無人機大氣環境檢測系統設計

劉帥克， 王梓琪， 郭 霆， 張澤宇， 司文琪

（黑龍江工程學院機電工程學院， 黑龍江哈爾濱 150050）

0 引言

在20 世紀80 年代初期， 為實時檢測大氣環境質量的動態變化， 部分國家已逐步形成了自動化大氣環境質量檢測體系。作為一個工業強國，我國產業規模處于全球前列， 但是我國大氣環境檢測裝備一直沒有跟上工業化進程。隨著社會發展，我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，在倡導綠色發展的當下，經濟發展與環境保護之間的矛盾進一步激化， 如何保證在大力發展經濟的同時也能夠確保滿足生態文明的需求， 成為當今一大重點問題。目前的中國大氣環境檢測體系，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，在各行各業均取得了廣泛應用，憑借成本低、機動性能強、使用方便等優點，使其成為采樣檢測的載體，能夠在高空任何地方懸停進行檢測，攻克了高空污染檢測難點。 而且，當出現環境突發事件后，無人機能夠突破交通不便、環境威脅等不利因素， 迅速出現在環境污染事件所在空域觀察環境污染狀況，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境檢測系統，可以精確的獲取大氣污染物的分布，本系統搭載Arduino Mega2560 主板及多種氣體傳感器，相較于傳統的檢測方法具備低成本、高效率、高可塑性等優勢，可以滿足當下對大氣檢測的需求。

1 檢測系統設計概述

1.1 無人機的機型選擇

根據飛行方式的不同，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，依靠通過機翼的風力進行升降，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航時間長、飛行效率高、負載大，因此其起降環境對場地要求較大，適合污染源和擴散態勢檢測、土地利用檢測，以及水利、電力等領域的應用。 旋翼型無人機利用各電機控制左右螺旋槳轉速， 從而實現升力控制， 以此控制飛機姿態與高度，并進行懸?？刂?，對空氣的干擾也較少，更適合于進行普通大氣環境檢測。 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計載體。根據工作要求，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，其重要參數如圖1 所示[1]。

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

1.2 空氣質量檢測系統的設計

1.2.1 檢測系統硬件設計

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、進行數字傳送的特點。 為此，必須自主開發一種可靠性較好、 精度高的適合于無人機攜帶的大氣環境檢測裝置，進行對大氣環境中二氧化硫、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據的實時檢測， 并同時進行遠距離傳輸和信息顯示，如圖2 所顯示系統即為環境檢測裝置初代模型，如圖3 所示為環境檢測系統飛控程序部分代碼。 經檢測該系統在飛行環境中數據正常，并具有定點采集、定時檢測的特點[2]。

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

圖3 環境檢測系統飛控程序部分代碼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分別發生相應的氧化還原反應，在發生反應的過程中會釋放電荷，因此形成電流，產生的電流大小與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。 它能對除目標氣體外的其它氣體產生響應，抗干擾能力較強，且其精度與靈敏度高，線性范圍寬、穩定性強，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 驅動，單片機即可直接對Micro SD 卡進行讀取， 讀寫系統同時支持Micro SD 卡、Micro SDHC 卡（高速卡），與讀寫卡系統的通訊接口均為SPI 端口[4]。

1.3 檢測系統地面工作站的建立

無人機地面站又叫無人機控制站， 是無人機系統的作戰指揮中心，它能夠控制無人機的飛行軌跡、任務載荷以及飛行器的發射與回收等等。 無人機地面站能夠進行任務規劃，并根據任務要求控制有效載荷，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，并進行實時地控制，以便我們能夠應對各種突發狀況[5]。

本次地面站應用的軟件為Bataflight Configurator 操作頁面如圖5 所示，進行無人機飛行前的調試工作。

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

1.4 工作流程概述[6]

無人機大氣環境檢測系統的框架圖如圖6 所示，該系統主要由檢測平臺與數據收集平臺構成， 當無人機搭載多種傳感器進行大氣環境檢測作業時， 數據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計，可搭載多種傳感器作業。無人機大氣環境檢測系統的硬件系統框架圖如圖7 所示，數據經STM32 數據處理模塊處理后，連同位置信息與實時畫面傳輸到地面數據收集平臺。

圖7 檢測系統硬件系統架構圖Fig.7 Monitoring system hardware system architecture diagram

無人機作業流程如圖8 所示，在無人機作業前，應提前選擇合適的傳感器，并根據環境所需選擇操作模式，在無人機作業的過程中，可選擇是否開啟SAFE 模式，若進入SAFE 模式， 當檢測到周圍環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， 將禁止執行向危險地區飛行的命令，當判定為失聯狀態則立即返航，最大程度的減少無人機的損耗。

圖8 檢測系統任務流程圖Fig.8 Monitoring system task flowchart

2 大氣檢測實驗設計及檢測系統的優勢和存在問題

2.1 大氣檢測實驗設計

六旋翼無人機三維模型如圖9 顯示， 攜帶圖像采集系統及氣體傳感器，收集目標空域的氣體含量、種類等信息和高清影像資料，并借助常規氣體測量儀等設備進行現場地面試驗。 分別通過手持氣體檢測裝置和無人機氣體質量檢測吊艙進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行定點高度的懸停檢測， 最后獲取檢測區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， 因此無人機監控設備將在25m、50m、75m、100m 建立高空檢測站， 通過無人機懸停采集相應時間與空氣含量等信息，并進行拍照。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 無人機檢測系統優勢

無人機搭載多種傳感器在大氣環境檢測作業中具有機動靈活，效率高，精度高，受環境影響較小等特點，能夠承擔高風險的檢測任務。在地形崎嶇的山林、有毒氣體聚集的區域以及未知環境等場景，危險度較高，不適合使用傳統方法作業，這時就可利用無人機進行高空作業，通過大氣環境檢測系統采集氣體信息， 并將實時畫面同步傳輸到地面工作站，如此一來，利用無人機檢測環境不僅保質保量地完成了氣體檢測的任務，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，效率極高，依托實時畫面，我們可以快速地了解到任務區域的動態， 并及時的調整好檢測方案。

2.3 無人機檢測系統存在的問題

經大氣檢測實驗分析可知， 利用無人機搭載多種傳感器進行大氣環境檢測作業過程中仍存在一些問題：

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

（2）抗風性能問題：當地表風速超過6 級風速時，無人機飛行安全將會受到威脅。 本系統所采用的無人機具有6～8 級抗風能力，當風速超過8 級時，就不能再執行任務。 但在實際應用中，由于地理環境的影響，可能會導致部分地區風速較高，影響無人機大氣檢測作業。

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

3 結論

盡管無人機在在各行各業中均取得了廣泛應用，但在大氣環境檢測上的應用還存在較大空缺。 本篇所闡述的系統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量檢測設備。 集單片機，傳感器，無人機系統于一身，可從技術方面上對系統進行改善，進一步提高檢測的可靠性，進一步提高測試數據的準確性。