大氣環境探測無人機的設計

顏捷靖　顧瑩　張奕　安雙龍

【摘 要】無人機技術快速發展的今天，為了充分發揮旋翼機在空間上的靈活性，并設計和制作一款搭載溫濕壓傳感器、相機的旋翼機，以實現大氣環境溫度、濕度、氣壓以及能見度等氣象數據的測量。設計出了旋翼機搭載傳感器、數據存儲和傳輸元件的測量平臺，該平臺是基于旋翼機的能見度和常規氣象要素的測量、能見度反演以及相應編程的整合，數據精確可靠，對氣象方面的科研工作有積極意義。該平臺很好地利用了無人機便攜性以及智能化的特點，該平臺能在不同環境下工作，對于各種天氣適應性良好。此外，單片機的運用實現了探測數據的實時傳輸，確保了數據的及時性和可靠性，而且地面站也能夠全程監控和操作無人機，以完成各種不同的任務。

【關鍵詞】無人機；能見度；氣象觀測

1 研究背景

隨著生活質量的提高，城市大氣環境質量越來越受到人們的重視。有研究指出，中國城市空氣中懸浮的顆粒物目前是全世界最高的，大大高于世界衛生組織規定的標準，污染已經嚴重威脅到人們的身心健康和智力發展。現今引起大氣污染的重要因素非PM2.5莫屬。生活在霧霾天氣中，空氣中懸浮的大量塵粒和煙粒等有害物質會對人體的呼吸道造成傷害。

另一方面，無人機技術也逐漸發展和成熟，并用于城市大氣環境研究中。早在上世紀四十年代初，已經有人用攝像方法來測量能見度，通過照相機拍攝黑色目標物，然后從圖片求得目標物與背景的相對亮度比，并以此來測量能見度。但由于當時從拍照、沖洗照片到測定目標物與對比物的亮度對比，全是純手工操作，操作繁瑣，浪費時間，并且數據還不是特別的準確，難以實現真正的定量化，后來這種方法并沒有付諸行動。

在科技水平與計算機技術高速發展的時代，空氣污染監測技術正在飛速提高。但是一臺紅外線測量儀器成本太高，而且非常不便攜。CCD數字攝影技術目前已經開始被用于航空航天、衛星圖片、資源與環境遙感等方面，但是由于成本也很高，不經濟。

眾所周知，空氣質量的好壞對航空、航海、路上交通甚至是軍事活動等都有重要的影響。因此本團隊便有了設想，擬在不減小測量精確度的前提下，降低成本，利用旋翼機（無人機的一種）實現全天時全天候大氣環境的監測，為進一步的科學研究提供基礎。

2 研究內容

為了充分發揮旋翼機在空間上的靈活性，本研究項目擬在旋翼機上搭載照相機和各種測量大氣環境要素的傳感器，以實現大氣環境的監測。為此，可將研究內容分為兩個部分：

（1）旋翼機的改裝。

改裝旋翼機的目的是為了搭載照相機和傳感器。然而旋翼機升空有其最大載重，一旦超過，無法升空。這樣就需要考慮這些設備本身的重量，以滿足要求。搭載的傳感器包括溫度、濕度、氣壓等傳感器。另外，由于傳感器僅是用來采集數據，本身不具備數據存儲和傳輸功能，因此在旋翼機上，還需搭載具備存儲和傳輸功能的元件（單片機）。

（2）基于旋翼機的大氣環境監測研究。

本項目主要對大氣環境中的能見度進行監測，同時采集常規氣象要素，例如溫度、濕度、氣壓等，以便后續分析能見度的成因與氣象要素的關系。具體包括：

能見度和常規氣象要素的測量：通過將旋翼機升空進行多點拍照，測量同一地點不同垂直高度上的能見度和常規氣象要素數據。

能見度反演：能見度不是直接測量的，需要根據利用相機拍照原理及文獻提供的方法來反演能見度。有研究表明，其測出的能見度和精確儀器測出的能見度的誤差在15%以內，精度可以接受。

程序設計：編程的內容包括單片機編程，實現數據的存儲和傳輸；能見度反演原理的程序化。

數據驗證：根據航飛大樓樓頂的自動氣象觀測站的數據，比對旋翼機測量數據，以確定測量精度是否可控。不可控的話需要對儀器、反演方法、程序等進行問題查找，以確定問題來源。

3 技術流程圖

4 研究設備

眾所周知，影響大氣能見度的天氣現象主要有霧和霾。其中，影響霧形成的主要因素有相對濕度、氣溫和氣壓。為了獲得這些數據，在旋翼機上搭載傳感器。

在濕度方面，采用廣州奧松電子有限公司生產的DHT11濕度傳感器，因為其技術成熟，成本較低，誤差較小，抗干擾能力強等優點被廣泛用于各種領域。DHT11里含有一個溫度傳感器，為最終的輸出提供一組溫度數據。

在氣壓方面，采用德國博世公司生產的BMP180。因為功率低，體積小，重量輕，穩定性好且可長期工作而選擇BMP180。BMP180也集成了一個溫度傳感器，與DHT11一起為最終的溫度輸出提供溫度數據。

而霾的形成就相對簡單一些。霾的本質就是固體小顆粒分散在空氣中形成的氣溶膠。而為了檢測固體小顆粒，在旋翼機上搭載日本夏普公司生產的GP2Y1010AU0F。GP2Y1010AU0F是通過檢測空氣中微小顆粒對紅外光的反射來計算空氣中微小顆粒濃度。其功率低，體積小，重量輕。最符合搭載在無人機上進行工作。

在數據整合方面，用了STC15W4K56S4單片機和3dr數傳進行數據的整合與實時回傳。各傳感器測量的數據通過串口通訊傳到STC15W4K56S4單片機里。然后單片機把所得數據進行加工轉化通過串口通訊傳給數傳，再由數傳將數據實時傳輸到地面站。

此外，旋翼機還需搭載輕巧便捷的gopro運動相機。其重量輕，體積小，在各種環境下能穩定工作，支持高清視屏錄制和實時回傳，能滿足本項目對相機的需求。為了是相機在更穩定的條件下進行拍攝，還需為旋翼機安裝一部三軸無刷云臺，通過云臺消除旋翼機的晃動干擾。

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