大氣環境無人機監測方法研究

趙海軍

北京奧達清環境檢測有限公司 北京 100043

我國的發展，現代科技的發展速度也在逐漸加快，無人機的興起極大程度的滿足了社會的需求，尤其是在大氣環境監測的方面。無人機能夠在其上搭載可見光相機、紅外成像相機、氣體傳感器，真正實現了對大氣環境的實時監控，使得以往人工監測出現的問題大大減少，為我國的大氣監測工作做出了重要的貢獻。

1 大氣監測設備選擇

常規大氣監測設備體積較大，且不具備記錄地理位置和氣象數據、實現實時傳輸等功能。因此，必須自行研制出穩定性強、精度高的適用于無人機搭載的大氣監測設備，實現環境中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等多種有害氣體濃度及壓強、濕度、地理位置等相關輔助分析參數的同時檢測，并支持遠程數據傳輸和實時顯示。今自主研發的大氣監測設備，經測試在飛行過程中數據傳輸正常，具備定點采樣、定時監測的功能。

2 采用數值模擬確定實驗方案

通過理論分析，可以對旋翼氣動特性作預估，而對于多旋翼系統，準確預測翼間的氣動干擾存在一定難度。在理論計算時，多采用動量法、葉素法及渦流理論等方法，在低雷諾數下分析，并綜合考慮空氣黏性的影響。若要觀察對流場細節，則需要借助計算流體力學（CFD）方法。通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含流體流動等相關物理現象的系統，通過流場主控方程和湍流模型作分析，結果具有較強的說服力，不僅有助于實驗方案設計，還可以為無人機大氣監測結果提供較為準確的依據。旋翼流場問題的解決包括以下幾個方面。（1）幾何模型的建立。無人機葉片木模為生產廠家專利，一般不公開。由于葉片對于無人機旋翼能量轉化起著重要作用，所以必須建立準確的葉片幾何模型。葉片結構比較復雜，一般可以采用3D掃描方法獲取葉片曲面信息。若不具備條件，則建議繪制木模圖，再采用專業的造型軟件，根據木模圖繪制曲線及曲面，得到葉片的實體幾何模型。無人機主體部分繪制完成后，通過布爾運算，從流域減去無人機部分，得到用于劃分計算網格的計算域幾何模型。對于葉片邊緣等角度較小的部分，需作幾何修圓與模型檢測，以達到劃分計算網格的要求。（2）網格劃分。無人機葉片為空間翼型，結構較為復雜，故采用非結構化四面體網格劃分方案。（3）湍流模型。常用的湍流模型包括二方程標準、S-A、k-ε、Realizable k-ε、RNG k-ε、SSTk-ω等。旋翼無人機的周圍流場較復雜，Realiza-ble k-ε模型廣泛應用于轉均勻剪切流、邊界層流動、帶有分離的流動，故采用該模型模擬無人機流場更加準確。（4）數值計算方法。采用三維N-S方程。（5）旋轉模型的選取。選擇FLUENT中MRF旋轉模型，將葉片旋轉計算域內的流場簡化為葉片在全位置的瞬態流場，瞬態流場按穩態問題計算。轉動區域的網格在計算時保持靜止，在慣性坐標系中以科氏力和離心力作穩態問題計算。在2個區域的交界處交換慣性坐標系下的流動參數，以保證交界處的連續性。經計算，無人機旋翼上方受氣流擾動較小，進氣管的長度要足夠長，而過長的進氣管又會影響氣體采集分析時間，造成監測數據不準確，且會影響無人機的飛行姿態。根據計算結果，將環境空氣質量監測吊艙的進氣管置于無人機上方10 cm處[1]。

3 無人機在大氣環境監測中的應用

3.1 可見光相機

目前，我國企業對無人機的使用通常都是采用“無人機+可見光云臺”的形式，這種方式的應用程度最廣，并且取得的效果也是最好的。某些監測企業還會單獨購買幾臺無人機，然后由專業人員對本企業的員工進行培訓，進而形成了簡單的“環保無人機監測隊伍”。現今的相機能夠進行變焦，這種相機的使用，已經使環境監測擁有了新的發展方向，但是可見光相機在對大氣監測時，只能夠對其進行拍照或者錄制視頻，這種相機不能夠提供精準的數據作為支撐，并且在使用的過程中經常會受到各種天氣環境的影響，使得可見光相機只能夠對濃度較大的可見性污染源進行監控，缺乏全面性。常規的可見光載荷只能夠對環保工作有簡單的作用，并且環境監測人員對其的使用程度較低，不能夠有效的使用，出現買回來用不到的情況，直至最后變為一件道具。

3.2 紅外成像

紅外成像儀的出現滿足了社會中安檢工作的需求，并且在電力巡檢方面的應用程度較深。將紅外成像儀應用在環保方面時，是將儀器安裝在無人機上，能夠滿足夜間拍攝的需求，促使環境監測不會受日夜的影響。同時，無人的熱成像儀擁有熱分布可視化的功能，以及測溫等特性功能，使得在夜間進行監測時，能夠明顯的發現排污企業的所在地，直接發現污染的源頭，正是這種功能，實現了夜間偷拍，使得相關的排污企業在沒有發現的情況下就被追查到。紅外成像中的熱像儀受到的環境因素影響巨大，并且相關企業在構建模型時，存在較多的問題，因為不同種類的企業的熱分布形式不同，排放溫度與排放量沒有較大的聯系，進而導致模型的構建比較困難，使得環境監測的需求不能夠被滿足[2]。

3.3 氣體傳感器

“無人機+氣體傳感器”能夠通過搭載多種因子的高精度氣體監測傳感器，進而達到在測區內大范圍巡查的目的，這種監測方式較為常用，并且監測出的數據比較準確。隨著我國相關技術的進步，便攜式傳感器的精度也在逐漸增強，其監測精度甚至可以達到ppb級別，極大程度的滿足了測量大氣污染物濃度的要求。

總之，無人機大氣環境監測研究工作剛剛起步，尤其是在某些特定領域，針對突發性環境空氣污染應急時效性強等特點，對于監測數據的準確性、時效性需考慮多種因素[3]。如監測設備應體積小、質量輕，便于無人機搭載;測量結果有一定的精密度，數據可用;需采用數值模擬手段，針對各種污染物，在各種氣象條件下模擬監測當天的環境狀況。