傳感器網絡在環保型無人機中的應用研究

李永樂 黃肇星 問鼎

（沈陽航空航天大學 遼寧沈陽 110136）

傳感器網絡在環保型無人機中的應用研究

李永樂 黃肇星 問鼎

（沈陽航空航天大學 遼寧沈陽 110136）

隨著無人機在環保領域應用研究的進一步深入，作為無人機有效載荷的傳感器系統越來越得到人們的重視。無人機通過搭載不同類型的傳感器可實現不同的節能環保任務。本文對傳感器原理、分類及其特性參數進行了簡要分析與梳理，同時也將環保型無人機進行了分類介紹。通過分析傳感器網絡的工作原理及無人機平臺與傳感器的匹配原則，提出了環保型無人機平臺集成傳感器網絡系統模型。利用該模型可快速進行特定無人機的系統集成，對環保型無人機的產品設計具有一定的借鑒意義。

無人機；節能環保；有效載荷；匹配原則；傳感器網絡

1 前言

無人機作為一個應用平臺，在環保領域通過搭載不同類型的傳感器獲取不同的數據，為節能環保決策提供數據支持。[1]而作為信息系統源頭的傳感器，在一定程度上決定了整個系統的特性和性能指標[2]。因此，如何對環保型無人機進行傳感器系統的集成成為環保型無人機研制過程中的重要一環，通過對無人機與傳感器兩個系統的分類研究，進一步探索無人機平臺與傳感器網絡的匹配原則，進而建立環保型無人機平臺集成傳感器網絡系統模型。傳感器的多極化發展使無人機大有可為，作為無人機應用熱點的遙感技術也正向著光譜信息成像化，雷達成像多極化的方向發展[3-4]，該技術在無人機環保領域也發揮著重要作用。此外，無人機技術也在海洋溢油污染監測、林業現狀調查以及城市規劃等面也有重要應用[5]。

2 機載傳感器網絡

機載傳感器網絡是指無人機平臺所搭載的各種傳感器的一個集成統稱。傳感器網絡構成無人機平臺應用的終端，直接獲取所需的物質或數據。通過無線傳輸系統可實時傳回地面相應監測數據，另外出于數據安全性考慮，也可保存于無人機平臺中的存儲裝置，待無人機返回地面后進行詳細的數據分析。作為數據采集的核心，傳感器的原理分類及其特性是需要理解的重要內容。

2.1 傳感器原理

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定的規律（數學函數法則）轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。具體傳感器原理因其種類不同其實現原理也不同，傳感器的敏感元件工作原理根據學科劃分可歸納為四大類：

※物理類——基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。

※化學類——基于化學反應原理。國際純粹和應用化學聯合會（IUPAC）對化學傳感器進行了如下定義：一種小型化的、能專一和可逆地對某種化合物或某種離子具有應答反應，并能產生一個與此化合物或離子濃度成比例的分析信號的傳感器。

※生物類——基于酶、抗體以及激素等分子識別的功能。生物傳感器包括兩部分：分子識別元件和換能器。通過換能器將分子識別元件與待測物結合所產生的復合物、光、熱等轉變為電信號或光信號，通過傳送裝置傳遞到顯示器，進而進行分析監測。[6]

※智能類——由傳統傳感器與專用微處理器組成。智能傳感器是通過比較人的感官和大腦的協調動作，對微處理器進行相關性編程，使傳感器不僅具備了視覺、聽覺、味覺、觸覺，還有了儲存、思維和邏輯判斷的人工智能[7]。

2.2 傳感器分類

傳感器種類繁多，根據不同的屬性進行劃分是常采用的一種方法。

從人類感官角度出發，有以下五類：

視覺——光敏傳感器；聽覺——聲敏傳感器；嗅覺——氣敏傳感器；味覺——化學傳感器；觸覺——壓敏、溫敏、流體傳感器。

從用途出發，有壓敏傳感器、力敏傳感器、熱敏傳感器、能耗傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器等。

從原理出發，可分為振動傳感器、磁敏傳感器、濕敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。

從輸出信號的標準出發，可分為四類——模擬傳感器，數字傳感器，膺數字傳感器以及開關傳感器。

從作用形式出發，分為主動型傳感器和被動型傳感器兩種，其中前者又分為作用型和反作用型兩種。

此外還可從測量目、傳感器構成、制作工藝等角度出發進行分類。

2.3 傳感器參數

傳感器參數主要分為靜態特性參數和動態特性參數。

靜態特性參數——輸入量和輸出量和時間無關的參數，包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移、辨別力、閾值等參數。

