一種基于無人機(jī)的多傳感器環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)

文/邱洋 苑俊英 陳海山

1 引言

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式往往以地面設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)為主，而對(duì)于地形廣闊、環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)設(shè)施數(shù)量有限等情況，既存在監(jiān)測(cè)成本較高、實(shí)時(shí)性差、效率低等問題，還存在獲取的數(shù)據(jù)空間覆蓋程度有限、不能對(duì)污染物來源及其變化趨勢(shì)分析進(jìn)行有效預(yù)測(cè)等問題。在我國(guó)環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重的時(shí)代背景下，環(huán)境監(jiān)測(cè)需求、監(jiān)測(cè)難度、檢測(cè)范圍與監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性要求都急遽增加，導(dǎo)致傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求。在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，地面監(jiān)測(cè)是目前主要的監(jiān)測(cè)手段，但對(duì)于一些排煙類的大氣污染物還沒有很好的浮空采樣監(jiān)測(cè)方法。

近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，無人機(jī)在各行業(yè)都得到了快速應(yīng)用，呈現(xiàn)出無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一種新的技術(shù)手段。將無人機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以充分發(fā)揮無人機(jī)不受地形、空間、時(shí)間等因素影響的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一種更加安全高效、機(jī)動(dòng)靈活、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低的環(huán)境監(jiān)測(cè)模式?；跓o人機(jī)的環(huán)境檢測(cè)平臺(tái)既可以廣泛應(yīng)用于常規(guī)環(huán)境監(jiān)測(cè)，也可以用于特殊場(chǎng)景（如火災(zāi)、氣體泄漏等高危環(huán)境），滿足實(shí)時(shí)、有效、準(zhǔn)確地對(duì)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。

無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由機(jī)體、機(jī)載通信設(shè)備、地面設(shè)備、機(jī)載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和信息處理系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)飛行、操控、信息傳輸與數(shù)據(jù)處理等功能。機(jī)載環(huán)境檢測(cè)設(shè)備一般由傳感器、攝像機(jī)、GPS和嵌入式系統(tǒng)等組成，完成環(huán)境參數(shù)、圖像、地理位置等信息的采集、匯集和預(yù)處理。環(huán)境參數(shù)經(jīng)通信設(shè)備發(fā)送到地面設(shè)備，最后由信息處理系統(tǒng)進(jìn)行處理和信息呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖1：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種可配置多種傳感器的無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，從環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、無線數(shù)據(jù)傳輸、信息處理系統(tǒng)等三個(gè)方面進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)了基于小型四旋翼無人機(jī)與傳感器相結(jié)合的大氣環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過實(shí)地監(jiān)測(cè)測(cè)試，本文方案能夠支持圖像采集、GPS定位、高度測(cè)量、空氣溫濕度以及常見氣體濃度等，可以滿足空中測(cè)繪、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、 環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警、礦產(chǎn)資源探測(cè)、應(yīng)急救災(zāi)等應(yīng)用場(chǎng)景需求。

2 相關(guān)研究

基于無人機(jī)的環(huán)境監(jiān)控模式能夠不受地形、空間、時(shí)間限制，可以人工控制無人機(jī)在空中停留并進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以極大地降低高空污染物的檢測(cè)難度和危險(xiǎn)性。謝濤等人[4]設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)模式方案，為突發(fā)性大氣污染事件的應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供了一種新的技術(shù)平臺(tái)，并提出了未來有待深入研究的主要方向。楊海軍等人[5]以化學(xué)工業(yè)區(qū)為研究對(duì)象，采用無人機(jī)搭載采樣器的方式，對(duì)污染氣體中的NO、CO、SO2等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為解決城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備匱乏問題，李壯等人[6]提出了一種基于四旋翼無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。滕騰等人[7]利用無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)解決CO2地質(zhì)封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故監(jiān)測(cè)的問題，通過環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、理論模擬和數(shù)據(jù)對(duì)比分析的方法為無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故的響應(yīng)效果進(jìn)行了研究。為應(yīng)對(duì)區(qū)域空氣監(jiān)測(cè)突發(fā)空氣質(zhì)量事件應(yīng)，楊國(guó)林等人在監(jiān)測(cè)的空氣微小顆粒物及溫濕度的基礎(chǔ)上，利用北斗技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域監(jiān)測(cè)進(jìn)行了評(píng)估。朱易峰等人[12]把無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于危化品事故救援，擴(kuò)展了無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用的范圍。

上述無人機(jī)+環(huán)境監(jiān)測(cè)方案的功能都較為單一，未能充分利用無人機(jī)受空間限制小的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域通用程度可以進(jìn)一步提高。本文采用低成本的四旋翼無人機(jī)，搭載多種高精度傳感器，配合GPS和攝像機(jī)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無人機(jī)的多傳感器環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，期望拓寬改平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)能力。

