5G網聯環境下多旋翼無人機大氣監測研究

王沛元 田紅英 付俊豪 李子豪

大氣監測系統多應用于有污染性、危險性且監測難度大的高空，為攻克該難題，本研究使用無人機對大氣環境監測。監測數據的實時性、準確性對監測結果的判斷和分析至關重要，因此采用傳輸速率快、低延時的5G環境進行。該系統可同時采集七種氣體成分及含量參數。

無人機被廣泛應用于大氣監測中，不僅可以降低人為監測的危險性，還可以提升測量的準確度，節約人力成本。另外，原來工作人員監測大氣污染情況后，數據后期手動錄入，很容易出現錯誤，為經濟發展帶來損失，因此提出多旋翼無人機參與大氣監測的方式，但是由于技術等問題并沒有得到進一步推廣。

5G技術的突破使得無人機監測大氣環境成為了發展趨勢，5G逐漸發展成為無人機領域主導技術，基本上可實現對航線和目標航點的規范功能。5G技術與前面各個時代的差距較大，容易實現通訊技術和互聯網的融合。

一、系統組成

5G網聯環境下的多旋翼無人機系統主要是基于STM32411的PIXHAWK飛控控制實現的。采用GPS/BD的RTK差分算法，實現定位精度達到厘米級，確保目標航點的準確性。移動站和基準站之間以及圖傳模塊、大氣監測模塊和地面站之間均采用5G網傳。無人機硬件系統如圖1所示。飛控系統的設計具有較強的自適應性和魯棒性，模塊化設計，使得維修方便，簡化零件更換。

系統的控制站主要分為空中飛行部分和地面控制部分，空中飛行平臺包含無人機飛控系統，導航和定位系統及大氣監測系統模塊；地面控制站包含實時的飛行數據顯示，飛控指令的傳輸及氣體接收和分析系統。如圖2所示。

（二）目標航點設定

大氣環境監測對象一般是煙囪、工廠等有污染潛在的區域，為了避免對工作人員的人身傷害，采用無人機實現。無人機一般分為多旋翼和固定翼，本研究采用多旋翼無人機可以彌補固定翼無人機無法懸停、操作難度高和價格昂貴的特點。而且多旋翼無人機重量輕、便攜、操作簡單。

本研究地面站采用Mission Planner 操作界面，首先，通過遙控試飛確定目標航點的坐標值。然后通過軟件進行航點以及航點高度設置，軟件中目標航點設定方法如圖3所示。目標航點設定結果如圖4所示。無人機利用實時差分定位方法實現厘米級的高精度定位。確保采集結果準確無誤。

三、氣體監測實驗

氣體監測裝置重量在500克作用，本研究采用六旋翼無人機載荷達到2kg，如圖5所示。采用5G網聯實現實時通訊。這一部分技術難點在于供電，無人機可自體供電，但是供電電壓是5V，而氣體監測系統的供電電壓為12v，因此，氣體檢測系統和定位移動站采用單獨供電方式進行。

本研究大氣監測系統集成了其中參數測試模塊，分別是二氧化碳、二氧化硫、溫度、濕度、PM10、TVOC、PM2.5.通過5G網絡實現的實時傳輸結果。可以根據參數信息與標準規范做對比，鑒定該航點氣體排放是否違規超標。

四、系統優勢與特點

基于5G網戀的多旋翼無人機大氣監測系統的優勢在于：5G網絡的速度比4G快，且基地的網絡時間延時，工作人員可以無線遠程操作設備；降低大氣檢測難度；無人機應用于大氣監測，減少人員安全事故的發生，還可以實時傳輸監測信息；提高監測效率；無人機和5G網聯的引入地形、高度都不會對大氣監測造成影響，無人機只需要按照設置的目標航點及feixi該路線進行執行即可；降低了投入成本，多個位置的氣體監測也只需要一個技術人員和幾架或者一架無人機實現即可，無需大量工作人員投入大量時間，便可以高效率、高質量的完成監測任務。

五、總結

本文采用5G網聯技術實現高精度導航及其中大氣參數指標的實時監測和傳輸，具有很強的科學價值。直觀的描述了大氣監測系統的硬件構成和通訊關系，展示了無人機目標航點的設置方式，及七種大氣參數監測結果。拓寬了無人機發展研究方向。

作者單位：山西工程職業學院，機械電子工程系

基金項目：山西省重點研發計劃項目“基于北斗的小型無人機網格化環境監測技術研究”（基金編號：201703D121002）；

山西省重點研發計劃項目“智能抓取在機器人柔性生產線中的研究與應用”（ 基金編號：201803D121073）；

山西工程職業學院教研科研課題（基金編號：jky-201810，jky-201913）