動態特性參數——階躍響應和頻率響應。

傳感器的分辨率——指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。它與傳感器的穩定性有負相相關性。

機載傳感器對無人機安全飛行、任務完成均有重大影響，因此其具體參數的校準也顯得相當重要[8]。

2.4 機載傳感器網絡

機載傳感器網絡是指搭載于無人機上用于飛行控制、數據采集、AD轉換、數據分析以及信號傳輸等環節中所用到的所有傳感器的集合。機載傳感器網絡通過優化布局，協調線路，做到效率與可靠性的最優。

3 節能環保型無人機分類

節能環保型無人機根據不同的任務要求定制特定功能的傳感器網絡，通過機載平臺集成，實現準確、高效、實時的數據傳輸、獲取與分析，為環保部門基礎性數據獲取或應急監測等項目提供技術支持。

3.1 項目環評類無人機

項目環評類無人機通常是以獲取可見光圖像為基礎數據，通過對圖像的目視解譯來確定環評對象是否符合相關環評標準。

搭載傳感器種類一般為可見光數碼相機。分辨率的高低是體現機載可見光數碼相機性能好壞的重要指標。

3.2 水溫監測類無人機

水溫監測類無人機是以獲取監測水面的紅外圖像為基礎數據，進而獲取監測水面的水溫分布圖。水溫數據是河流生態指標中的一項重要數據，可以為生態環境影響評價提供基礎性數據資料。

搭載傳感器種類通常為紅外傳感器。紅外傳感器的小型化、微型化是今后紅外領域突破的一個方向[9]。

圖1 紅外傳感器內部結構與內部電路圖

3.3 大氣監測類無人機

大氣監測類無人機是以獲取大氣樣品的方式，通過分析樣品中某些氣體或污染物（包括PM10、PM2.5等顆粒）的含量、濃度，得到大氣污染指數，進而對空氣質量做出評估。

搭載的傳感器為特定類型的氣體傳感器或PM2.5/PM10灰塵顆粒傳感器。

4 環保型無人機與傳感器網絡的匹配原則

4.1 基于任務的匹配原則

根據無人機系統所要實現的功用，對無人機類型和傳感器種類進行確定。

圖2 固定翼無人機

4.1.1 固定翼類無人機

該類型無人機適用于較大范圍的地面觀測或航拍任務，如京滬鐵路的環保驗收監測[1]，生產建設項目水土保持監測、生物棲息地評價等任務[10-11]。通過搭載光學傳感器來獲取可見光圖像從而完成飛行任務。

4.1.2 旋翼機

該類型無人機由于續航能力和飛行穩定性較固定翼類無人機差，故可進行定點觀測的任務。如進行某河口水溫定期監測或對某區域空氣進行采樣，通過分析得出空氣指標等任務。

圖3 無人直升機

圖4 四旋翼無人機

圖5 環保型無人機平臺集成傳感器網絡系統模型

4.1.3 傳感器種類

飛行任務決定了選擇哪種傳感器，前文對傳感器進行了分類，將幾種可以實現任務要求的傳感器進行對比分析，可從準確度、經濟性、載荷重量等方面進行對比，最后確定最佳選擇。

4.2 基于效率的匹配原則

該原則建立在基于任務的匹配原則基礎之上。無人機平臺系統與傳感器系統的結合讓科技發展產生了一個巨大的飛躍。這是一個效率提高的過程，但是在進行無人機平臺與傳感器網絡匹配時，更應注意效率原則。效，是效果，精確度；率，是速率，完成相應任務快慢的情況。例如機載無線傳感器網絡可實現數據的快速傳輸、轉換與處理，同時可實現多機通訊，靈活高效地解決相關問題[12]。

4.2.1 效果原則

就是盡量選擇測量性能高的傳感器，以保證精確度，減小傳感器系統誤差對數據采集造成的沖擊。

4.2.2 速率原則

就是在運行速度上有優勢的傳感器優先選擇的原則。無論是數據轉換速度還是數據傳輸速度，都很重要。

4.3 基于成本的匹配原則

該原則與效率原則并行，都建立在任務匹配原則基礎之上。由于傳感器價格昂貴，提高精確度的同時也極大地提高了其價格。通過綜合分析，設定其權值，再通過組合計算或數據模型應用來選擇成本允許下的最優配置[13]。