3 解決方案

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)包含集成多傳感器的無人機(jī)及其配套軟硬件，在使用過程中僅需一臺(tái)計(jì)算機(jī)，即可使用地面終端無線控制無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，能夠適應(yīng)移動(dòng)受限或難以到達(dá)目的地等應(yīng)用場(chǎng)景。在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，如災(zāi)區(qū)道路交通及通訊均中斷的情況下，即可使用無人機(jī)現(xiàn)行進(jìn)入災(zāi)區(qū)觀測(cè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)具有集成度高、應(yīng)用場(chǎng)景廣，功能擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

無人機(jī)分為飛控、傳感器、攝像機(jī)模塊，飛控使用APM2.8模塊作為控制器，傳感器使用STM32單片機(jī)作為控制器，攝像機(jī)可直接將視頻信號(hào)傳輸?shù)降孛鍼C客戶端，所有數(shù)據(jù)匯集到地面的PC客戶端后，地面站軟件可根據(jù)回傳的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析、顯示，控制無人機(jī)行動(dòng)等功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器均通過通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter:UART)與STM32單片機(jī)相連接，傳感器模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集與處理流程為：在無人機(jī)上電后硬件自動(dòng)初始化，完成GPS搜星和傳感器預(yù)熱。系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)先讀取無人機(jī)的位置信息，即經(jīng)緯度和高度，接著讀取環(huán)境傳感器信息，并把這些信息實(shí)時(shí)回傳到地面計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)備用，同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值判斷環(huán)境數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，如或超過預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)則顯示報(bào)警信息。

圖2：空氣中氣體含量變化

3.3 環(huán)境參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以采集的數(shù)據(jù)有地理位置，高度，溫濕度，PM2.5，CO2，CO濃度等，還能夠采集實(shí)景圖像和人物跟蹤等。

3.3.1 高度計(jì)算方法

本文選用的氣壓高度計(jì)為APM2.8飛控模塊集成的MS5611氣壓高度計(jì)，該傳感器根據(jù)地球表面的氣壓隨高度上升而減小的原理設(shè)計(jì)而成，郝振海研究了高度氣壓計(jì)的實(shí)際工作原理，測(cè)算出了大氣壓與海平面相對(duì)高度計(jì)算公式：

其中，hb為傳感器測(cè)得的無人機(jī)當(dāng)前所處的海拔高度，PS為傳感器測(cè)量到的氣壓，β為大氣溫度梯度，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣海平面大氣靜壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，起飛點(diǎn)初始測(cè)得初始海拔高度h0，飛行過程中使用測(cè)得的hb減去h0，即可得到無人機(jī)當(dāng)前的飛行海拔高度。

3.3.2 PID控制方法

PID控制是一種由比例部分P、積分部分I、微分部分D 三種因素變量組合在一起對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算處理后輸出的控制方法。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)旨在測(cè)試無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用效果，從而驗(yàn)證方案的可行性和平臺(tái)的穩(wěn)定性。

PM2.5是近年來最具代表性的空氣污染物，人體吸入后會(huì)粘附在肺泡中不能排出。為了突出空氣中PM2.5的變化量，選取兩個(gè)地點(diǎn)在下雨前后的兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試，得出如圖2(a)所示的分析結(jié)果?？梢悦黠@看出在同一時(shí)間段PM2.5含量有所差別但差距不大，而在下雨后的空氣中，PM2.5的含量明顯降低。

CO2是造成溫室效應(yīng)的主要因素，過高的CO2濃度還會(huì)影響人類呼吸造成神志不清等情況。因此，在高濃度的CO2環(huán)境中（如火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)），采用無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和搜尋是一種有效的手段。為突出CO2的濃度變化，選定同一時(shí)間段的兩個(gè)地點(diǎn)以及同一地點(diǎn)早晚的兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行了測(cè)試。得出了如圖2(b)所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于禮堂（藍(lán)色線）建筑物較為稀疏，場(chǎng)地較為空曠，故其含量相較于建筑物密度較大、人類活動(dòng)較多的西區(qū)（黑色線）要低。而不同時(shí)間段的對(duì)比則更為明顯，西區(qū)上午（黑色線）的CO2濃度相較于同一地點(diǎn)下午的（紅色線）要低，這也符合植物光合作用吸收二氧化碳的時(shí)間規(guī)律。

無人機(jī)具有移動(dòng)速度快和高度優(yōu)勢(shì)，因此攜帶上攝像機(jī)的無人機(jī)可捕捉寬廣的視域，可利用這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡線、尋人、污染溯源等功能，在本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)中還融入了無人機(jī)視覺跟蹤系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際需求，選擇追蹤的對(duì)象。

5 總結(jié)

本位采用無人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種集成多傳感器的環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能夠解決一般和特殊場(chǎng)景下圖像拍攝以及環(huán)境參數(shù)采集的目的。為進(jìn)一步推動(dòng)該平臺(tái)的應(yīng)用，進(jìn)一步的研究方向有典型場(chǎng)景下環(huán)境參數(shù)的模型，探索根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置響應(yīng)的預(yù)警和報(bào)警機(jī)制等。