大氣環(huán)境無人機(jī)監(jiān)測方法研究

趙海軍

北京奧達(dá)清環(huán)境檢測有限公司 北京 100043

我國的發(fā)展，現(xiàn)代科技的發(fā)展速度也在逐漸加快，無人機(jī)的興起極大程度的滿足了社會(huì)的需求，尤其是在大氣環(huán)境監(jiān)測的方面。無人機(jī)能夠在其上搭載可見光相機(jī)、紅外成像相機(jī)、氣體傳感器，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得以往人工監(jiān)測出現(xiàn)的問題大大減少，為我國的大氣監(jiān)測工作做出了重要的貢獻(xiàn)。

1 大氣監(jiān)測設(shè)備選擇

常規(guī)大氣監(jiān)測設(shè)備體積較大，且不具備記錄地理位置和氣象數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ堋Ｒ虼?，必須自行研制出穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高的適用于無人機(jī)搭載的大氣監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)環(huán)境中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等多種有害氣體濃度及壓強(qiáng)、濕度、地理位置等相關(guān)輔助分析參數(shù)的同時(shí)檢測，并支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示。今自主研發(fā)的大氣監(jiān)測設(shè)備，經(jīng)測試在飛行過程中數(shù)據(jù)傳輸正常，具備定點(diǎn)采樣、定時(shí)監(jiān)測的功能。

2 采用數(shù)值模擬確定實(shí)驗(yàn)方案

通過理論分析，可以對(duì)旋翼氣動(dòng)特性作預(yù)估，而對(duì)于多旋翼系統(tǒng)，準(zhǔn)確預(yù)測翼間的氣動(dòng)干擾存在一定難度。在理論計(jì)算時(shí)，多采用動(dòng)量法、葉素法及渦流理論等方法，在低雷諾數(shù)下分析，并綜合考慮空氣黏性的影響。若要觀察對(duì)流場細(xì)節(jié)，則需要借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含流體流動(dòng)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)，通過流場主控方程和湍流模型作分析，結(jié)果具有較強(qiáng)的說服力，不僅有助于實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，還可以為無人機(jī)大氣監(jiān)測結(jié)果提供較為準(zhǔn)確的依據(jù)。旋翼流場問題的解決包括以下幾個(gè)方面。（1）幾何模型的建立。無人機(jī)葉片木模為生產(chǎn)廠家專利，一般不公開。由于葉片對(duì)于無人機(jī)旋翼能量轉(zhuǎn)化起著重要作用，所以必須建立準(zhǔn)確的葉片幾何模型。葉片結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般可以采用3D掃描方法獲取葉片曲面信息。若不具備條件，則建議繪制木模圖，再采用專業(yè)的造型軟件，根據(jù)木模圖繪制曲線及曲面，得到葉片的實(shí)體幾何模型。無人機(jī)主體部分繪制完成后，通過布爾運(yùn)算，從流域減去無人機(jī)部分，得到用于劃分計(jì)算網(wǎng)格的計(jì)算域幾何模型。對(duì)于葉片邊緣等角度較小的部分，需作幾何修圓與模型檢測，以達(dá)到劃分計(jì)算網(wǎng)格的要求。（2）網(wǎng)格劃分。無人機(jī)葉片為空間翼型，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分方案。（3）湍流模型。常用的湍流模型包括二方程標(biāo)準(zhǔn)、S-A、k-ε、Realizable k-ε、RNG k-ε、SSTk-ω等。旋翼無人機(jī)的周圍流場較復(fù)雜，Realiza-ble k-ε模型廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)均勻剪切流、邊界層流動(dòng)、帶有分離的流動(dòng)，故采用該模型模擬無人機(jī)流場更加準(zhǔn)確。（4）數(shù)值計(jì)算方法。采用三維N-S方程。（5）旋轉(zhuǎn)模型的選取。選擇FLUENT中MRF旋轉(zhuǎn)模型，將葉片旋轉(zhuǎn)計(jì)算域內(nèi)的流場簡化為葉片在全位置的瞬態(tài)流場，瞬態(tài)流場按穩(wěn)態(tài)問題計(jì)算。轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格在計(jì)算時(shí)保持靜止，在慣性坐標(biāo)系中以科氏力和離心力作穩(wěn)態(tài)問題計(jì)算。在2個(gè)區(qū)域的交界處交換慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)參數(shù)，以保證交界處的連續(xù)性。經(jīng)計(jì)算，無人機(jī)旋翼上方受氣流擾動(dòng)較小，進(jìn)氣管的長度要足夠長，而過長的進(jìn)氣管又會(huì)影響氣體采集分析時(shí)間，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，且會(huì)影響無人機(jī)的飛行姿態(tài)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測吊艙的進(jìn)氣管置于無人機(jī)上方10 cm處[1]。

