無人機大氣環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉帥克， 王梓琪， 郭 霆， 張澤宇， 司文琪

（黑龍江工程學(xué)院機電工程學(xué)院， 黑龍江哈爾濱 150050）

0 引言

在20 世紀(jì)80 年代初期， 為實時檢測大氣環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)變化， 部分國家已逐步形成了自動化大氣環(huán)境質(zhì)量檢測體系。作為一個工業(yè)強國，我國產(chǎn)業(yè)規(guī)模處于全球前列， 但是我國大氣環(huán)境檢測裝備一直沒有跟上工業(yè)化進(jìn)程。隨著社會發(fā)展，我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，在倡導(dǎo)綠色發(fā)展的當(dāng)下，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾進(jìn)一步激化， 如何保證在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時也能夠確保滿足生態(tài)文明的需求， 成為當(dāng)今一大重點問題。目前的中國大氣環(huán)境檢測體系，大多使用固定式的地面檢測站、 地面移動平臺檢測站以及人工手持測量， 這種傳統(tǒng)的檢測方式有著較大的缺陷， 不僅耗時耗力，而且成本較高，在檢測區(qū)域和檢測類別等方面均會受到一定的限制。無人機作為一種新型載體，在各行各業(yè)均取得了廣泛應(yīng)用，憑借成本低、機動性能強、使用方便等優(yōu)點，使其成為采樣檢測的載體，能夠在高空任何地方懸停進(jìn)行檢測，攻克了高空污染檢測難點。 而且，當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境突發(fā)事件后，無人機能夠突破交通不便、環(huán)境威脅等不利因素， 迅速出現(xiàn)在環(huán)境污染事件所在空域觀察環(huán)境污染狀況，具備很強的實效性。

本文主要闡述了一種以無人機為載體的大氣環(huán)境檢測系統(tǒng)，可以精確的獲取大氣污染物的分布，本系統(tǒng)搭載Arduino Mega2560 主板及多種氣體傳感器，相較于傳統(tǒng)的檢測方法具備低成本、高效率、高可塑性等優(yōu)勢，可以滿足當(dāng)下對大氣檢測的需求。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計概述

1.1 無人機的機型選擇

根據(jù)飛行方式的不同，無人機包括固定翼型、螺旋槳式和傘翼式三種。固定翼無人機的機翼保持不變，依靠通過機翼的風(fēng)力進(jìn)行升降，其在升空的時候必須助跑，落地的時候也一定要滑翔，但由于該型無人機續(xù)航時間長、飛行效率高、負(fù)載大，因此其起降環(huán)境對場地要求較大，適合污染源和擴散態(tài)勢檢測、土地利用檢測，以及水利、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用。 旋翼型無人機利用各電機控制左右螺旋槳轉(zhuǎn)速， 從而實現(xiàn)升力控制， 以此控制飛機姿態(tài)與高度，并進(jìn)行懸停控制，對空氣的干擾也較少，更適合于進(jìn)行普通大氣環(huán)境檢測。 傘翼無人機是指以柔性傘翼取代了剛性翅膀的航空器，主要使用在貨運、通訊、偵查、勘探等。綜上所述，旋翼無人機更適宜于用作大氣檢測裝置的設(shè)計載體。根據(jù)工作要求，選用機身半徑R=23cm，漿葉半徑r=10cm， 軸臂夾角θ=60°， 載荷為5kg 的六旋翼無人機，其重要參數(shù)如圖1 所示[1]。

圖1 六旋翼無人機重要參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of important parameters of hexacopter UAV

1.2 空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1.2.1 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

普通大氣檢測儀器重量較大， 且不具有記錄地理位置和天氣信息、進(jìn)行數(shù)字傳送的特點。 為此，必須自主開發(fā)一種可靠性較好、 精度高的適合于無人機攜帶的大氣環(huán)境檢測裝置，進(jìn)行對大氣環(huán)境中二氧化硫、一氧化碳等各種排放污染物濃度和壓強、相對濕度、地理位置及其他輔助信息數(shù)據(jù)的實時檢測， 并同時進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸和信息顯示，如圖2 所顯示系統(tǒng)即為環(huán)境檢測裝置初代模型，如圖3 所示為環(huán)境檢測系統(tǒng)飛控程序部分代碼。 經(jīng)檢測該系統(tǒng)在飛行環(huán)境中數(shù)據(jù)正常，并具有定點采集、定時檢測的特點[2]。

