基于多旋翼無人機的煙氣監測系統研究

胡偉，李成攻

(1.濟南市生態環境局歷城分局，山東 濟南 250012;2 齊魯工業大學(山東省科學院)山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東 濟南 250014)

環境保護已經成為現階段社會普遍關注的問題。環境監測是環境保護的基礎，準確監測污染物的排放情況是治理廢氣排放的第一步[1-3]。污染源排放氣體的監測主要是鑒別有毒、有害氣體成分，監測相關氣體濃度以及監控氣體排放量。污染治理的實施中需要準確、高效的氣體污染物監測技術，煙氣排放連續監測技術(CEMS)獲得了快速發展，是監督管理的重要手段，也為環境質量評定提供了重要參考。

當前固定污染源普遍安裝有CEMS系統，對排放污染物進行連續監測，取得了較好的效果。但現場的CEMS數據易篡改，同時執法人員現場取證耗時長，往往到達取證現場數據已經恢復正常，無法固定證據。

本文基于四旋翼飛行平臺，構建煙氣監測系統，完成固定污染源的定點、快速取樣，實現空中指定位置的導航、懸停、取樣、回傳，快速完成現場取證工作，為監管提供更加真實、可靠的依據。

1 系統設計

環境監測系統包括旋翼無人機自主飛行系統、機載二氧化硫氣體采樣系統、機載氮氧化物氣體采樣系統、機載塵埃采樣系統、地面通訊控制基站系統、無線傳感網遠程通信系統等。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架

系統由空中的旋翼移動平臺以及地面的工作站組成，旋翼移動平臺上搭載有導航模塊(含高度計)、煙氣檢測模塊(含抽氣泵、溫濕度傳感器，可檢測一個及一個以上的煙氣典型參數，如CO、SO2、NO等)、飛行控制模塊、隔熱隔濕耐腐蝕密封艙以及進行數據通信的無線傳輸模塊。除隔熱隔濕耐腐蝕密封艙外，以上模塊通過電路彼此相連，實現數據的交互、飛行的控制以及監測數據的采集和傳輸。待檢測的氣體通過氣泵從艙外吸收到艙內。

1.1 旋翼移動平臺

旋翼移動平臺由飛行系統、環境信息采集系統、視頻信息采集系統和數據傳輸系統組成，負責進行指定位置和高度的煙氣信息采集。該平臺具有自主飛行能力和煙氣數據在線分析能力，外觀如圖2所示。

圖2 旋翼無人機

通過飛行控制，平臺控制無人機飛行到設定的高度和位置后，保持飛行的高度不變，啟動抽氣泵，煙氣檢測模塊開始工作，進行煙氣信息的采集。通過無線傳輸模塊，采集的數據發射到地面工作站。通過導航模塊內部的高度計，旋翼平臺保持恒定高度，飛行的水平位置的調整由GPS數據確定，無人機始終在設定的水平位置范圍內朝高溫及煙氣濃度最高的位置飛行。返回時，關閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作。

階梯式空間格局的產生是受到經濟發展以及自然地理條件等多種因素共同作用的結果。東部以及東南沿海地區是經濟發展的前沿地區，經濟發達、人口眾多，機場客流受到政治、經濟、人口因素的影響要明顯高于旅游因素。區域交通基礎設施種類豐富、密度大，區域可進入性條件好，機場對區域可進入性的影響并不十分突出，因此呈現出較低的耦合水平。而西北、東北、西南等沿邊地區是典型的旅游資源豐富的地區，卻因地理、經濟和人口等因素導致交通基礎設施相對欠發達，機場建設使得這些區域的可進入性得到根本改善，機場服務的主要對象中旅游者所占比例較大，機場與旅游業之間的互動較為明顯，呈現出相對較高的耦合水平。

1.2 地面基站

地面基站負責向移動平臺發送任務指令，實時監測移動平臺的運行情況，實時接收煙氣監測數據和視頻采集數據。另外，地面基站還存儲移動平臺的路徑規劃和監測點的位置坐標，對傳感器采集信息進行后臺分析處理，得出最終的監測報告。

1.3 差分基準站系統

導航模塊由高度計和GPS模塊組成。高度計和GPS模塊均與飛行控制模塊連接，高度計采用測量氣壓方式，將其換算成旋翼平臺所處的高度值，滿足旋翼平臺保持恒定高度飛行的需要。旋翼平臺通過GPS模塊實時獲取經緯度、高度、航跡方向、地速(指無人機相對于地面物體的速度)等信息。

GPS 測量是通過地面接收設備接收衛星傳送來的信息，計算同一時刻地面接收設備到多顆衛星之間的偽距離，采用空間距離后方交會方法，來確定地面點的三維坐標。

1.4 飛行控制模塊

飛行控制模塊，采用兩級PID控制方式。第一級是導航級，第二級是控制級。導航級PID控制解決飛機如何以預定空速飛行在預定高度以及如何轉彎飛往目標等問題。通過算法給出飛機的俯仰角、油門和橫滾角。控制級PID依據需要的俯仰角、油門、橫滾角，結合飛機當前的姿態解算出合適的舵機控制量，使飛機保持預定的俯仰角、橫滾角和偏航角。