3 無人機(jī)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 可見光相機(jī)

目前，我國企業(yè)對(duì)無人機(jī)的使用通常都是采用“無人機(jī)+可見光云臺(tái)”的形式，這種方式的應(yīng)用程度最廣，并且取得的效果也是最好的。某些監(jiān)測企業(yè)還會(huì)單獨(dú)購買幾臺(tái)無人機(jī)，然后由專業(yè)人員對(duì)本企業(yè)的員工進(jìn)行培訓(xùn)，進(jìn)而形成了簡單的“環(huán)保無人機(jī)監(jiān)測隊(duì)伍”。現(xiàn)今的相機(jī)能夠進(jìn)行變焦，這種相機(jī)的使用，已經(jīng)使環(huán)境監(jiān)測擁有了新的發(fā)展方向，但是可見光相機(jī)在對(duì)大氣監(jiān)測時(shí)，只能夠?qū)ζ溥M(jìn)行拍照或者錄制視頻，這種相機(jī)不能夠提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)作為支撐，并且在使用的過程中經(jīng)常會(huì)受到各種天氣環(huán)境的影響，使得可見光相機(jī)只能夠?qū)舛容^大的可見性污染源進(jìn)行監(jiān)控，缺乏全面性。常規(guī)的可見光載荷只能夠?qū)Νh(huán)保工作有簡單的作用，并且環(huán)境監(jiān)測人員對(duì)其的使用程度較低，不能夠有效的使用，出現(xiàn)買回來用不到的情況，直至最后變?yōu)橐患谰摺?/p>

3.2 紅外成像

紅外成像儀的出現(xiàn)滿足了社會(huì)中安檢工作的需求，并且在電力巡檢方面的應(yīng)用程度較深。將紅外成像儀應(yīng)用在環(huán)保方面時(shí)，是將儀器安裝在無人機(jī)上，能夠滿足夜間拍攝的需求，促使環(huán)境監(jiān)測不會(huì)受日夜的影響。同時(shí)，無人的熱成像儀擁有熱分布可視化的功能，以及測溫等特性功能，使得在夜間進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，能夠明顯的發(fā)現(xiàn)排污企業(yè)的所在地，直接發(fā)現(xiàn)污染的源頭，正是這種功能，實(shí)現(xiàn)了夜間偷拍，使得相關(guān)的排污企業(yè)在沒有發(fā)現(xiàn)的情況下就被追查到。紅外成像中的熱像儀受到的環(huán)境因素影響巨大，并且相關(guān)企業(yè)在構(gòu)建模型時(shí)，存在較多的問題，因?yàn)椴煌N類的企業(yè)的熱分布形式不同，排放溫度與排放量沒有較大的聯(lián)系，進(jìn)而導(dǎo)致模型的構(gòu)建比較困難，使得環(huán)境監(jiān)測的需求不能夠被滿足[2]。

3.3 氣體傳感器

“無人機(jī)+氣體傳感器”能夠通過搭載多種因子的高精度氣體監(jiān)測傳感器，進(jìn)而達(dá)到在測區(qū)內(nèi)大范圍巡查的目的，這種監(jiān)測方式較為常用，并且監(jiān)測出的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。隨著我國相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，便攜式傳感器的精度也在逐漸增強(qiáng)，其監(jiān)測精度甚至可以達(dá)到ppb級(jí)別，極大程度的滿足了測量大氣污染物濃度的要求。

總之，無人機(jī)大氣環(huán)境監(jiān)測研究工作剛剛起步，尤其是在某些特定領(lǐng)域，針對(duì)突發(fā)性環(huán)境空氣污染應(yīng)急時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性需考慮多種因素[3]。如監(jiān)測設(shè)備應(yīng)體積小、質(zhì)量輕，便于無人機(jī)搭載;測量結(jié)果有一定的精密度，數(shù)據(jù)可用;需采用數(shù)值模擬手段，針對(duì)各種污染物，在各種氣象條件下模擬監(jiān)測當(dāng)天的環(huán)境狀況。