圖2 檢測系統(tǒng)初代模型Fig.2 The first model of the monitoring system

圖3 環(huán)境檢測系統(tǒng)飛控程序部分代碼Fig.3 Environmental detection system flight controller program part code

圖4 氣體傳感器基本電路Fig.4 Basic circuit of a gas sensor

1.2.2 檢測系統(tǒng)主要所采用的元器件

（1）Arduino Mega2560。Arduino 目前是全世界最受歡迎的開源硬件平臺之一， 而Arduino 公司Mega2560 主板也是目前Arduino 公司各類型主板中引腳、串口、儲存等較為豐富的一款。 Arduino Mega2560 所使用的核心集成電路板端口為USB 接口，同樣也具有五十四路數(shù)字輸入與輸出串口， 并具有十五路的模擬輸入與輸出， 四路UART 端口中還有一組USB 接口等。

（2）ME3 系列氣體傳感器 （以ME3-CO 一氧化碳傳感器為例）。 ME3-CO 型傳感器是定電位電解型CO 傳感器。 在工作電極和對電極上CO 和O2分別發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)，在發(fā)生反應(yīng)的過程中會釋放電荷，因此形成電流，產(chǎn)生的電流大小與CO 濃度成正比，因此我們可以通過檢測電流的大小來判斷CO 濃度的高低。 它能對除目標(biāo)氣體外的其它氣體產(chǎn)生響應(yīng)，抗干擾能力較強，且其精度與靈敏度高，線性范圍寬、穩(wěn)定性強，功耗較低[3]。

（3）Micro SD 卡讀寫模塊。 Micro SD 卡讀取模塊所采用的是SPI 模式的接口方式，Arduino IDE 自帶SPI 庫文件和SD 卡編程庫，并使用SPI 驅(qū)動，單片機即可直接對Micro SD 卡進(jìn)行讀取， 讀寫系統(tǒng)同時支持Micro SD 卡、Micro SDHC 卡（高速卡），與讀寫卡系統(tǒng)的通訊接口均為SPI 端口[4]。

1.3 檢測系統(tǒng)地面工作站的建立

無人機地面站又叫無人機控制站， 是無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮中心，它能夠控制無人機的飛行軌跡、任務(wù)載荷以及飛行器的發(fā)射與回收等等。 無人機地面站能夠進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并根據(jù)任務(wù)要求控制有效載荷，在工作期間，通過無人機地面工作站， 我們能夠十分清晰地看到無人機的運行情況，并進(jìn)行實時地控制，以便我們能夠應(yīng)對各種突發(fā)狀況[5]。

本次地面站應(yīng)用的軟件為Bataflight Configurator 操作頁面如圖5 所示，進(jìn)行無人機飛行前的調(diào)試工作。

圖5 地面工作站的調(diào)試頁面Fig.5 Basic circuit of a gas sensor

1.4 工作流程概述[6]

無人機大氣環(huán)境檢測系統(tǒng)的框架圖如圖6 所示，該系統(tǒng)主要由檢測平臺與數(shù)據(jù)收集平臺構(gòu)成， 當(dāng)無人機搭載多種傳感器進(jìn)行大氣環(huán)境檢測作業(yè)時， 數(shù)據(jù)收集平臺可以即時收集到檢測信息并同步回傳實時畫面。

圖6 氣體傳感器基本電路Fig.6 Architecture diagram of UAV modular environmental monitoring system

本系統(tǒng)所采用的是荷載為5kg 的六旋翼無人機。 基于無人機的多模塊化設(shè)計，可搭載多種傳感器作業(yè)。無人機大氣環(huán)境檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架圖如圖7 所示，數(shù)據(jù)經(jīng)STM32 數(shù)據(jù)處理模塊處理后，連同位置信息與實時畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛鏀?shù)據(jù)收集平臺。

圖7 檢測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.7 Monitoring system hardware system architecture diagram

無人機作業(yè)流程如圖8 所示，在無人機作業(yè)前，應(yīng)提前選擇合適的傳感器，并根據(jù)環(huán)境所需選擇操作模式，在無人機作業(yè)的過程中，可選擇是否開啟SAFE 模式，若進(jìn)入SAFE 模式， 當(dāng)檢測到周圍環(huán)境可見度低或地形影響較大等可能會威脅到無人機安全的情況時， 將禁止執(zhí)行向危險地區(qū)飛行的命令，當(dāng)判定為失聯(lián)狀態(tài)則立即返航，最大程度的減少無人機的損耗。

