多無(wú)人機(jī)協(xié)同空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

宋志強(qiáng) 方武

摘要：設(shè)計(jì)和開發(fā)基于多無(wú)人機(jī)協(xié)同的智能監(jiān)測(cè)方案，可以提高監(jiān)測(cè)效率可盡量較少地面操作人員的工作量。詳細(xì)介紹了多無(wú)人機(jī)協(xié)同空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方案，從總體上給出了解決框架，為后續(xù)系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);多機(jī)協(xié)同; 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè);系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）26-0092-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： The design and development of intelligent monitoring scheme based on multi-uav collaboration can improve the monitoring efficiency and minimize the workload of operators on the ground. The main contents， key technologies and experimental schemes of multi-UAV collaborative air quality monitoring system are introduced in detail. The solution framework is given in general， which lays a foundation for the development of subsequent systems.

Key words： Unmanned Aerial Vehicle （UAV）; multi-machine synergy; air quality monitoring; overall system design

隨著無(wú)人機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域大放異彩，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也有一些應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]針對(duì)污染源附近的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)收集很困難，特別是場(chǎng)地復(fù)雜，有物理障礙或自身移動(dòng)的情況，提出用小型無(wú)人機(jī)（UAV）可為空氣污染和大氣研究提供新方法，研究空氣采樣器或空氣傳感器的最佳安裝位置。Yang等[4]設(shè)計(jì)了基于無(wú)人機(jī)（UAV）的移動(dòng)AQI監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)高效地構(gòu)建精細(xì)的AQI地圖。Peternel等[2]為了估計(jì)22.5個(gè)月監(jiān)測(cè)期間的地表移動(dòng)模式和五次偵察活動(dòng)，使用基于無(wú)人機(jī)（UAV）的攝影測(cè)量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，該攝影測(cè)量提供高分辨率圖像。Schuyler等[3]采用無(wú)人機(jī)來(lái)準(zhǔn)確記錄溫室氣體的排放來(lái)源和數(shù)量。文獻(xiàn)[4]提出可使用配備傳感器的無(wú)人機(jī)來(lái)執(zhí)行空氣污染監(jiān)測(cè)任務(wù)并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]利用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行火山的成分分析和氣體流量估算。B?rfuss等[6]設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可由無(wú)人機(jī)攜帶進(jìn)行試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者也非常重視無(wú)人機(jī)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究，楊海軍等[7]指出無(wú)人機(jī)遙感作為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的支撐技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)管、環(huán)境保護(hù)上發(fā)揮的重要作用和廣闊的應(yīng)用前景。吳昊[8]設(shè)計(jì)了基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了人工進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的不足。彭艷等[9]提出采用無(wú)人駕駛飛機(jī)搭載微型空氣質(zhì)量檢測(cè)器監(jiān)測(cè)大氣污染的方法

就無(wú)人機(jī)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域而言，目前的應(yīng)用研究沒(méi)有將最先進(jìn)的多機(jī)協(xié)同技術(shù)引入其中，大多是采用單架無(wú)人機(jī)的應(yīng)用方案，且其無(wú)人機(jī)的自主性還不高，基本依賴于地面操作人員的手動(dòng)控制。因此，非常有必要設(shè)計(jì)和開發(fā)基于多無(wú)人機(jī)協(xié)同的智能監(jiān)測(cè)方案，以提高監(jiān)測(cè)效率并盡量較少地面操作人員的工作量。

1 研究目的與意義

為了治理相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)已做了大量工作，但效果還不盡如人意。另一方面，一些企業(yè)為了自身的經(jīng)濟(jì)效益，仍然在違規(guī)排放有害氣體。為了保證人民更加舒適的生活環(huán)境，提供給人們一個(gè)自由呼吸的空氣環(huán)境，我國(guó)的大氣污染監(jiān)測(cè)與治理的任務(wù)越來(lái)越重。多無(wú)人機(jī)協(xié)同空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下重要意義：

1）可為環(huán)境監(jiān)管部門提供快速、有效的解決方案，創(chuàng)新監(jiān)管手段，增強(qiáng)監(jiān)管能力;

2）可以督促企業(yè)規(guī)范排放行為、預(yù)防污染事故和環(huán)境損害;

3）對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)特別是對(duì)固定廠區(qū)污染物排放情況的監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)有效治理，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義、廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值。

2 研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 研究?jī)?nèi)容

1） 無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模及飛行性能分析

根據(jù)飛行力學(xué)原理，建立無(wú)人機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型，根據(jù)樣例無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)、電動(dòng)參數(shù)，計(jì)算并分析無(wú)人機(jī)飛行性能，包括電動(dòng)特性、機(jī)動(dòng)特性和模態(tài)特性等，為同構(gòu)多無(wú)人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2） 同構(gòu)多無(wú)人機(jī)協(xié)同空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成

對(duì)同構(gòu)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成涉及的無(wú)人機(jī)平臺(tái)選型、傳感器選型、傳感器物理集成、傳感器電磁兼容性、傳感器時(shí)間同步、無(wú)人機(jī)重心測(cè)定、無(wú)人機(jī)中立值獲取等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，解決無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)集成過(guò)程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3） 同構(gòu)多無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃研究

研究同構(gòu)多無(wú)人機(jī)協(xié)同空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、多任務(wù)全程化實(shí)時(shí)監(jiān)控、指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)管理技術(shù)，探索多架多旋翼無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)與指揮平臺(tái)的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作業(yè)模式，以提高監(jiān)測(cè)效率。

4） 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)融合研究

對(duì)不同無(wú)人機(jī)傳回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等預(yù)處理，校準(zhǔn)、融合后的數(shù)據(jù)通過(guò)空間插值模型計(jì)算，進(jìn)行空間插值和平滑處理，生成最終的空間分布圖，展示被監(jiān)控區(qū)域范圍的空氣質(zhì)量狀況。

5） 無(wú)人機(jī)自主著陸策略研究

無(wú)人機(jī)由于能量受限，著陸操作對(duì)于其完成作業(yè)任務(wù)起著重要作用，是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均希望迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，其中多旋翼無(wú)人機(jī)能夠安全精準(zhǔn)地完成自主著陸成為無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展的重、難點(diǎn)之一。