淺析多旋翼無人機在水域環境監測中的應用

梁瑞彪

摘 要：多旋翼無人機在軍用和民用上均有廣泛的應用前景，對地面的觀測則是多旋翼無人機的一種最有前景的用途。本文針對在水域環境監測中實時監測困難問題，提出利用多旋翼無人機搭載水域污染智能監測系統對目標水域進行監測，監測數據通過無線電系統實時傳回到地面端系統，可直觀、全面地掌握地區水域環境的實時動態情況。

關鍵詞：微型多旋翼；環境監測；飛行控制系統

中圖分類號： TP79 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-146-2

1 無人機的定義

無人駕駛航空器簡稱無人機，英文的縮寫為UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。無人機具有受氣候的影響小，效率高反應速度快、能準確定位、準備工作簡單、操作控制容易等特點。整個系統運行穩定，經濟性能高，可以在小面積區域、興趣地點懸停重點拍攝。

2 無人機的分類

①水平起降式：水平起降式機翼為固定式。優點：飛行速度快，可以進行高空飛行，動力效率比高，續航能力強。缺點：受空氣流動影響較大，無法懸停在指定位置，對目標只能進行“盤旋觀察”在復雜地形飛行時需要操作難度高，微型固定翼UAV限于效果的比例，身體容易跟隨流線和角運動，進而影響其穩定性，難以獲得連續穩定清晰的圖像。對起飛和降落場地要求較高，要求起飛及著陸航線平整且無障礙物，且發射或降落時需要考慮風向、風速問題，限制較多。②垂直起降式： 垂直起降式機翼為旋翼式。優點：低空空氣流動對其影響較小，可在空中懸停。可以在興趣目標點進行“懸停凝視”觀測，可以獲得連續穩定清晰的圖像，有利于小目標或局部區域的細致觀測。具有垂直起降能力，可以在惡劣的場地進行起降，對氣象條件要求低，具有較廣的應用范圍。缺點：機翼載荷比水平起降式高，動力效率比低，無法滑行，為減少自重，續航力低，控制系統復雜，容錯率低，容易出現故障。

在多種類的無人機中，四旋翼無人機是目前研究最為廣泛、用途最多的一種。四旋翼無人機由于能夠垂直起降、自由懸停，適應不同的情況，在不同的環境下自由轉向和調速。

3 無人機工作原理

3.1 系統概述

無人機飛行控制系統是無人機的核心，飛行控制系統通過采集飛行器的姿態、速度、壓力、轉速等信息，傳輸給飛行控制處理器，由處理器解算并發出控制無人機飛行狀態的指令，并且通過無線數據通信系統可以向地面站實時傳輸無人機的飛行參數和功能傳感器所探測的目標信息；另一方面，地面站也可以根據需求向無人機發送指令，控制無人機姿態、航向，到達指定地點進行拍攝或探測。整個飛行控制系統的設計是無人機的關鍵，是地面站與機上飛行控制系統的綜合，飛行控制系統的好壞直接決定著無人機的質量。

3.2 無人機探測系統搭載原理

3.2.1 無人機遙感技術

無人機的遙感技術是將傳感器技術、遙測遙控技術搭建在無人機技術的平臺上，并運用計算機技術進行運算控制，通過通信技術完成信息傳輸及存儲，可迅速、自動、智能地獲取相關的環境空間信息，采集數據和應用處理。無人機續航時間長、能實時傳輸影像，具有成本低、高分辨率、機動靈活等特點，在高危地區探測具有較好的應用前景。

3.2.2 利用高分辨CCD相機系統獲取遙感影像

無人機通過控制系統可以實現影像的自動拍攝和獲取，通過航跡的規劃實施監控，將采集的信息數據進行壓縮和自動傳輸，還可以完成影像預處理，可以在水域環境監測提供環境信息，為各級環境部門環境檢測提供便利，并可滿足環境應急響應的需求。

