基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測無人機系統(tǒng)設計

高彬，孫林，于波，呂夢杰，汪俊雄

（武漢科技大學城市學院，武漢430083）

0 引言

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，目前，我國的環(huán)境問題日益嚴峻，大氣質(zhì)量逐漸下降，2019 年3 月1 日生態(tài)環(huán)境部長李干杰在全國第二次會議記者會上說，大氣重污染三大影響因素“基本搞清楚了”——污染排放、氣象條件、區(qū)域傳輸，其中污染排放是主因和內(nèi)因，其表示生態(tài)環(huán)境部將狠抓落實，堅決打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)。在當今法律巡視的利劍下，2018 年全國人大常委會對大氣污染防治法的執(zhí)法檢查有了新變化，除了明查之外，還力行“不打招呼、直奔現(xiàn)場”的隨機抽查。地方政府需要一套高效的大氣檢測設備進行工作，隨著科技的發(fā)展，無人機技術(shù)已越來越適應多方面的需求。以無人機為搭載平臺，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段，讓實現(xiàn)對大氣環(huán)境的實時監(jiān)測成為可能，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)與無人機結(jié)合的優(yōu)勢，增強監(jiān)測質(zhì)量，進而為后續(xù)各項工作的開展提供必要的支持。

現(xiàn)階段雖然也存在利用互聯(lián)網(wǎng)與無人機結(jié)合進行大氣檢測的例子，但是技術(shù)并不夠成熟，有許多的問題存在于其中，例如靈活度低、飛行不穩(wěn)定、受環(huán)境影響大、檢測易受到干擾等，為解決目前存在的一些問題，我們提出了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測系統(tǒng)，通過其創(chuàng)新方式來實現(xiàn)大氣監(jiān)測的便利與準確性，本文將從系統(tǒng)的總體設計、各硬件模塊以及互聯(lián)網(wǎng)地面監(jiān)測系統(tǒng)來具體闡述該系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測無人機系統(tǒng)以無人機作為飛行平臺，搭載空中氣體檢測系統(tǒng)，通過與地面監(jiān)測系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)傳輸、信息交互、遠程控制，實現(xiàn)對無人機的遠程控制，以及對污染氣體的遠程監(jiān)測。

1.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

該作品以傳感監(jiān)測技術(shù)、無人機控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為核心，以雙涵道無人機為平臺，搭載可伸縮式機械臂氣體傳感單元和遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對空中氣味源近距離的氣體檢測。并通過地面控制站和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時獲取污染氣體數(shù)據(jù)和氣源異常圖像信息，再基于大數(shù)據(jù)分析，完成對空中環(huán)境氣體濃度分布的構(gòu)圖以及對工業(yè)區(qū)域氣體變化的預估，為工業(yè)污染氣體分析及防范提供一定的依據(jù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 無人機結(jié)構(gòu)功能介紹

圖2 是系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)簡圖，以雙涵道同軸雙槳無人機作為平臺，搭載可伸縮機械臂式傳感單元以及高清攝像頭，可用于監(jiān)測空中污染氣體。

圖2 雙涵道大氣檢測無人機

它主要具有以下功能：

（1）半自主遠程控制能力。

（2）空中污染氣體檢測能力。

（3）遠程實時監(jiān)控能力。

（4）空中飛行自主避障能力。

（5）工業(yè)區(qū)域氣體分布圖構(gòu)建能力。

（6）污染氣體濃度大數(shù)據(jù)分析能力。

系統(tǒng)預采用一種機械臂式氣體傳感單元，用于對工業(yè)污染氣體的檢測。該單元是由一個兩自由度機械臂和多單元模塊化傳感器組成。機械臂具有靈活伸縮性，可實現(xiàn)復雜環(huán)境下的零距離氣體檢測。多單元模塊化傳感器是由多種污染氣體感器按一定陣列排列組合而成。

系統(tǒng)預選用六片式2000w 像素高清攝像頭。它不僅有利于地面工作人員通過地面站接收的視頻信息去了解無人機飛行區(qū)域周圍環(huán)境，增加了無人機的安全性能，同時，當監(jiān)測到飛行區(qū)域內(nèi)有工廠存在違規(guī)排放問題，可實現(xiàn)對違規(guī)排放進行實時錄像拍照，并實時傳送至地面站。既保證了監(jiān)測的及時性又方便了相關(guān)部門的取證及監(jiān)管。

1.3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)通過以雙涵道無人機為平臺，搭載空中氣體檢測系統(tǒng)和雷達避障系統(tǒng)，并通過與地面監(jiān)測系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)傳輸、信息交互、遠程控制，實現(xiàn)無人機氣體查詢的遠程控制，以及對污染氣體的遠程監(jiān)測。

