基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高彬，孫林，于波，呂夢(mèng)杰，汪俊雄

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院，武漢430083）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，目前，我國(guó)的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，大氣質(zhì)量逐漸下降，2019 年3 月1 日生態(tài)環(huán)境部長(zhǎng)李干杰在全國(guó)第二次會(huì)議記者會(huì)上說(shuō)，大氣重污染三大影響因素“基本搞清楚了”——污染排放、氣象條件、區(qū)域傳輸，其中污染排放是主因和內(nèi)因，其表示生態(tài)環(huán)境部將狠抓落實(shí)，堅(jiān)決打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。在當(dāng)今法律巡視的利劍下，2018 年全國(guó)人大常委會(huì)對(duì)大氣污染防治法的執(zhí)法檢查有了新變化，除了明查之外，還力行“不打招呼、直奔現(xiàn)場(chǎng)”的隨機(jī)抽查。地方政府需要一套高效的大氣檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行工作，隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)已越來(lái)越適應(yīng)多方面的需求。以無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段，讓實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)與無(wú)人機(jī)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量，進(jìn)而為后續(xù)各項(xiàng)工作的開(kāi)展提供必要的支持。

現(xiàn)階段雖然也存在利用互聯(lián)網(wǎng)與無(wú)人機(jī)結(jié)合進(jìn)行大氣檢測(cè)的例子，但是技術(shù)并不夠成熟，有許多的問(wèn)題存在于其中，例如靈活度低、飛行不穩(wěn)定、受環(huán)境影響大、檢測(cè)易受到干擾等，為解決目前存在的一些問(wèn)題，我們提出了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)其創(chuàng)新方式來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣監(jiān)測(cè)的便利與準(zhǔn)確性，本文將從系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、各硬件模塊以及互聯(lián)網(wǎng)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)具體闡述該系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載空中氣體檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)與地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)傳輸、信息交互、遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制，以及對(duì)污染氣體的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

該作品以傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)人機(jī)控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為核心，以雙涵道無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，搭載可伸縮式機(jī)械臂氣體傳感單元和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空中氣味源近距離的氣體檢測(cè)。并通過(guò)地面控制站和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取污染氣體數(shù)據(jù)和氣源異常圖像信息，再基于大數(shù)據(jù)分析，完成對(duì)空中環(huán)境氣體濃度分布的構(gòu)圖以及對(duì)工業(yè)區(qū)域氣體變化的預(yù)估，為工業(yè)污染氣體分析及防范提供一定的依據(jù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)功能介紹

圖2 是系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，以雙涵道同軸雙槳無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，搭載可伸縮機(jī)械臂式傳感單元以及高清攝像頭，可用于監(jiān)測(cè)空中污染氣體。

圖2 雙涵道大氣檢測(cè)無(wú)人機(jī)

它主要具有以下功能：

（1）半自主遠(yuǎn)程控制能力。

（2）空中污染氣體檢測(cè)能力。

（3）遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。

（4）空中飛行自主避障能力。

（5）工業(yè)區(qū)域氣體分布圖構(gòu)建能力。

（6）污染氣體濃度大數(shù)據(jù)分析能力。

系統(tǒng)預(yù)采用一種機(jī)械臂式氣體傳感單元，用于對(duì)工業(yè)污染氣體的檢測(cè)。該單元是由一個(gè)兩自由度機(jī)械臂和多單元模塊化傳感器組成。機(jī)械臂具有靈活伸縮性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的零距離氣體檢測(cè)。多單元模塊化傳感器是由多種污染氣體感器按一定陣列排列組合而成。

系統(tǒng)預(yù)選用六片式2000w 像素高清攝像頭。它不僅有利于地面工作人員通過(guò)地面站接收的視頻信息去了解無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域周?chē)h(huán)境，增加了無(wú)人機(jī)的安全性能，同時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到飛行區(qū)域內(nèi)有工廠存在違規(guī)排放問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)對(duì)違規(guī)排放進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像拍照，并實(shí)時(shí)傳送至地面站。既保證了監(jiān)測(cè)的及時(shí)性又方便了相關(guān)部門(mén)的取證及監(jiān)管。

1.3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)通過(guò)以雙涵道無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，搭載空中氣體檢測(cè)系統(tǒng)和雷達(dá)避障系統(tǒng)，并通過(guò)與地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)傳輸、信息交互、遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)氣體查詢的遠(yuǎn)程控制，以及對(duì)污染氣體的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