圖8 檢測系統(tǒng)任務(wù)流程圖Fig.8 Monitoring system task flowchart

2 大氣檢測實驗設(shè)計及檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢和存在問題

2.1 大氣檢測實驗設(shè)計

六旋翼無人機三維模型如圖9 顯示， 攜帶圖像采集系統(tǒng)及氣體傳感器，收集目標(biāo)空域的氣體含量、種類等信息和高清影像資料，并借助常規(guī)氣體測量儀等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場地面試驗。 分別通過手持氣體檢測裝置和無人機氣體質(zhì)量檢測吊艙進(jìn)行對地面的空氣檢測， 然后駕駛無人機飛到指定的檢測空域進(jìn)行定點高度的懸停檢測， 最后獲取檢測區(qū)域的地面及不同高度的空氣含量信息[7]。

圖9 六旋翼無人機三維模型Fig.9 Three-dimensional model of a hexacopter drone

由于無人機的飛行高度有限， 因此無人機監(jiān)控設(shè)備將在25m、50m、75m、100m 建立高空檢測站， 通過無人機懸停采集相應(yīng)時間與空氣含量等信息，并進(jìn)行拍照。高空控制點共計19 處，懸停時間均為20s，整個試驗歷時30～40min。 監(jiān)控地點的空中位置如圖10 所示。

圖10 檢測點位及飛行軌跡Fig.10 Monitor points and flight trajectories

2.2 無人機檢測系統(tǒng)優(yōu)勢

無人機搭載多種傳感器在大氣環(huán)境檢測作業(yè)中具有機動靈活，效率高，精度高，受環(huán)境影響較小等特點，能夠承擔(dān)高風(fēng)險的檢測任務(wù)。在地形崎嶇的山林、有毒氣體聚集的區(qū)域以及未知環(huán)境等場景，危險度較高，不適合使用傳統(tǒng)方法作業(yè)，這時就可利用無人機進(jìn)行高空作業(yè)，通過大氣環(huán)境檢測系統(tǒng)采集氣體信息， 并將實時畫面同步傳輸?shù)降孛婀ぷ髡荆绱艘粊恚脽o人機檢測環(huán)境不僅保質(zhì)保量地完成了氣體檢測的任務(wù)，還避免了人員的傷亡[8]。

無人機飛行速度快， 這便使它能夠在較短的時間里完成更多的檢測任務(wù)，效率極高，依托實時畫面，我們可以快速地了解到任務(wù)區(qū)域的動態(tài)， 并及時的調(diào)整好檢測方案。

2.3 無人機檢測系統(tǒng)存在的問題

經(jīng)大氣檢測實驗分析可知， 利用無人機搭載多種傳感器進(jìn)行大氣環(huán)境檢測作業(yè)過程中仍存在一些問題：

（1）無人機在飛行過程中，各旋翼進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動，對于氣流的擾動較大，這就導(dǎo)致檢測結(jié)果存在一定的誤差。

（2）抗風(fēng)性能問題：當(dāng)?shù)乇盹L(fēng)速超過6 級風(fēng)速時，無人機飛行安全將會受到威脅。 本系統(tǒng)所采用的無人機具有6～8 級抗風(fēng)能力，當(dāng)風(fēng)速超過8 級時，就不能再執(zhí)行任務(wù)。 但在實際應(yīng)用中，由于地理環(huán)境的影響，可能會導(dǎo)致部分地區(qū)風(fēng)速較高，影響無人機大氣檢測作業(yè)。

（3） 承重問題： 由于本系統(tǒng)所采用的無人機荷載為5kg，在進(jìn)行檢測任務(wù)時要搭載傳感器，由于傳感器設(shè)備重量與體積較大，因此難以一次搭載多個傳感器作業(yè)。

3 結(jié)論

盡管無人機在在各行各業(yè)中均取得了廣泛應(yīng)用，但在大氣環(huán)境檢測上的應(yīng)用還存在較大空缺。 本篇所闡述的系統(tǒng)通過氣體傳感器與單片機的組合， 提供了一種擁有完整功能的空氣質(zhì)量檢測設(shè)備。 集單片機，傳感器，無人機系統(tǒng)于一身，可從技術(shù)方面上對系統(tǒng)進(jìn)行改善，進(jìn)一步提高檢測的可靠性，進(jìn)一步提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。