一種無人機空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

李壯 賈賀瑞 鄧永紅

摘要：無人機技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已應(yīng)用于社會多個領(lǐng)域，取得了豐碩成果。近幾年我國多個城市空氣質(zhì)量下降，用于城市空氣質(zhì)量監(jiān)測的設(shè)備比較缺乏。本文提出一種無人機空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計，為無人機技術(shù)應(yīng)用于城市空氣質(zhì)量監(jiān)測的發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞：無人機；空氣質(zhì)量監(jiān)測；總體設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）02-0130-02

1 背景

無人機按飛行平臺進行分類，可以分為固定翼無人機、旋翼無人機、無人飛艇、傘降無人機等。旋翼無人機在日常生活中最為常見，應(yīng)用極為廣泛，技術(shù)相應(yīng)成熟。無人機遙測感應(yīng)技術(shù)作為第三代遙感技術(shù)，是無人機對空氣質(zhì)量監(jiān)測的關(guān)鍵，可以對城市大氣數(shù)據(jù)進行采集、存貯、傳輸，越來越被國內(nèi)外的學(xué)者專家所關(guān)注，是學(xué)術(shù)領(lǐng)域與企業(yè)研發(fā)領(lǐng)域的熱點課題。無人機的遙測感應(yīng)是一個綜合系統(tǒng)，其中的核心技術(shù)包括遙測傳感器、數(shù)據(jù)與存儲與實時傳輸技術(shù)。機載空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器是無人機監(jiān)測空氣質(zhì)量的主要設(shè)備，工作類型主要包括樣點采集，粒子探測，紅外掃描，微波輻射等。無人機的數(shù)據(jù)存儲與實時傳輸系統(tǒng)是遙感系統(tǒng)的重要組成部分，直接決定了整個用于空氣質(zhì)量監(jiān)測的無人機規(guī)模與品質(zhì)。無人機平臺與地面控制站的信息（包括控制指令、位置信息、任務(wù)數(shù)據(jù)）傳輸是通過數(shù)據(jù)鏈路進行實現(xiàn)。目前，國內(nèi)對于無人機空氣質(zhì)量監(jiān)測的研發(fā)起步不久，監(jiān)測的主要指標(biāo)也只是粒子濃度、NO2含量、O3含量等。

近些年來我國多個城市空氣質(zhì)量下降，空氣日益嚴(yán)重污染，尤其入冬更被霧霾這個難題困擾，社會各界對此極為關(guān)注。多數(shù)城市對于大氣環(huán)境的監(jiān)測設(shè)備目前依靠空氣質(zhì)量監(jiān)測站以及便攜式的空氣質(zhì)量檢測儀。空氣質(zhì)量監(jiān)測站是空氣質(zhì)量監(jiān)測和對空氣質(zhì)量進行評估的基礎(chǔ)平臺，但只能監(jiān)測本地區(qū)域的平均空氣質(zhì)量，且成本和維護費用較高。便攜式空氣質(zhì)量儀對于多點城市流動環(huán)境監(jiān)測、不定期抽查具有廉價、方便、快捷的優(yōu)勢，但是便攜式質(zhì)量儀監(jiān)測范圍小，不能滿足監(jiān)測區(qū)域的空氣質(zhì)量整體狀況的需求，另外地面常規(guī)空氣質(zhì)量監(jiān)測手段難以對垂直方向的污染源監(jiān)控，旋翼無人機空氣監(jiān)測與數(shù)據(jù)實時處理可以解決這個問題。

這里提出一種基于四軸旋翼無人機的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以彌補現(xiàn)有設(shè)備的不足。四軸旋翼無人機穩(wěn)定性好，能遠(yuǎn)距離飛行，飛行控制簡單可靠，成本低，懸停高度適合空氣質(zhì)量監(jiān)測。機載空氣質(zhì)量傳感器對所監(jiān)測區(qū)域進行采樣與數(shù)據(jù)處理，避免了因監(jiān)測站點有限或分布不合理，少數(shù)人為差錯對空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生的不良影響。

2 無人機空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的概況與總體設(shè)計

這套無人機空氣監(jiān)測系統(tǒng)由四軸旋翼無人機平臺、地面站兩個系統(tǒng)組成，可以針對工業(yè)區(qū)、大型建筑工程施工場所等區(qū)域進行較為精密的空氣質(zhì)量監(jiān)測。四軸旋翼無人機平臺最大飛行半徑3km、最大起飛重量5kg、最長飛行時間48min、飛行高度升限2000m（海拔高度），監(jiān)測空氣質(zhì)量任務(wù)高度（50-400）m（相對高度），最大傾斜姿態(tài)角度30°，垂直方向飛行速度最高4m/s，水平方向飛行速度最高10m/s，可由地面站規(guī)劃控制，或者遙控器目視遙控。進行監(jiān)測任務(wù)時：

1）首先將無人機平臺放置于開闊地，接通無人機與地面站電源，進行硬件與軟件的初始化；

2）隨后加載本次任務(wù)數(shù)據(jù)；

3）無人機平臺接收到地面站飛行指令，開始升空；

4）達(dá)到任務(wù)預(yù)定高度時，無人機平臺開始向任務(wù)點平飛；

5）到達(dá)任務(wù)點后，無人機開始采集此點空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并同時下傳至地面站；