首先，無(wú)人機(jī)由操作手控制，在工廠待檢測(cè)區(qū)域附近起飛，到達(dá)待檢測(cè)檢測(cè)區(qū)域后，操作手將無(wú)人機(jī)切換到自主飛行模式，若遇到障礙物將會(huì)規(guī)避調(diào)整路線，無(wú)人機(jī)通過(guò)氣體傳感器采集污染氣體濃度信息，并將濃度信息及時(shí)傳遞到地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，操作人員通過(guò)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常情況，操作人員可通過(guò)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接對(duì)無(wú)人機(jī)飛行進(jìn)行干預(yù)。在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)在氣體傳感器與雷達(dá)協(xié)同作用下，快速追蹤氣體。當(dāng)無(wú)人機(jī)接近空中氣味源頭時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，使無(wú)人機(jī)能夠更加便捷、準(zhǔn)確的獲得氣源信息，根據(jù)氣源信息判斷是否需要伸長(zhǎng)機(jī)械臂進(jìn)行氣體檢測(cè)，最后采集到待檢測(cè)氣體濃度信息并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成對(duì)工業(yè)區(qū)域的氣味探尋。

該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。

圖3 工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件模塊主體設(shè)計(jì)

2.1 雙涵道無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+無(wú)人機(jī)”的大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擬采用雙涵道無(wú)人機(jī)作為基礎(chǔ)飛行平臺(tái)（如圖4 所示），它的基本結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)同軸雙槳涵道（如圖5 所示）、無(wú)人機(jī)飛行控制芯片、慣性導(dǎo)航模塊、GPS 模塊、以及數(shù)據(jù)傳輸模塊組合而成。無(wú)人機(jī)飛行控制芯片可選用德國(guó)的AutoQuad 飛控，慣性導(dǎo)航模塊主要包涵加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)。

圖4 雙涵道無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

圖5 兩個(gè)同軸雙槳涵道結(jié)構(gòu)圖

雙涵道無(wú)人機(jī)相比旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，前飛時(shí)飛行阻力小，飛行姿態(tài)更接近于固定翼飛機(jī)，飛行速度較同級(jí)無(wú)人直升機(jī)高。其螺旋槳滑流受到涵道翼面約束，可以增加約20～30%的附加升力，并且可以減少旋翼氣流對(duì)涵道外周?chē)鷼饬鞯挠绊懀硗?，由于螺旋槳被涵道環(huán)擴(kuò)，無(wú)人機(jī)氣動(dòng)噪聲的傳播受到了涵道壁的阻擋，使得其噪音低，隱蔽性好并且不易危機(jī)到其他人員和設(shè)備，利于在城市中執(zhí)行任務(wù)。

2.2 可伸縮式機(jī)械臂及氣體檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)采用一種可伸縮式機(jī)械臂來(lái)輔助氣體檢測(cè)（如圖6 所示），機(jī)械臂的靈活伸縮性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有障礙物遮擋、煙囪等場(chǎng)合的待檢測(cè)氣體源進(jìn)行零距離檢測(cè)，大大提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。

氣體檢測(cè)模塊將裝載到可伸縮式機(jī)械臂的末端，并且可以準(zhǔn)備多種不同種類(lèi)的氣體傳感器來(lái)滿足多方面的需要，例如當(dāng)待檢測(cè)氣體為SO2時(shí)，本系統(tǒng)擬采用電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、靈敏度較高、檢測(cè)范圍寬、價(jià)格低廉并且可實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)定，多種對(duì)相應(yīng)氣體特制的傳感器使得檢測(cè)精度大大提高。

圖6 可伸縮式機(jī)械臂傳感單元

2.3 自主避障模塊

本系統(tǒng)自主避障模塊雷達(dá)裝置預(yù)選用毫米波雷達(dá)傳感器FMCW，因?yàn)闊o(wú)論是激光雷達(dá)還是攝像頭、超聲波傳感器，都容易受惡劣天氣環(huán)境影響導(dǎo)致性能降低甚至失效（惡劣天氣環(huán)境往往是事故高發(fā)的主要原因），因而都存在“致命”缺陷，而毫米波的分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)性能好，對(duì)煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小，可以保證避障功能的穩(wěn)定可靠。

如圖7 所示為采用人工勢(shì)場(chǎng)避障算法的雙涵道大氣檢測(cè)無(wú)人機(jī)避障流程圖。無(wú)人機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，在飛行過(guò)程中，首先檢測(cè)前方是否有障礙物，若有則根據(jù)雷達(dá)最小避障距離和人工勢(shì)場(chǎng)法來(lái)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行路徑，從而避開(kāi)障礙物，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的安全飛行；若無(wú)障礙物則保持原來(lái)的飛行狀態(tài)。

