[14] 賈澤民 2016，，”無人飛航載具監測環境污染織功能 航測及遙測學刊， 21卷， 3期，頁 163~183 11月。
[15] Pixhawk http://ardupilot.org/copter/docs/common-pixhawk-overview.html
[16] MPU-6000 https://core-electronics.com.au/mpu-6000-motion-processing-unit.html
[17] MS5611，https://www.amsys.info/products/ms5611.htm
[18] LSM303D，http://www.mouser.tw/new/stmicroelectronics/stmicrolsm303dlm/
[19] NEO-M8N，https://www.banggood.com/Flight-Controller-GPS-with-Protective-Shell-for-PIX-PX4-Pixhawk-p1005394.html?cur_warehouse=CN
[20] 莊明龍 2018，，”Development of Aerial Robot Swarm with 4G LTE Communication”，碩士論文，國立虎尾科技大學自動化工程系。
[21] Tarot 650 機架，http://www.tarotrc.com/Product/Detail.aspx?Lang=en&Id=7641bc7f-e656-4d04-a075-13d7b81f96e0
[22] 恆力源 W48-22，http://daogou.user-agent.cn/shop.php?shopid=62002050
[23] IATA 6Cell 6000Ah鋰電池，https://www.aliexpress.com/item/IATA-6000mah-6s-lipo-battery-no-tie-for-RC-Walkera-Runner-Race-Drone-RC-Bateria-RC/32814396569.html
[24] Arduino UNO，https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3
[25] PMS3003，http://www.plantower.com/content/?94.html
[26] 謝孟穎 2017，”PM2.5空污偵測無人飛行器之開發與驗證”，碩士論文，國立虎尾科技大學自動化工程系。