傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)保型無人機(jī)中的應(yīng)用研究

李永樂 黃肇星 問鼎

（沈陽航空航天大學(xué) 遼寧沈陽 110136）

傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)保型無人機(jī)中的應(yīng)用研究

李永樂 黃肇星 問鼎

（沈陽航空航天大學(xué) 遼寧沈陽 110136）

隨著無人機(jī)在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入，作為無人機(jī)有效載荷的傳感器系統(tǒng)越來越得到人們的重視。無人機(jī)通過搭載不同類型的傳感器可實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)能環(huán)保任務(wù)。本文對傳感器原理、分類及其特性參數(shù)進(jìn)行了簡要分析與梳理，同時(shí)也將環(huán)保型無人機(jī)進(jìn)行了分類介紹。通過分析傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理及無人機(jī)平臺與傳感器的匹配原則，提出了環(huán)保型無人機(jī)平臺集成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。利用該模型可快速進(jìn)行特定無人機(jī)的系統(tǒng)集成，對環(huán)保型無人機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

無人機(jī)；節(jié)能環(huán)保；有效載荷；匹配原則；傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 前言

無人機(jī)作為一個(gè)應(yīng)用平臺，在環(huán)保領(lǐng)域通過搭載不同類型的傳感器獲取不同的數(shù)據(jù)，為節(jié)能環(huán)保決策提供數(shù)據(jù)支持。[1]而作為信息系統(tǒng)源頭的傳感器，在一定程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的特性和性能指標(biāo)[2]。因此，如何對環(huán)保型無人機(jī)進(jìn)行傳感器系統(tǒng)的集成成為環(huán)保型無人機(jī)研制過程中的重要一環(huán)，通過對無人機(jī)與傳感器兩個(gè)系統(tǒng)的分類研究，進(jìn)一步探索無人機(jī)平臺與傳感器網(wǎng)絡(luò)的匹配原則，進(jìn)而建立環(huán)保型無人機(jī)平臺集成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。傳感器的多極化發(fā)展使無人機(jī)大有可為，作為無人機(jī)應(yīng)用熱點(diǎn)的遙感技術(shù)也正向著光譜信息成像化，雷達(dá)成像多極化的方向發(fā)展[3-4]，該技術(shù)在無人機(jī)環(huán)保領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。此外，無人機(jī)技術(shù)也在海洋溢油污染監(jiān)測、林業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查以及城市規(guī)劃等面也有重要應(yīng)用[5]。

2 機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)

機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)是指無人機(jī)平臺所搭載的各種傳感器的一個(gè)集成統(tǒng)稱。傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無人機(jī)平臺應(yīng)用的終端，直接獲取所需的物質(zhì)或數(shù)據(jù)。通過無線傳輸系統(tǒng)可實(shí)時(shí)傳回地面相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，另外出于數(shù)據(jù)安全性考慮，也可保存于無人機(jī)平臺中的存儲裝置，待無人機(jī)返回地面后進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。作為數(shù)據(jù)采集的核心，傳感器的原理分類及其特性是需要理解的重要內(nèi)容。

2.1 傳感器原理

國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。具體傳感器原理因其種類不同其實(shí)現(xiàn)原理也不同，傳感器的敏感元件工作原理根據(jù)學(xué)科劃分可歸納為四大類：

※物理類——基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。

※化學(xué)類——基于化學(xué)反應(yīng)原理。國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）對化學(xué)傳感器進(jìn)行了如下定義：一種小型化的、能專一和可逆地對某種化合物或某種離子具有應(yīng)答反應(yīng)，并能產(chǎn)生一個(gè)與此化合物或離子濃度成比例的分析信號的傳感器。

※生物類——基于酶、抗體以及激素等分子識別的功能。生物傳感器包括兩部分：分子識別元件和換能器。通過換能器將分子識別元件與待測物結(jié)合所產(chǎn)生的復(fù)合物、光、熱等轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蚬庑盘枺ㄟ^傳送裝置傳遞到顯示器，進(jìn)而進(jìn)行分析監(jiān)測。[6]

※智能類——由傳統(tǒng)傳感器與專用微處理器組成。智能傳感器是通過比較人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，對微處理器進(jìn)行相關(guān)性編程，使傳感器不僅具備了視覺、聽覺、味覺、觸覺，還有了儲存、思維和邏輯判斷的人工智能[7]。

