基于無人機的模塊化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

王千秋，李俊杰，駱 毅

（廣東東軟學院 廣東 佛山 528225）

0 引言

隨著當今社會的快速發(fā)展，人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求帶來了巨大的經(jīng)濟產(chǎn)能需求，與此同時，人們對良好生態(tài)環(huán)境的需求也在不斷增長，經(jīng)濟產(chǎn)能的追求和環(huán)境保護的需求之間容易出現(xiàn)權衡的矛盾。而解決這個矛盾的關鍵就是落實環(huán)境保護措施，在確保生產(chǎn)的合理性和安全性的同時，最大化地滿足人們對生態(tài)環(huán)境的需求[1]。此外，隨著能源多樣性的發(fā)展，需要關注的環(huán)境問題也在早期的大氣污染、水體污染之上增加了光污染、輻射污染等新污染問題。目前的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)多采用固定的地面監(jiān)測站、地面移動平臺監(jiān)測站、或是人工手持測量。傳統(tǒng)的監(jiān)測方式成本較高，而且監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測項目在一定程度上都會受到限制[2-4]。無人機作為一種高效便捷的輔助手段，替代了原有工具并服務于各行各業(yè)，且具有成本低、機動性能好、使用方便等優(yōu)勢，不僅提高了任務執(zhí)行的安全性和可靠性，也廣泛應用于泄漏、火災等環(huán)境突發(fā)事件的安全監(jiān)測，如大氣環(huán)境污染應急監(jiān)測、風險場區(qū)的常規(guī)大氣質(zhì)量狀況巡查、城市低空大氣質(zhì)量狀況監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)的人工環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，以無人機為載體的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以收集多方位和龐雜地區(qū)環(huán)境條件下的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳至終端服務器，實現(xiàn)高效全面的數(shù)據(jù)查詢。

本文提出一種模塊化無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可精確獲取大氣污染物的分布數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測方式，本無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有低成本、即時性、高可塑性、高延展性、高靈活性、自動化處理等優(yōu)勢，可滿足當下對環(huán)境監(jiān)測的需求，并且其高靈活性、高自動化和低人工成本等優(yōu)勢也必然是未來環(huán)境監(jiān)測的主流趨勢。

1 系統(tǒng)概述

1.1 基本功能和基本組成

該模塊化無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有以下基本功能，一是可即時傳輸無人機正前方的圖像數(shù)據(jù)，并顯示到地面控制站的軟件頁面上；二是無人機可搭載所需要的探測設備，在飛行時執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測任務；三是無人機上的數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32單片的處理，會實時打包發(fā)送至地面控制站，并將數(shù)據(jù)與GPS位置結(jié)合，實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維位置。四是該系統(tǒng)可在PC端的軟件上操控無人機，實現(xiàn)脫離無人機手柄操控無人機飛行。五是無人機采用模塊化設計，所有設備如電機螺旋槳、攝像設備、無人機機體組件以及探測設備都是以獨立模塊的結(jié)構匯集到無人機上，可以實現(xiàn)快速拆裝、替換。

該系統(tǒng)框架如圖1所示，主要由無人機移動監(jiān)測平臺和無人機地面控制站組成，在無人機執(zhí)行飛行監(jiān)測任務時，地面控制站可實時接收無人機傳輸?shù)臏y量信息、定位信息和實時畫面，并在不同頁面上展示無人機傳輸過來的各項內(nèi)容。此外，地面控制站還可以即時控制無人機的飛行狀態(tài)，根據(jù)實際情況對其飛行動作進行調(diào)整。該系統(tǒng)可結(jié)合多種探測器進行使用，其中較為基本的監(jiān)測探測器有：用于氣體檢測的常規(guī)工業(yè)氣體檢測集成模組（內(nèi)含ZH03B型PM2.5激光粉塵傳感器、ME3-H2S二氧化硫傳感器、MC105型的催化燃燒式一氧化碳傳感器、催化燃燒式氣體的二氧化碳傳感器、可燃氣、MC119型催化燃燒式工業(yè)燃氣傳感器、ZP07-MP503型的空氣質(zhì)量探測器），用于檢測核輻射數(shù)值的β、γ核素探測儀，用于檢測氣象數(shù)據(jù)的超聲波氣象探測儀等。

圖1 無人機模塊化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構圖

1.2 工作流程概述

本系統(tǒng)所采用的無人機為六旋翼無人機，荷載為5kg，可在無人機上同時搭載多類探測器或水體采樣器，如β射線/γ射線輻射探測器，超聲波空氣數(shù)據(jù)探測器，氣體探測器，GPS定位器等等。硬件結(jié)構如圖2所示，探測器所采集的數(shù)據(jù)由STM32單片機處理后，將測量的數(shù)據(jù)與測量時無人機的GPS三維定位打包發(fā)至地面控制站，在地面站的軟件頁面上實時顯示。