3.2.3 數據融合生成三維立體空間圖

地面站系統搭載了數據融合軟件系統，該系統將傳回的傳感器數據和位置信息等數據，進行數據融合，生成立體三維空間圖，直觀展示各類信息，便于數據分析。

3.3 微型多旋翼無人機系統使用目標設定及定位

衛星及傳統航空器在復雜水域、面積相對小且污染類型多樣的區域拍攝不清晰，無法達到分析要求，無人機飛行器可以在復雜區域完成懸停凝視，拍攝連續穩定高像素圖像，更能細致對進行目標區域進行監測。

四旋翼無人機攜行方便，不受使用場地約束，最高可在6 級風力情況下使用，在陰云、霧霾能見度不良天氣情況下，可以低空或貼水面飛行，獲取水域環境的高清晰圖像，可以實時追蹤和監測突發環境事件的發展。同時借助地面站外部通信設備將無人機實時拍攝巡查地點的高清圖片通過網絡進行轉播或存儲。

3.4 無人機的優點

①多旋翼無人機通過采用GPS 模塊實現了空間定位功能；將網絡通信、自動控制、物聯網及軟件技術，集成在多旋翼無人機上，利用無人機靈活性特點，以點及面，就可以無死角、全方位地探測目標區域環境條件狀況，實現定時定點采樣，極大減小了控制生產成本和系統功耗。②數據融合生成立體三維空間圖；特有設計了地面站系統，實時顯示無人機傳回的傳感器數據和飛機當前位置信息等，同時進行數據融合，直接將數據以立體三維空間圖直觀展示，環境各參數指標一目了然。

4 微型多旋翼無人機的操作注意事項

本文以大疆精靈Phantom 4為例，介紹無人機的使用方法：無人機具體參數如表1。

①在目標地點附近起飛，飛行范圍是以起飛點為中心高度120m以下，半徑500m 范圍內。②四旋翼飛行器可以垂直起降，在目標區域附近垂直起飛，到達預定高度后，飛往目標地點，對目標地進行檢測。在檢測過程中可以根據現場環境調整無人機的高度，便于獲得更清晰的圖像。在飛行過程中要注意于其他建筑或固定障礙物保持20-30m的安全距離，與運動的障礙物需要保持500m的安全距離。在一次出動微型多旋翼無人機時，需要在各組間設立指揮員，協調各組的飛行范圍，保證任務順利。③受電池約束，該型號無人機只能持續飛行28分鐘，信號接收范圍為3.5公里，在飛行時注意飛行時間和距離的控制，避免因沒電或超出控制距離造成損失。

5 多旋翼無人機在水域環境監測中實際的應用

5.1 無人機在水產養殖區的應用

在水產養殖區域，水域環境檢測尤為重要，以水草為例，水草作為大多魚類的食物，可以很好地促進魚類的生長，當水草超過一定數量，會造成水層缺氧，并加速水草死亡，造成水質變壞，不利于魚類養殖。所以魚塘需要實時監視水草數量，人工劃船或觀望難以做到全局觀測，結果比較片面，使用無人機對水域進行全局探測，快速了解魚塘整體情況，也可以在局部進行懸停并凝視，確定水草生長情況，獲得魚塘準確信息并及時制定應對措施。

5.2 無人機在環境檢測的應用

沂河流經臨沂沂水、沂南、臨沂市區，臨沂段全長284公里，流域面積7425平方公里，集水面積2872平方公里，河面最寬達1540米；被臨沂人民譽為"母親河"。是臨沂重要的淡水資源，該河兩岸附近分布著工場和眾多的居民地，存在排污問題。對沂河的環境檢測尤為重要，通過無人機技術可以快速地獲得沂河流域環境情況，對保護水資源具有重大意義。

6 結論

水域環境監測需要對目標區域進行全局觀測和量大的局部觀測，要想獲得大量高質量的局部觀測信息，就需操作靈活，可控制性高的無人機系統組來完成。可以預見的是微型多旋翼無人機將會得到大量應用，而且未來微型多旋翼無人機的發展方向將是智能化、多樣化的空中機器人群組。

參 考 文 獻

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