5G網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下多旋翼無人機大氣監(jiān)測研究

王沛元 田紅英 付俊豪 李子豪

大氣監(jiān)測系統(tǒng)多應(yīng)用于有污染性、危險性且監(jiān)測難度大的高空，為攻克該難題，本研究使用無人機對大氣環(huán)境監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、準(zhǔn)確性對監(jiān)測結(jié)果的判斷和分析至關(guān)重要，因此采用傳輸速率快、低延時的5G環(huán)境進行。該系統(tǒng)可同時采集七種氣體成分及含量參數(shù)。

無人機被廣泛應(yīng)用于大氣監(jiān)測中，不僅可以降低人為監(jiān)測的危險性，還可以提升測量的準(zhǔn)確度，節(jié)約人力成本。另外，原來工作人員監(jiān)測大氣污染情況后，數(shù)據(jù)后期手動錄入，很容易出現(xiàn)錯誤，為經(jīng)濟發(fā)展帶來損失，因此提出多旋翼無人機參與大氣監(jiān)測的方式，但是由于技術(shù)等問題并沒有得到進一步推廣。

5G技術(shù)的突破使得無人機監(jiān)測大氣環(huán)境成為了發(fā)展趨勢，5G逐漸發(fā)展成為無人機領(lǐng)域主導(dǎo)技術(shù)，基本上可實現(xiàn)對航線和目標(biāo)航點的規(guī)范功能。5G技術(shù)與前面各個時代的差距較大，容易實現(xiàn)通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的融合。

一、系統(tǒng)組成

5G網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的多旋翼無人機系統(tǒng)主要是基于STM32411的PIXHAWK飛控控制實現(xiàn)的。采用GPS/BD的RTK差分算法，實現(xiàn)定位精度達到厘米級，確保目標(biāo)航點的準(zhǔn)確性。移動站和基準(zhǔn)站之間以及圖傳模塊、大氣監(jiān)測模塊和地面站之間均采用5G網(wǎng)傳。無人機硬件系統(tǒng)如圖1所示。飛控系統(tǒng)的設(shè)計具有較強的自適應(yīng)性和魯棒性，模塊化設(shè)計，使得維修方便，簡化零件更換。

系統(tǒng)的控制站主要分為空中飛行部分和地面控制部分，空中飛行平臺包含無人機飛控系統(tǒng)，導(dǎo)航和定位系統(tǒng)及大氣監(jiān)測系統(tǒng)模塊；地面控制站包含實時的飛行數(shù)據(jù)顯示，飛控指令的傳輸及氣體接收和分析系統(tǒng)。如圖2所示。

（二）目標(biāo)航點設(shè)定

大氣環(huán)境監(jiān)測對象一般是煙囪、工廠等有污染潛在的區(qū)域，為了避免對工作人員的人身傷害，采用無人機實現(xiàn)。無人機一般分為多旋翼和固定翼，本研究采用多旋翼無人機可以彌補固定翼無人機無法懸停、操作難度高和價格昂貴的特點。而且多旋翼無人機重量輕、便攜、操作簡單。

本研究地面站采用Mission Planner 操作界面，首先，通過遙控試飛確定目標(biāo)航點的坐標(biāo)值。然后通過軟件進行航點以及航點高度設(shè)置，軟件中目標(biāo)航點設(shè)定方法如圖3所示。目標(biāo)航點設(shè)定結(jié)果如圖4所示。無人機利用實時差分定位方法實現(xiàn)厘米級的高精度定位。確保采集結(jié)果準(zhǔn)確無誤。

三、氣體監(jiān)測實驗

氣體監(jiān)測裝置重量在500克作用，本研究采用六旋翼無人機載荷達到2kg，如圖5所示。采用5G網(wǎng)聯(lián)實現(xiàn)實時通訊。這一部分技術(shù)難點在于供電，無人機可自體供電，但是供電電壓是5V，而氣體監(jiān)測系統(tǒng)的供電電壓為12v，因此，氣體檢測系統(tǒng)和定位移動站采用單獨供電方式進行。

本研究大氣監(jiān)測系統(tǒng)集成了其中參數(shù)測試模塊，分別是二氧化碳、二氧化硫、溫度、濕度、PM10、TVOC、PM2.5.通過5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的實時傳輸結(jié)果。可以根據(jù)參數(shù)信息與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范做對比，鑒定該航點氣體排放是否違規(guī)超標(biāo)。

四、系統(tǒng)優(yōu)勢與特點

基于5G網(wǎng)戀的多旋翼無人機大氣監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：5G網(wǎng)絡(luò)的速度比4G快，且基地的網(wǎng)絡(luò)時間延時，工作人員可以無線遠程操作設(shè)備；降低大氣檢測難度；無人機應(yīng)用于大氣監(jiān)測，減少人員安全事故的發(fā)生，還可以實時傳輸監(jiān)測信息；提高監(jiān)測效率；無人機和5G網(wǎng)聯(lián)的引入地形、高度都不會對大氣監(jiān)測造成影響，無人機只需要按照設(shè)置的目標(biāo)航點及feixi該路線進行執(zhí)行即可；降低了投入成本，多個位置的氣體監(jiān)測也只需要一個技術(shù)人員和幾架或者一架無人機實現(xiàn)即可，無需大量工作人員投入大量時間，便可以高效率、高質(zhì)量的完成監(jiān)測任務(wù)。

五、總結(jié)

本文采用5G網(wǎng)聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)高精度導(dǎo)航及其中大氣參數(shù)指標(biāo)的實時監(jiān)測和傳輸，具有很強的科學(xué)價值。直觀的描述了大氣監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和通訊關(guān)系，展示了無人機目標(biāo)航點的設(shè)置方式，及七種大氣參數(shù)監(jiān)測結(jié)果。拓寬了無人機發(fā)展研究方向。

作者單位：山西工程職業(yè)學(xué)院，機械電子工程系

基金項目：山西省重點研發(fā)計劃項目“基于北斗的小型無人機網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究”（基金編號：201703D121002）；

山西省重點研發(fā)計劃項目“智能抓取在機器人柔性生產(chǎn)線中的研究與應(yīng)用”（ 基金編號：201803D121073）；

山西工程職業(yè)學(xué)院教研科研課題（基金編號：jky-201810，jky-201913）