基于旋翼機的大氣環(huán)境監(jiān)測研究

摘要：為了更深入研究旋翼機在大氣環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用，設(shè)計出了旋翼機搭載各種測量大氣環(huán)境要素的傳感器以實現(xiàn)大氣環(huán)境的監(jiān)測。通過實驗發(fā)現(xiàn)該無人機已能初步完成依賴于GPS定位的自主飛行，可進(jìn)行自主飛行，飛行精度小于1米，同時數(shù)據(jù)的誤差率小于15%，在可接受范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：旋翼機；無人機；大氣環(huán)境監(jiān)測

1 研究背景

隨著公民環(huán)境意識的提高，大氣環(huán)境質(zhì)量在人們眼中的地位越來越重。而對于民航業(yè)來說，受空氣污染影響最嚴(yán)重的指標(biāo)應(yīng)該就是大氣能見度了。機場氣象起降標(biāo)準(zhǔn)里最重要的一條就是能見度。為了能夠測量不同高度層的能見度，當(dāng)代民航從業(yè)者可謂是絞盡腦汁。從建氣象高塔，到購買昂貴的氣象雷達(dá)，還有就是十分不可控的氣象氣球。費財費力，效果還不好。此外長期生活在有霧霾的環(huán)境中，空氣中的各種可吸入顆粒物等有害物質(zhì)會對人們的呼吸道和肺部造成不可逆的損傷。

另一方面，無人機技術(shù)也逐漸發(fā)展和成熟，使其作為搭載平臺用于大氣環(huán)境監(jiān)測成為可能。在科技水平與井噴式發(fā)展的今天，大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)也不斷發(fā)展的越來越成熟，精確。其中，作為搭載平臺的多旋翼無人機可以實現(xiàn)在多個高度層穩(wěn)定懸停，得出各個高度層不同的數(shù)據(jù)。這就避免了以往需要用氣象高塔，氣象氣球等獲取數(shù)據(jù)的尷尬局面。同時，作為檢測設(shè)備的紅外能見度測量儀能夠測得更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。但是一臺紅外線測量儀器成本太高，而且非常不便攜。

此外，無人機作為飛行器的一種，不可避免的會有人為因素影響的事故概率。為了節(jié)省人力成本，降低人為因素帶來的風(fēng)險，我們對無人機的控制進(jìn)行了一些改進(jìn)。

大氣能見度的好壞對公路交通，航?；顒樱娇栈顒由踔潦擒娛禄顒拥榷加兄匾挠绊?。由此，本團(tuán)隊便有了如下設(shè)想，擬在不減小測量精確度的前提下，降低各項成本，試圖利用智能無人機，全時段，全天候，全自動的對大氣環(huán)境質(zhì)量以及大氣能見度進(jìn)行測量。為進(jìn)一步的科學(xué)研究提供基礎(chǔ)。

2 研究內(nèi)容

由于無人機具有十分好的機動性，靈活性，所以，我們打算在無人機上搭載各類傳感器，計算機，電臺等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和回傳。研究內(nèi)容分為如下兩個部分：

（1）無人機的設(shè)計。不同于市場上所能見到的用于拍照的商業(yè)無人機，我們的項目要求無人機不僅僅搭載一臺相機，而是需要搭載眾多專業(yè)設(shè)備以及數(shù)據(jù)回傳裝置，所以，市面上能購買到的無人機無法作為平臺使用，我們要自己設(shè)計制作符合我們自己需求的無人機。首先，我們需要無人機有較大的載重能力來承載傳感器和其他設(shè)備，其次，為了能讓傳感器獲得穩(wěn)定供電，不在電機工作功率突然加大的時候斷電死機，我們設(shè)計了雙電源冗余系統(tǒng)。為了實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時實時傳輸，我們?yōu)闊o人機加裝了大功率電臺。另外，我們還需對無人機加裝高精度gps以實現(xiàn)無人飛行，自動起降時的實時定位。

（2）基于旋翼機的大氣環(huán)境監(jiān)測研究。為了能讓搭載量有限的無人機實現(xiàn)地面大型儀器才能完成的測量任務(wù)，我們開拓創(chuàng)新了，另辟蹊徑，分析了影響能見度的諸多因素，如氣壓，濕度，溫度，大氣密度，固體顆粒物等，將眾多因素綜合成圖表，和地面儀器測得的能見度進(jìn)行對比分析，得到了函數(shù)關(guān)系圖表，并根據(jù)此表進(jìn)行后續(xù)的大氣測量。具體工作內(nèi)容如下：

①氣象信息采集：無人機升空自動進(jìn)行多高度層數(shù)據(jù)采集，回傳。

②數(shù)據(jù)分析：利用函數(shù)圖表計算當(dāng)前能見度。

③程序設(shè)計：通過對飛控計算機編程調(diào)參，實現(xiàn)無人機的自主飛行

④數(shù)據(jù)驗證：獲取地面大型專業(yè)儀器的精確數(shù)據(jù)，比對旋翼機測量數(shù)據(jù)，以確定測量精度是否可控。不可控的話需要對儀器、反演方法、程序等進(jìn)行問題查找，以確定問題來源。

3 技術(shù)流程圖

4 研究設(shè)備

經(jīng)研究分析可知，影響大氣能見度的因素主要有固體顆粒物和懸浮的液滴，即霾和霧。其中，影響霧形成的主要因素有相對濕度、氣溫和氣壓。為了獲得這些數(shù)據(jù)，在旋翼機上搭載傳感器。我們搭載了溫度，氣壓，濕度傳感器，通過這三個對霧形成起決定作用的因素推演出霧的濃度，進(jìn)而推測出其對大氣能見度的影響。

而霾的形成就相對簡單一些。霾的本質(zhì)就是固體小顆粒分散在空氣中形成的氣溶膠。而為了檢測固體小顆粒，我們采用了固體顆粒物傳感器其最小可測量直徑達(dá)到了到pm2.5，能有效推測霾對大氣能見度的影響。

同時，為了能夠?qū)⑺鶞y數(shù)據(jù)實時穩(wěn)定的傳輸給地面工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，我們?yōu)闊o人機加裝了大功率數(shù)傳電臺，通過串口編碼數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，我們能以較低的延遲在控制電腦上獲得實時氣象數(shù)據(jù)，并通過表格算法得出當(dāng)前大氣能見度。定位系統(tǒng)方面，我們采用當(dāng)前較為先進(jìn)的第八代m8n芯片，定位精度高至1米，有效保障了無人飛行時的安全性以及空間數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

5 小結(jié)

在經(jīng)過數(shù)次實驗，數(shù)據(jù)采集分析以及程序調(diào)試后，我們的無人機已能初步完成依賴于gps定位的自主飛行，無須地面人員控制即可根據(jù)定位信息自主飛行，飛行精度小于1米。數(shù)據(jù)采集方面再與專業(yè)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交叉對比后我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的誤差率小于15%，在可接受范圍內(nèi)，誤差發(fā)生原因可能與傳感器工作不穩(wěn)定有關(guān)。下一步研究計劃采用更高精度的傳感器和差分定位gps，以厘米級精度對空間特殊點位實施精確的數(shù)據(jù)采集分析，為準(zhǔn)確獲得大氣信息提供了另一重參考。

作者簡介：秦飛凡（1997），男，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：飛行技術(shù)。