2.2 傳感器分類

傳感器種類繁多，根據(jù)不同的屬性進(jìn)行劃分是常采用的一種方法。

從人類感官角度出發(fā)，有以下五類：

視覺——光敏傳感器；聽覺——聲敏傳感器；嗅覺——?dú)饷魝鞲衅鳎晃队X——化學(xué)傳感器；觸覺——壓敏、溫敏、流體傳感器。

從用途出發(fā)，有壓敏傳感器、力敏傳感器、熱敏傳感器、能耗傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器等。

從原理出發(fā)，可分為振動傳感器、磁敏傳感器、濕敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。

從輸出信號的標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，可分為四類——模擬傳感器，數(shù)字傳感器，膺數(shù)字傳感器以及開關(guān)傳感器。

從作用形式出發(fā)，分為主動型傳感器和被動型傳感器兩種，其中前者又分為作用型和反作用型兩種。

此外還可從測量目、傳感器構(gòu)成、制作工藝等角度出發(fā)進(jìn)行分類。

2.3 傳感器參數(shù)

傳感器參數(shù)主要分為靜態(tài)特性參數(shù)和動態(tài)特性參數(shù)。

靜態(tài)特性參數(shù)——輸入量和輸出量和時(shí)間無關(guān)的參數(shù)，包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移、辨別力、閾值等參數(shù)。

動態(tài)特性參數(shù)——階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)。

傳感器的分辨率——指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。它與傳感器的穩(wěn)定性有負(fù)相相關(guān)性。

機(jī)載傳感器對無人機(jī)安全飛行、任務(wù)完成均有重大影響，因此其具體參數(shù)的校準(zhǔn)也顯得相當(dāng)重要[8]。

2.4 機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)

機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)是指搭載于無人機(jī)上用于飛行控制、數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析以及信號傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)中所用到的所有傳感器的集合。機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)通過優(yōu)化布局，協(xié)調(diào)線路，做到效率與可靠性的最優(yōu)。

3 節(jié)能環(huán)保型無人機(jī)分類

節(jié)能環(huán)保型無人機(jī)根據(jù)不同的任務(wù)要求定制特定功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過機(jī)載平臺集成，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸、獲取與分析，為環(huán)保部門基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)獲取或應(yīng)急監(jiān)測等項(xiàng)目提供技術(shù)支持。

3.1 項(xiàng)目環(huán)評類無人機(jī)

項(xiàng)目環(huán)評類無人機(jī)通常是以獲取可見光圖像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對圖像的目視解譯來確定環(huán)評對象是否符合相關(guān)環(huán)評標(biāo)準(zhǔn)。

搭載傳感器種類一般為可見光數(shù)碼相機(jī)。分辨率的高低是體現(xiàn)機(jī)載可見光數(shù)碼相機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)。

3.2 水溫監(jiān)測類無人機(jī)

水溫監(jiān)測類無人機(jī)是以獲取監(jiān)測水面的紅外圖像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取監(jiān)測水面的水溫分布圖。水溫?cái)?shù)據(jù)是河流生態(tài)指標(biāo)中的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)，可以為生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)資料。

搭載傳感器種類通常為紅外傳感器。紅外傳感器的小型化、微型化是今后紅外領(lǐng)域突破的一個(gè)方向[9]。

圖1 紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部電路圖

3.3 大氣監(jiān)測類無人機(jī)

大氣監(jiān)測類無人機(jī)是以獲取大氣樣品的方式，通過分析樣品中某些氣體或污染物（包括PM10、PM2.5等顆粒）的含量、濃度，得到大氣污染指數(shù)，進(jìn)而對空氣質(zhì)量做出評估。

搭載的傳感器為特定類型的氣體傳感器或PM2.5/PM10灰塵顆粒傳感器。

4 環(huán)保型無人機(jī)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的匹配原則

4.1 基于任務(wù)的匹配原則

根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功用，對無人機(jī)類型和傳感器種類進(jìn)行確定。

圖2 固定翼無人機(jī)

4.1.1 固定翼類無人機(jī)