1.5 煙氣檢測模塊

煙氣檢測模塊包括依次串聯連接的采樣軟管、溫濕度傳感器、汽水分離器、過濾器、單向閥、抽氣泵和傳感器腔。傳感器腔上設有若干傳感器，傳感器腔與清洗泵連接。

煙氣檢測模塊，能夠在煙道溫度0～650 ℃正常工作。氣泵采用德國THOMAS微型真空泵，能夠在高溫、高濕及強腐蝕氣體環境中工作，泵流量能達到0.6 L/min的恒定控制。NO氣體濃度測量范圍達到0～1200 mg/m3，SO2氣體濃度測量范圍達到0～13 000 mg/m3，煙塵濃度測量范圍0～4000 mg/m3。

2 飛行控制實現方法

2.1 姿態解算

距離排煙口越遠煙氣擴散越嚴重，因此，在監測過程中，飛行器需要盡可能地靠近排煙口中心。大型排煙口工作環境惡劣，粉塵、高溫、蒸汽、GPS偏移等嚴重影響無人機飛行安全，更需要良好的控制算法完成姿態控制，實時、準確地獲得飛行器的姿態信息，提高飛行器的控制精度和穩定性。本文采用雙環補償濾波算法，外環引用重力場和地磁場進行補償，內環引用重力場進行補償，并將修正后的陀螺儀和磁羅盤進行互補濾波，流程如圖3所示。

圖3 姿態解算流程

2.2 飛行控制方法

飛行控制方法，依據需要的俯仰角、油門、滾轉角，結合多旋翼當前的姿態和飛行控制方法解算出合適的舵機控制量，使飛機保持預定的偏航角、俯仰角、滾轉角。

多旋翼的飛行控制方法如式1所示：

(1)

其中，ψ是偏航角，θ是俯仰角，φ是滾轉角，x、y、z分別表示多旋翼飛行過程中的三維坐標。

姿態解算的核心在于旋轉的控制，一般旋轉有4種表示方式：矩陣表示、歐拉角表示、軸角表示和四元數表示。本文的飛行控制算法采用四元數保存組合姿態、輔以矩陣來變換向量的方法。

用一個圈表示q是一個四元數：

(2)

四元數的長度(模)表示為：

(3)

對四元數單位化，表示一個旋轉：

(4)

四元數相乘，實現旋轉組合：

(5)

本文引入運算q(ω,θ)，把繞單位向量ω轉θ角的旋轉表示為四元數：

(6)

為了更方便運算，本文引入q(f,t)，把向量f的方向轉到向量t的方向，生成表示對應旋轉的四元數：

(7)

為了把“四元數表示”轉“矩陣表示”，本文引入運算R(q)表示四元數q對應的矩陣：

(8)

多個旋轉的組合用四元數的乘法來實現：

(9)

4 實驗驗證

4.1 煙氣檢測模塊測試

為了真實地檢驗便攜式煙氣分析儀的性能,采用配氣儀配置出不同濃度的包含所有被測氣體的混合氣體,然后通入儀表中,待液晶屏上的濃度示值穩定后與配氣儀數值進行對比。對比數據如表1所示。

表1 煙氣模塊測試

從表1可以看出，被測的4種氣體濃度值絕對誤差小于0.5%，達到預期精度要求。

4.2 實驗分析

本文以某電廠某發電機組煙氣排放監測為例，進一步說明系統的監測過程和監測效果。系統監測過程如下：

(1)將移動平臺放置在平整空曠的地面上，保證移動平臺周圍5 m內沒有遮擋物，且移動平臺正上方無障礙物。安裝好移動平臺的數傳天線和圖傳天線，打開移動平臺電源開關，觀察移動平臺電源電壓顯示屏，確認每組電源電壓大于4.1 V。

圖4 主界面

(2)打開地面通訊控制基站，安裝好圖傳天線、數傳天線和風速儀，并且將風速儀固定好，依次啟動總電源、PC電源、數傳電源和圖傳電源。

(3)基站軟件顯示屏顯示基站控制軟件進入自動啟動狀態，程序啟動完畢后進入主界面，主界面如圖4所示。

(4)與移動平臺連接成功后，即可進行任務執行，首先在地圖上雙擊任務點，進入飛行條件檢查階段，第一步確認是否執行任務。

(5)待GPS衛星信號質量和電池續航能力、風速逐一確認后，將飛行任務路徑規劃寫入移動平臺，選擇任務點后，輕推地面基站上的油門，移動平臺進行自主起飛。

(6)當移動平臺到達指定煙氣采集任務點后，實時傳回煙氣數據，移動平臺的實時姿態和飛行軌跡等信息也在系統中顯示。執行完任務，自動生成監測任務報告。

某電廠某次監測的實時回傳數據如表2所示。經過與在線監測數據對比，實時回傳數據滿足精度要求，更符合當時的運行情況，具有更好的參考價值。

表2 實時回傳數據

5 結論

本文設計了基于多旋翼無人機的煙氣監測系統，實現了對固定污染源煙氣的多點、實時監測。測試結果表明，該系統采樣精度高，滿足實時監測的需求。與現有固定位置煙氣排放采集裝置相比，基于旋翼無人機的遠程監測系統的采集位置和時間更靈活，同時借助旋翼飛機的快速移動性，能夠實現遠距離定點煙氣排放信息采集，從而為環保部門提供有害氣體排放等監測、監管的有力數據支撐。