圖7 空中機(jī)器人避障流程圖

3 互聯(lián)網(wǎng)地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 功能模塊介紹

地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行地面解析，采用模塊化設(shè)計(jì)分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能需求，包括通信控制與數(shù)據(jù)處理模塊、虛擬儀表及數(shù)據(jù)顯示模塊、電子地圖模塊、航跡規(guī)劃模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊五個(gè)模塊（如圖8 所示）。

圖8 互聯(lián)網(wǎng)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

（1）通信控制與數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊分為兩個(gè)部分，第一個(gè)部分是通信控制，其功能為控制串口通信的開(kāi)始關(guān)閉，設(shè)置串口號(hào)，傳輸波特率，校驗(yàn)參數(shù)等；第二個(gè)部分是數(shù)據(jù)處理，其功能為將串口接收的數(shù)據(jù)幀按照指令定義進(jìn)行解析處理，最后送到虛擬儀表和顯示模塊進(jìn)行顯示，并能夠?qū)⒉僮魅藛T下達(dá)的控制指令傳至無(wú)人機(jī)，使無(wú)人機(jī)和地面站能穩(wěn)定，高效的通訊。

（2）虛擬儀表及數(shù)據(jù)顯示模塊：該模塊主要包括兩個(gè)部分：飛行數(shù)據(jù)文本顯示及報(bào)警。飛行數(shù)據(jù)文本顯示及報(bào)警部分通過(guò)數(shù)字，文本的形式將數(shù)據(jù)直觀、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地顯示在操作人員面前，同時(shí)能對(duì)電源和油料以及高度等進(jìn)行安全警報(bào)。

（3）電子地圖模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)電子地圖的加載、地圖層設(shè)置、無(wú)人機(jī)位置的實(shí)時(shí)定位、飛行軌跡的繪制。

（4）航跡規(guī)劃模塊：從實(shí)際任務(wù)出發(fā)，考慮飛行空間內(nèi)已知的威脅源信息，不利因素的限制條件，對(duì)傳統(tǒng)的A-star 規(guī)劃算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)將仿真航點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到實(shí)際地理航點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃算法的應(yīng)用。

（5）數(shù)據(jù)管理模塊：該模塊主要用于無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的入庫(kù)、查詢、展示、數(shù)據(jù)檢查及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，通過(guò)飛行數(shù)據(jù)再對(duì)飛行任務(wù)進(jìn)行分析與管理。

3.2 LabVIEW介紹及界面設(shè)計(jì)

地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)是基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境的交互式用戶接口實(shí)現(xiàn)的，LabVIEW 提供的界面開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具包括按鈕、開(kāi)關(guān)、示波器和圖表，使用戶能夠高效快捷地從地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面上進(jìn)行操作，從而完成各項(xiàng)任務(wù)（如圖9 所示）。

圖9 地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

該地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面由六個(gè)模塊組成：

（1）數(shù)據(jù)通信模塊：主要包括串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位的選擇與設(shè)定；

（2）狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊：電源電量狀態(tài)、方向、高度、速度；

（3）運(yùn)動(dòng)控制模塊：遠(yuǎn)程飛行控制按鈕以及模式切換按鈕；

（4）實(shí)時(shí)畫(huà)面監(jiān)測(cè)模塊：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境；

（5）氣體濃度地圖顯示模塊：呈現(xiàn)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)區(qū)域待監(jiān)測(cè)氣體濃度地圖；

（6）氣體濃度信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前無(wú)人機(jī)所在位置氣體濃度信息。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)與各類(lèi)設(shè)備的結(jié)合是發(fā)展趨勢(shì)，基于“互聯(lián)網(wǎng)+無(wú)人機(jī)”的大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在更好地完成大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)這項(xiàng)重要的任務(wù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的大氣污染情況，幫助國(guó)家環(huán)境監(jiān)管部門(mén)有效應(yīng)對(duì)重污染企業(yè)，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)，推動(dòng)污染企業(yè)整治，加快不達(dá)標(biāo)產(chǎn)能依法關(guān)停退出，加快大氣污染防范，讓群眾享有更多藍(lán)天白云。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，能輔助完成空中飛行、空中避障、準(zhǔn)確尋源、零距離檢測(cè)、地面監(jiān)測(cè)等復(fù)雜功能，大幅度提高工業(yè)氣體檢測(cè)效率、降低勞動(dòng)成本，并可突擊檢查待檢測(cè)工廠，減少虛報(bào)數(shù)據(jù)的情況，提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，成為環(huán)境監(jiān)管部門(mén)的利劍。在當(dāng)前國(guó)家政策的加持下，本系統(tǒng)具有重大研究意義，市場(chǎng)前景巨大。