圖2 無人機硬件系統(tǒng)概述圖

無人機作業(yè)流程如圖3所示，飛行前，作業(yè)員需要對飛行設備和飛行環(huán)境進行檢查，根據(jù)項目場景需要選擇合適的探測器。確定所有設備正常后便可制定探測任務和飛行路線，隨后執(zhí)行飛行計劃。在無人機飛行過程中，可選擇開啟安全模式，當監(jiān)測到無人機四周存在障礙或是某個測量數(shù)值過高時，禁止無人機朝障礙物方向或高濃度方向繼續(xù)前行，必要時可一鍵返航，最大程度避免無人機遭受損害或污染。同時，由于無人機在啟動、起飛、空中姿態(tài)調(diào)整時，會產(chǎn)生較大的瞬時電流，因此該系統(tǒng)的無人機移動監(jiān)測站采用了雙電源設計，將無人機的機組部件的供電系統(tǒng)與探測設備和STM32主控的供電電源分開，飛行控制系統(tǒng)與探測設備獨立運作，保障了探測數(shù)據(jù)的精準性和穩(wěn)定性。

圖3 無人機執(zhí)行任務流程圖

2 應用場景舉例

2.1 核輻射風險區(qū)域監(jiān)測探查

切爾諾貝利和福島核電站事故的發(fā)生，讓人們在享受核能帶來的高效產(chǎn)能的同時，也對核的放射性污染懼怕三分[5]。由于人類在短期內(nèi)不能明確感知自己是否暴露在核輻射下，所以在有核輻射外溢、泄露的風險區(qū)域，采用無人機監(jiān)測系統(tǒng)對該區(qū)域進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和收集是較為適合的環(huán)境監(jiān)測方案。它可以有效避免人員安全事故的發(fā)生，并可采集區(qū)域內(nèi)不同高度、不同位置的目標數(shù)據(jù)。在人不踏入該風險區(qū)域的前提下，也能對該區(qū)域有全面的了解。

2.2 在目標區(qū)域進行定時定點定高數(shù)據(jù)采集

在無地面監(jiān)測站或是地面監(jiān)測站無法測量的區(qū)域，采用多旋翼無人機監(jiān)測系統(tǒng)收集不同時段的固定經(jīng)緯度與固定高度下的大氣數(shù)據(jù)和目標氣體濃度，可更好地配合地面監(jiān)測站收集的數(shù)據(jù)進行分析，且由于無人機監(jiān)測系統(tǒng)的便攜性，可實現(xiàn)在一定時間內(nèi)多個定點定高的數(shù)據(jù)采集[6-7]。

2.3 工業(yè)區(qū)廢氣排放平掃監(jiān)測

在當前環(huán)保政策越來越嚴格的情況下，仍會有工廠在半夜或者假日偷排廢氣，而人員走訪監(jiān)測的方案不僅效率較低，而且人工成本高，因此采用無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行區(qū)域平掃監(jiān)測才是更合適的方案[8]。在使用無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時，可在出發(fā)前在地面站系統(tǒng)上事先設定飛行路線，設定好飛行路線后無人機將自動完成飛行路線并返航，在飛行途中還可將實時的檢測數(shù)據(jù)連同GPS定位回傳至地面控制站軟件頁面，并在檢測到超標濃度后發(fā)出警報，可快速、精確地檢測到平掃區(qū)域的廢氣排放情況，更好地落實環(huán)保監(jiān)督政策。

3 無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1 在潛在高風險、高危險的環(huán)境條件中的監(jiān)測優(yōu)勢

無人機具有高機動性和高操縱性等特點。在崎嶇險峻的懸崖、山林，活躍的火山口，沼澤濕地，以及潛在或已知的高危環(huán)境，如核輻射、有毒氣體、有毒氣霧等監(jiān)測或調(diào)查人員難以抵達現(xiàn)場的區(qū)域，可利用無人機的高機動性和無線數(shù)據(jù)傳輸技術，收集到目標區(qū)域現(xiàn)場的圖像數(shù)據(jù)和目標監(jiān)測數(shù)據(jù)如氣體濃度、氣體組成、輻射等級等等，能在有效提高環(huán)境監(jiān)測效率的同時，盡可能避免未知的惡劣、高危環(huán)境對人員生命安全造成傷害。

3.2 在大范圍區(qū)域數(shù)據(jù)收集方面的優(yōu)勢

無人機高速飛行的特點讓其可以在短時間內(nèi)收集更大范圍的目標數(shù)據(jù)，并且受益于無人機的即時傳輸，可在大范圍收集數(shù)據(jù)的同時，觀察目標區(qū)域的變化情況，為接下來的測量方案做出調(diào)整[9]。除此之外，還可以在不同高度進行平掃測量，收集同一區(qū)域不同高度的氣體信息，對該區(qū)域的氣體成分有更為全面的了解和統(tǒng)計。目前，在農(nóng)業(yè)植保方面已經(jīng)有采用無人機播種和噴灑農(nóng)藥、化肥的先例，但在環(huán)境監(jiān)測領域的應用仍然較少。