6）完成本點空氣監(jiān)測任務(wù)后，無人機平臺飛往下一任務(wù)點；

7）循環(huán)第5、第6步驟，直到全部任務(wù)點監(jiān)測完成，無人機自主返航；

8）執(zhí)行任務(wù)中若無人機平臺發(fā)生機械故障或電量過低報警，地面站應(yīng)及時發(fā)送返航指令，否則3分鐘之內(nèi)沒有收到地面站返航指令，無人機平臺將自主應(yīng)急返航。

該套無人機空氣監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行概圖如圖1。

無人機平臺系統(tǒng)概圖如圖2。

1）機體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：主要由機架（4軸650碳纖維）、芯片主板、云臺、腳架等組成，機體總體對稱，機體長寬高（38cmx38cmx32 cm），機體結(jié)構(gòu)的整體俯視、側(cè)視圖如圖2。

2）飛行控制系統(tǒng)：飛控主板（核心控制芯片采用意法半導(dǎo)體公司研制的STM32F103R8T6處理器，通過與地面站規(guī)劃的任務(wù)數(shù)據(jù)與無人機修正后的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出脈沖寬度調(diào)制，輸出給電機的驅(qū)動模塊，從而實現(xiàn)無人機平臺的姿態(tài)控制）、姿態(tài)傳感器（實現(xiàn)三軸加速度計、角速度陀螺儀的功能）、電子羅盤（與姿態(tài)傳感器進行互補濾波運算，實現(xiàn)對偏航角的修正）、GPS模塊（實時定位）。

3）動力系統(tǒng)：電動機（采用4008-330KV無刷電機4個）、電子調(diào)速器（采用好盈科技公司所研發(fā)的50A無刷電調(diào)4個）、槳葉（17.5寸折疊碳槳兩對）。

4）任務(wù)系統(tǒng)：相機（GoPro）、空氣質(zhì)量監(jiān)測器（主要采用SKA/WRJ-8深圳圣凱安科技公司所研發(fā)的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀）。

5）信息存儲與傳輸系統(tǒng)：無線通信模塊（與飛控交聯(lián)，可以實現(xiàn)地面站對無人機監(jiān)控及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸）、數(shù)傳天線（Anykey無人機圖傳數(shù)傳天線，824-960的頻率連續(xù)可調(diào)）。

6）供電系統(tǒng)：鋰聚合物電池（20000mah 6s，配有充電器）、電纜，同時提供抵押報警功能。

地面站系統(tǒng)概圖如圖3：

1）地面控制站結(jié)構(gòu)：整站長寬高尺寸（40cmx33 cmx18cm），最大重量不超過6kg，最大負(fù)荷持續(xù)工作時間6h，由控制面板（3k碳纖維，可支持USB/HDMI/SDI/AV/PPM/RJ45NGA/DB9/DCIN接口）、15寸顯示屏（分辨率1280x800，輸入接口HDMI/VGA/AV，LED背光燈，最大亮度達(dá)1000nit）、數(shù)據(jù)收發(fā)送天線等組成。

2）飛行控制系統(tǒng)：適用于Windows XP 32bits、WindowsVista 32/64 bits、Windows 7 32/64 bits、Windows 8 32/64 bits、Windows10 32/64 bits的飛行監(jiān)控軟件，遙控器（采用Futaba-14SG地面站故障應(yīng)急、其他簡單試驗?zāi)繙y遙控使用）。

3）任務(wù)系統(tǒng)：高清數(shù)字圖傳（采用以色列的AmimonProsight 5.8g高清國傳），空氣質(zhì)量監(jiān)測軟件、骯拍軟件。

4）信息存儲與傳輸系統(tǒng)：硬件接口、數(shù)據(jù)信息處理模塊，數(shù)傳電臺（采用MAXStream公司研發(fā)的遠(yuǎn)距離無線數(shù)傳電臺，提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232/485接口、USB或以太網(wǎng)接口）。

5）供電模系統(tǒng)：鋰電池、電纜，同時提供抵押報警功能；可顯示當(dāng)前地面站、無人機平臺電量百分比、電壓。電源管理系統(tǒng)可過電流保護、過壓保護、低壓保護、過容量保護、過功率保護，電池可內(nèi)部自行保護如：過電流保護、過溫保護、過壓保護、低壓保護；若電池單獨供電，地面站可持續(xù)工作2小時；充電方式：220V電源適配器直充。

6）模擬飛行系統(tǒng)模塊：用于模擬練習(xí)，提高無人機操作手熟悉地面站控制飛行過程。

3 結(jié)語

經(jīng)過仿真軟件進行試驗，這套無人機空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的方案總體可行，但之后還要對以下問題進行更深入的研究：

1）最初飛行控制數(shù)學(xué)建模時，忽略了一些干擾因素，控制效果不夠精準(zhǔn)，要從算法上認(rèn)真分析，讓誤差影響微乎其微。

2）在硬件方面，尤其是電機、電調(diào)、電池選用上，希望能找到更好的產(chǎn)品，提升四軸旋翼無人機平臺的品質(zhì)。

3）在航路規(guī)劃上，要分析所監(jiān)控的區(qū)域，合理分布任務(wù)點，進行無人機平臺多組編隊、多任務(wù)規(guī)劃，使這套無人機空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)資源高效利用。

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