5 節能環保型無人機平臺集成傳感器網絡系統模型

通過對無人機系統的分析研究，我們得到了環保型無人機平臺集成傳感器網絡系統模型，該模型分為以下單元——（1）任務分析。（2）傳感器選型。（3）數據鏈路系統確定。（4）載荷重量范圍確定。（5）無人機選型。（6）無人機平臺系統構建。（7）系統線路規劃。（8）銜接零部件個性化定制。（9）系統集成。（10）交付使用。

各單元之間的關系如下圖所示：

該模型具有直觀清晰的特點，在無人機系統設計方面給出了清晰的思路。當然具體各單元還需自身詳細的內容制定，標準參照，可見無人機系統設計是一個精細而繁雜的工作。任何一部分的設計失誤都可能對最終的運行效果產生巨大的負面影響。

模型建立好了也可以引進虛擬儀器進行系統開發，為實際系統開發提供人機交互的軟件，當然這一方面后續還需要進行詳細研究與設計[14]。

6 總結與展望

隨著環保問題日益嚴峻，環保型無人機已經越來越多的走進公眾的視線，在解決無人機與傳感器系統集成方面，本文進行了相關分析，給出了無人機選型分類以及傳感器分類研究，同時提出了環保型無人機與傳感器的三大匹配原則，最后建立了環保型無人機平臺集成傳感器網絡系統模型。對于將來無人機與傳感器系統集成方向從兩個方面進行預測：

從系統內容方面看，未來將朝著高智能化，高集成化，大數據化以及高效化運作的方向發展。除了常見固定翼無人機之外，其他多旋翼無人機的應用也會更加豐富[15-16]，無人機平臺也將呈現多樣化發展態勢。隨著無人機的設計不斷創新與完善，傳感器的不斷發展進步，相信未來會給人們更大的驚喜[17-19]。

從應用內容方面看，通過無人機與傳感器不同的系統集成方案，未來將會在海洋環保探測，土壤污染監測，水環境質量監測，霧霾污染監測與治理，電磁污染監測等方面發揮更大的作用[19-21]。

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考慮到汽輪機運行的安全性，汽輪機低真空供熱時凝汽器壓力有上限值，通常汽輪機低真空供熱時熱網供水溫度不超過65℃。在供熱系統的設計中室內設計溫度 tn一般取18℃，而室外設計溫度t'w按照地區不同，取值也不同，河北地區的室外設計溫度為-10℃。對方翼型散熱器，其特征系數B為0.25，采用質調節方式時相對流量取為1。而該廠在采用低真空運行方式進行供熱時，將汽輪機的排汽溫度設計為70℃，冷卻水出口溫度為61℃，通過對循環冷卻水量的調節來適應供熱負荷。

在冬季采暖高峰期，根據上述公式得出，采暖負荷受室內外溫度影響，當室外溫度不斷降低，也將達到最大采暖負荷，此時低真空供熱受出口水溫度所限制，在室外溫度過低，低真空供熱無法滿足當前供熱負荷所需達到的熱網供回水溫度時，采用熱網加熱器對出口水進行二次加熱，以適應供熱需求。

隨著負荷的不斷提高，熱網供水、回水溫度也在不斷升高，具體變化如圖2所示：

圖2 熱網供水、回水溫度和環境溫度關系

隨著供水溫度的提高，回水溫度也隨之提高，為防止汽輪機真空隨著回水溫度不斷提高而持續惡化，在熱網回水出口處裝設溫度表，對回水溫度持續監測，在回水溫度過高時，將加大冷卻塔補水，從而降低水溫，保證機組安全運行。

4 汽輪機低真空供熱經濟效益分析

綜上所述，該廠100MW汽輪機低真空供熱相對于原正常運行方式，經濟效益可觀，汽輪機低真空供熱對于抽凝式機組完全可行；汽輪機冷端損失被充分利用，提高了全廠熱效率，對于節能降耗有很大意義；結合該廠實際供熱條件及環境，在熱網首端設置熱網加熱器，在供熱負荷較大時起到調節供水溫度的作用；汽輪機低真空供熱，在將主蒸汽流量增加到460t/h的條件下，汽輪機電功率有所下降，相對內效率略有降低。

參考文獻

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作者簡介

崔冰（1976-），男，江蘇豐縣人，熱能工程專業，碩士，講師，主要研究方向為熱力設備檢修及節能改造。

李永樂（1987—），男，河北肅寧人，碩士研究生，主要從事航空與環境工程方面研究。