該類型無人機(jī)適用于較大范圍的地面觀測或航拍任務(wù)，如京滬鐵路的環(huán)保驗(yàn)收監(jiān)測[1]，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測、生物棲息地評價(jià)等任務(wù)[10-11]。通過搭載光學(xué)傳感器來獲取可見光圖像從而完成飛行任務(wù)。

4.1.2 旋翼機(jī)

該類型無人機(jī)由于續(xù)航能力和飛行穩(wěn)定性較固定翼類無人機(jī)差，故可進(jìn)行定點(diǎn)觀測的任務(wù)。如進(jìn)行某河口水溫定期監(jiān)測或?qū)δ硡^(qū)域空氣進(jìn)行采樣，通過分析得出空氣指標(biāo)等任務(wù)。

圖3 無人直升機(jī)

圖4 四旋翼無人機(jī)

圖5 環(huán)保型無人機(jī)平臺集成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

4.1.3 傳感器種類

飛行任務(wù)決定了選擇哪種傳感器，前文對傳感器進(jìn)行了分類，將幾種可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的傳感器進(jìn)行對比分析，可從準(zhǔn)確度、經(jīng)濟(jì)性、載荷重量等方面進(jìn)行對比，最后確定最佳選擇。

4.2 基于效率的匹配原則

該原則建立在基于任務(wù)的匹配原則基礎(chǔ)之上。無人機(jī)平臺系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)的結(jié)合讓科技發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)巨大的飛躍。這是一個(gè)效率提高的過程，但是在進(jìn)行無人機(jī)平臺與傳感器網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，更應(yīng)注意效率原則。效，是效果，精確度；率，是速率，完成相應(yīng)任務(wù)快慢的情況。例如機(jī)載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸、轉(zhuǎn)換與處理，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊，靈活高效地解決相關(guān)問題[12]。

4.2.1 效果原則

就是盡量選擇測量性能高的傳感器，以保證精確度，減小傳感器系統(tǒng)誤差對數(shù)據(jù)采集造成的沖擊。

4.2.2 速率原則

就是在運(yùn)行速度上有優(yōu)勢的傳感器優(yōu)先選擇的原則。無論是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度還是數(shù)據(jù)傳輸速度，都很重要。

4.3 基于成本的匹配原則

該原則與效率原則并行，都建立在任務(wù)匹配原則基礎(chǔ)之上。由于傳感器價(jià)格昂貴，提高精確度的同時(shí)也極大地提高了其價(jià)格。通過綜合分析，設(shè)定其權(quán)值，再通過組合計(jì)算或數(shù)據(jù)模型應(yīng)用來選擇成本允許下的最優(yōu)配置[13]。

5 節(jié)能環(huán)保型無人機(jī)平臺集成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

通過對無人機(jī)系統(tǒng)的分析研究，我們得到了環(huán)保型無人機(jī)平臺集成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，該模型分為以下單元——（1）任務(wù)分析。（2）傳感器選型。（3）數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)確定。（4）載荷重量范圍確定。（5）無人機(jī)選型。（6）無人機(jī)平臺系統(tǒng)構(gòu)建。（7）系統(tǒng)線路規(guī)劃。（8）銜接零部件個(gè)性化定制。（9）系統(tǒng)集成。（10）交付使用。

各單元之間的關(guān)系如下圖所示：

該模型具有直觀清晰的特點(diǎn)，在無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面給出了清晰的思路。當(dāng)然具體各單元還需自身詳細(xì)的內(nèi)容制定，標(biāo)準(zhǔn)參照，可見無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)精細(xì)而繁雜的工作。任何一部分的設(shè)計(jì)失誤都可能對最終的運(yùn)行效果產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。

模型建立好了也可以引進(jìn)虛擬儀器進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，為實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)提供人機(jī)交互的軟件，當(dāng)然這一方面后續(xù)還需要進(jìn)行詳細(xì)研究與設(shè)計(jì)[14]。

6 總結(jié)與展望

隨著環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，環(huán)保型無人機(jī)已經(jīng)越來越多的走進(jìn)公眾的視線，在解決無人機(jī)與傳感器系統(tǒng)集成方面，本文進(jìn)行了相關(guān)分析，給出了無人機(jī)選型分類以及傳感器分類研究，同時(shí)提出了環(huán)保型無人機(jī)與傳感器的三大匹配原則，最后建立了環(huán)保型無人機(jī)平臺集成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。對于將來無人機(jī)與傳感器系統(tǒng)集成方向從兩個(gè)方面進(jìn)行預(yù)測：