3.3 模塊化設計的優(yōu)勢

本系統(tǒng)的無人機移動監(jiān)測站采用模塊化設計，其中的探測模塊、無人機GPS模塊、無人機的單個電機旋翼等均為模塊化設計。需要測量不同的數(shù)據(jù)時，可以做到就地快速替換探測器，因此能在同一時間內(nèi)監(jiān)測多種不同的數(shù)據(jù)，包括氣體數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水體表面氣霧數(shù)據(jù)等。并且，當無人機部件意外受損、發(fā)生故障時，也可以做到快速更換維護，不影響后續(xù)的監(jiān)測計劃。

3.4 采集數(shù)據(jù)多樣化的優(yōu)勢

搭載在無人機上的探測設備包括氣體探測、水體容器、水霧探測、核素探測、光輻射探測等，可根據(jù)實際情況選擇多種不同的組合。每次飛行可以同時收集1～3種目標數(shù)據(jù)，在一定程度上減少了環(huán)境監(jiān)測的工作時間，提高環(huán)境監(jiān)測的效率。在水體檢測時，能有效減少水體樣本在運輸過程中的時間損耗，一定程度上保證了水體樣本與水體的一致性。

4 無人機在環(huán)境監(jiān)測存在的問題和改進方向

無人機雖然在環(huán)境監(jiān)測中具有很大的優(yōu)勢，但由于在環(huán)境監(jiān)測領域的應用過少，許多應用還處于測試階段，所以在荷載、續(xù)航和測量方法等方面還存在以下問題：

4.1 無人機飛行條件限制

無人機的抗風性多數(shù)為6級風速，當?shù)乇盹L速超過6級風速時，無人機飛行將會有安全隱患。本文提出的無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所采用的無人機具有6～8級抗風能力，但在風速超過8級時，就不應再執(zhí)行測量任務[10]。而像山谷、高空，或是有強烈對流的區(qū)域，由于其環(huán)境因素導致的小范圍高風速，也可能會影響無人機的執(zhí)勤安全和穩(wěn)定性。因此，提高無人機的抗風性，才能有效提高無人機在環(huán)境監(jiān)測領域的應用范圍。

4.2 仍然較依賴人工操控

在確認安全的區(qū)域執(zhí)行飛行監(jiān)測任務，雖然可以事先設定好飛行航線，由無人機自主完成飛行監(jiān)測任務，但在大多數(shù)任務當中，還是需要人工手動操控調(diào)整無人機的飛行路線。一方面，優(yōu)化無人機的傳感器設備，如自主避障，或是增加視覺跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)目標飛行跟蹤，實時跟蹤監(jiān)測特定目標的輻射情況或是廢氣排放情況，如核動力船只的安全跟蹤、大型貨輪的尾氣排放等[11]。另一方面，可參考無人機表演的無人機群，建立應用于環(huán)境監(jiān)測的無人機集群系統(tǒng)，批量、自動化操控無人機，命令其智能完成簡單的監(jiān)測任務。完善這兩個方面，可使無人機在環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境保護領域能更高效地完成環(huán)境測量任務。

4.3 無人機的荷載能力以及探測器的重量和大小

當今多旋翼無人機的荷載大都不會超過5 kg，再加上探測器設備大多數(shù)都具有體積大、重量大的共性，因此難以實現(xiàn)單個無人機搭載多個探測器的效果，無法完成單次飛行收集多項數(shù)據(jù)的監(jiān)測任務[12]。增加無人機的載重能力或減小探測設備的尺寸和重量，都能使得無人機在環(huán)境監(jiān)測領域具有更高的可塑性，從而增加無人機在環(huán)境監(jiān)測領域的應用。

5 結(jié)語

目前無人機在航拍和表演領域發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但在行業(yè)用機上還有很大的發(fā)展空間，尤其是無人機在環(huán)境監(jiān)測上的應用還存在較大空缺。本文所研究的基于無人機的模塊化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠提供更豐富、更高效、可行性更高的環(huán)境監(jiān)測實施方案。利用無人機的可操縱性、無線傳輸技術和模塊化的探測器組合，可有效拓展環(huán)境監(jiān)測領域的測量、監(jiān)測方式，實現(xiàn)對區(qū)域環(huán)境的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)的多樣性、多維度的分析。該模塊化無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對于無人機的應用領域和環(huán)境監(jiān)測的方式方法具有重大參考價值。