首先，無人機由操作手控制，在工廠待檢測區(qū)域附近起飛，到達待檢測檢測區(qū)域后，操作手將無人機切換到自主飛行模式，若遇到障礙物將會規(guī)避調(diào)整路線，無人機通過氣體傳感器采集污染氣體濃度信息，并將濃度信息及時傳遞到地面監(jiān)測系統(tǒng)，操作人員通過地面監(jiān)測系統(tǒng)信息實時監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常情況，操作人員可通過地面監(jiān)測系統(tǒng)直接對無人機飛行進行干預。在飛行過程中，無人機在氣體傳感器與雷達協(xié)同作用下，快速追蹤氣體。當無人機接近空中氣味源頭時，通過遠程控制氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，使無人機能夠更加便捷、準確的獲得氣源信息，根據(jù)氣源信息判斷是否需要伸長機械臂進行氣體檢測，最后采集到待檢測氣體濃度信息并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測系統(tǒng)，完成對工業(yè)區(qū)域的氣味探尋。

該無人機系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。

圖3 工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件模塊主體設計

2.1 雙涵道無人機飛行平臺

基于“互聯(lián)網(wǎng)+無人機”的大氣監(jiān)測系統(tǒng)擬采用雙涵道無人機作為基礎(chǔ)飛行平臺（如圖4 所示），它的基本結(jié)構(gòu)主要由兩個同軸雙槳涵道（如圖5 所示）、無人機飛行控制芯片、慣性導航模塊、GPS 模塊、以及數(shù)據(jù)傳輸模塊組合而成。無人機飛行控制芯片可選用德國的AutoQuad 飛控，慣性導航模塊主要包涵加速度計、磁強計、陀螺儀、氣壓計。

圖4 雙涵道無人機飛行平臺

圖5 兩個同軸雙槳涵道結(jié)構(gòu)圖

雙涵道無人機相比旋翼無人機來說，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，前飛時飛行阻力小，飛行姿態(tài)更接近于固定翼飛機，飛行速度較同級無人直升機高。其螺旋槳滑流受到涵道翼面約束，可以增加約20～30%的附加升力，并且可以減少旋翼氣流對涵道外周圍氣流的影響，另外，由于螺旋槳被涵道環(huán)擴，無人機氣動噪聲的傳播受到了涵道壁的阻擋，使得其噪音低，隱蔽性好并且不易危機到其他人員和設備，利于在城市中執(zhí)行任務。

2.2 可伸縮式機械臂及氣體檢測模塊

本系統(tǒng)采用一種可伸縮式機械臂來輔助氣體檢測（如圖6 所示），機械臂的靈活伸縮性，可實現(xiàn)對有障礙物遮擋、煙囪等場合的待檢測氣體源進行零距離檢測，大大提高檢測數(shù)據(jù)的精確度。

氣體檢測模塊將裝載到可伸縮式機械臂的末端，并且可以準備多種不同種類的氣體傳感器來滿足多方面的需要，例如當待檢測氣體為SO2時，本系統(tǒng)擬采用電化學氣體傳感器進行檢測，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、靈敏度較高、檢測范圍寬、價格低廉并且可實時連續(xù)測定，多種對相應氣體特制的傳感器使得檢測精度大大提高。

圖6 可伸縮式機械臂傳感單元

2.3 自主避障模塊

本系統(tǒng)自主避障模塊雷達裝置預選用毫米波雷達傳感器FMCW，因為無論是激光雷達還是攝像頭、超聲波傳感器，都容易受惡劣天氣環(huán)境影響導致性能降低甚至失效（惡劣天氣環(huán)境往往是事故高發(fā)的主要原因），因而都存在“致命”缺陷，而毫米波的分辨率高、抗干擾能力強、探測性能好，對煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小，可以保證避障功能的穩(wěn)定可靠。

如圖7 所示為采用人工勢場避障算法的雙涵道大氣檢測無人機避障流程圖。無人機啟動后，系統(tǒng)進行初始化，在飛行過程中，首先檢測前方是否有障礙物，若有則根據(jù)雷達最小避障距離和人工勢場法來規(guī)劃無人機飛行路徑，從而避開障礙物，實現(xiàn)無人機的安全飛行；若無障礙物則保持原來的飛行狀態(tài)。