從系統(tǒng)內(nèi)容方面看，未來將朝著高智能化，高集成化，大數(shù)據(jù)化以及高效化運(yùn)作的方向發(fā)展。除了常見固定翼無人機(jī)之外，其他多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用也會更加豐富[15-16]，無人機(jī)平臺也將呈現(xiàn)多樣化發(fā)展態(tài)勢。隨著無人機(jī)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新與完善，傳感器的不斷發(fā)展進(jìn)步，相信未來會給人們更大的驚喜[17-19]。

從應(yīng)用內(nèi)容方面看，通過無人機(jī)與傳感器不同的系統(tǒng)集成方案，未來將會在海洋環(huán)保探測，土壤污染監(jiān)測，水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，霧霾污染監(jiān)測與治理，電磁污染監(jiān)測等方面發(fā)揮更大的作用[19-21]。

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考慮到汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性，汽輪機(jī)低真空供熱時(shí)凝汽器壓力有上限值，通常汽輪機(jī)低真空供熱時(shí)熱網(wǎng)供水溫度不超過65℃。在供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度 tn一般取18℃，而室外設(shè)計(jì)溫度t'w按照地區(qū)不同，取值也不同，河北地區(qū)的室外設(shè)計(jì)溫度為-10℃。對方翼型散熱器，其特征系數(shù)B為0.25，采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式時(shí)相對流量取為1。而該廠在采用低真空運(yùn)行方式進(jìn)行供熱時(shí)，將汽輪機(jī)的排汽溫度設(shè)計(jì)為70℃，冷卻水出口溫度為61℃，通過對循環(huán)冷卻水量的調(diào)節(jié)來適應(yīng)供熱負(fù)荷。

在冬季采暖高峰期，根據(jù)上述公式得出，采暖負(fù)荷受室內(nèi)外溫度影響，當(dāng)室外溫度不斷降低，也將達(dá)到最大采暖負(fù)荷，此時(shí)低真空供熱受出口水溫度所限制，在室外溫度過低，低真空供熱無法滿足當(dāng)前供熱負(fù)荷所需達(dá)到的熱網(wǎng)供回水溫度時(shí)，采用熱網(wǎng)加熱器對出口水進(jìn)行二次加熱，以適應(yīng)供熱需求。

隨著負(fù)荷的不斷提高，熱網(wǎng)供水、回水溫度也在不斷升高，具體變化如圖2所示：

圖2 熱網(wǎng)供水、回水溫度和環(huán)境溫度關(guān)系

隨著供水溫度的提高，回水溫度也隨之提高，為防止汽輪機(jī)真空隨著回水溫度不斷提高而持續(xù)惡化，在熱網(wǎng)回水出口處裝設(shè)溫度表，對回水溫度持續(xù)監(jiān)測，在回水溫度過高時(shí)，將加大冷卻塔補(bǔ)水，從而降低水溫，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

4 汽輪機(jī)低真空供熱經(jīng)濟(jì)效益分析

綜上所述，該廠100MW汽輪機(jī)低真空供熱相對于原正常運(yùn)行方式，經(jīng)濟(jì)效益可觀，汽輪機(jī)低真空供熱對于抽凝式機(jī)組完全可行；汽輪機(jī)冷端損失被充分利用，提高了全廠熱效率，對于節(jié)能降耗有很大意義；結(jié)合該廠實(shí)際供熱條件及環(huán)境，在熱網(wǎng)首端設(shè)置熱網(wǎng)加熱器，在供熱負(fù)荷較大時(shí)起到調(diào)節(jié)供水溫度的作用；汽輪機(jī)低真空供熱，在將主蒸汽流量增加到460t/h的條件下，汽輪機(jī)電功率有所下降，相對內(nèi)效率略有降低。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

崔冰（1976-），男，江蘇豐縣人，熱能工程專業(yè)，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備檢修及節(jié)能改造。

李永樂（1987—），男，河北肅寧人，碩士研究生，主要從事航空與環(huán)境工程方面研究。