圖7 空中機器人避障流程圖

3 互聯(lián)網(wǎng)地面監(jiān)測平臺設計

3.1 功能模塊介紹

地面監(jiān)測平臺主要負責對環(huán)境探測的數(shù)據(jù)進行地面解析，采用模塊化設計分別實現(xiàn)相應的功能需求，包括通信控制與數(shù)據(jù)處理模塊、虛擬儀表及數(shù)據(jù)顯示模塊、電子地圖模塊、航跡規(guī)劃模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊五個模塊（如圖8 所示）。

圖8 互聯(lián)網(wǎng)地面監(jiān)測系統(tǒng)框圖

（1）通信控制與數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊分為兩個部分，第一個部分是通信控制，其功能為控制串口通信的開始關(guān)閉，設置串口號，傳輸波特率，校驗參數(shù)等；第二個部分是數(shù)據(jù)處理，其功能為將串口接收的數(shù)據(jù)幀按照指令定義進行解析處理，最后送到虛擬儀表和顯示模塊進行顯示，并能夠?qū)⒉僮魅藛T下達的控制指令傳至無人機，使無人機和地面站能穩(wěn)定，高效的通訊。

（2）虛擬儀表及數(shù)據(jù)顯示模塊：該模塊主要包括兩個部分：飛行數(shù)據(jù)文本顯示及報警。飛行數(shù)據(jù)文本顯示及報警部分通過數(shù)字，文本的形式將數(shù)據(jù)直觀、準確、實時地顯示在操作人員面前，同時能對電源和油料以及高度等進行安全警報。

（3）電子地圖模塊：該模塊實現(xiàn)電子地圖的加載、地圖層設置、無人機位置的實時定位、飛行軌跡的繪制。

（4）航跡規(guī)劃模塊：從實際任務出發(fā)，考慮飛行空間內(nèi)已知的威脅源信息，不利因素的限制條件，對傳統(tǒng)的A-star 規(guī)劃算法進行改進，實現(xiàn)將仿真航點坐標轉(zhuǎn)換到實際地理航點坐標，實現(xiàn)航跡規(guī)劃算法的應用。

（5）數(shù)據(jù)管理模塊：該模塊主要用于無人機飛行數(shù)據(jù)的入庫、查詢、展示、數(shù)據(jù)檢查及數(shù)據(jù)導出等，通過飛行數(shù)據(jù)再對飛行任務進行分析與管理。

3.2 LabVIEW介紹及界面設計

地面監(jiān)測平臺的界面設計是基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境的交互式用戶接口實現(xiàn)的，LabVIEW 提供的界面開發(fā)設計工具包括按鈕、開關(guān)、示波器和圖表，使用戶能夠高效快捷地從地面監(jiān)測系統(tǒng)界面上進行操作，從而完成各項任務（如圖9 所示）。

圖9 地面監(jiān)測系統(tǒng)界面

該地面監(jiān)測系統(tǒng)界面由六個模塊組成：

（1）數(shù)據(jù)通信模塊：主要包括串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位的選擇與設定；

（2）狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊：電源電量狀態(tài)、方向、高度、速度；

（3）運動控制模塊：遠程飛行控制按鈕以及模式切換按鈕；

（4）實時畫面監(jiān)測模塊：遠程監(jiān)測無人機飛行環(huán)境；

（5）氣體濃度地圖顯示模塊：呈現(xiàn)無人機監(jiān)測區(qū)域待監(jiān)測氣體濃度地圖；

（6）氣體濃度信息實時監(jiān)測模塊：實時顯示當前無人機所在位置氣體濃度信息。

4 結(jié)語

無人機與各類設備的結(jié)合是發(fā)展趨勢，基于“互聯(lián)網(wǎng)+無人機”的大氣監(jiān)測系統(tǒng)的設計旨在更好地完成大氣環(huán)境監(jiān)測這項重要的任務，能夠?qū)崟r監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的大氣污染情況，幫助國家環(huán)境監(jiān)管部門有效應對重污染企業(yè)，加強生態(tài)環(huán)境保護建設，推動污染企業(yè)整治，加快不達標產(chǎn)能依法關(guān)停退出，加快大氣污染防范，讓群眾享有更多藍天白云。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的雙涵道大氣監(jiān)測無人機系統(tǒng)，能輔助完成空中飛行、空中避障、準確尋源、零距離檢測、地面監(jiān)測等復雜功能，大幅度提高工業(yè)氣體檢測效率、降低勞動成本，并可突擊檢查待檢測工廠，減少虛報數(shù)據(jù)的情況，提高檢測數(shù)據(jù)的真實可靠性，成為環(huán)境監(jiān)管部門的利劍。在當前國家政策的加持下，本系統(tǒng)具有重大研究意義，市場前景巨大。