基于旋翼機的大氣環境監測研究

摘要：為了更深入研究旋翼機在大氣環境監測應用，設計出了旋翼機搭載各種測量大氣環境要素的傳感器以實現大氣環境的監測。通過實驗發現該無人機已能初步完成依賴于GPS定位的自主飛行，可進行自主飛行，飛行精度小于1米，同時數據的誤差率小于15%，在可接受范圍內。

關鍵詞：旋翼機；無人機；大氣環境監測

1 研究背景

隨著公民環境意識的提高，大氣環境質量在人們眼中的地位越來越重。而對于民航業來說，受空氣污染影響最嚴重的指標應該就是大氣能見度了。機場氣象起降標準里最重要的一條就是能見度。為了能夠測量不同高度層的能見度，當代民航從業者可謂是絞盡腦汁。從建氣象高塔，到購買昂貴的氣象雷達，還有就是十分不可控的氣象氣球。費財費力，效果還不好。此外長期生活在有霧霾的環境中，空氣中的各種可吸入顆粒物等有害物質會對人們的呼吸道和肺部造成不可逆的損傷。

另一方面，無人機技術也逐漸發展和成熟，使其作為搭載平臺用于大氣環境監測成為可能。在科技水平與井噴式發展的今天，大氣環境監測技術也不斷發展的越來越成熟，精確。其中，作為搭載平臺的多旋翼無人機可以實現在多個高度層穩定懸停，得出各個高度層不同的數據。這就避免了以往需要用氣象高塔，氣象氣球等獲取數據的尷尬局面。同時，作為檢測設備的紅外能見度測量儀能夠測得更為精準的數據。但是一臺紅外線測量儀器成本太高，而且非常不便攜。

此外，無人機作為飛行器的一種，不可避免的會有人為因素影響的事故概率。為了節省人力成本，降低人為因素帶來的風險，我們對無人機的控制進行了一些改進。

大氣能見度的好壞對公路交通，航海活動，航空活動甚至是軍事活動等都有重要的影響。由此，本團隊便有了如下設想，擬在不減小測量精確度的前提下，降低各項成本，試圖利用智能無人機，全時段，全天候，全自動的對大氣環境質量以及大氣能見度進行測量。為進一步的科學研究提供基礎。

2 研究內容

由于無人機具有十分好的機動性，靈活性，所以，我們打算在無人機上搭載各類傳感器，計算機，電臺等進行數據采集和回傳。研究內容分為如下兩個部分：

（1）無人機的設計。不同于市場上所能見到的用于拍照的商業無人機，我們的項目要求無人機不僅僅搭載一臺相機，而是需要搭載眾多專業設備以及數據回傳裝置，所以，市面上能購買到的無人機無法作為平臺使用，我們要自己設計制作符合我們自己需求的無人機。首先，我們需要無人機有較大的載重能力來承載傳感器和其他設備，其次，為了能讓傳感器獲得穩定供電，不在電機工作功率突然加大的時候斷電死機，我們設計了雙電源冗余系統。為了實現采集數據的實時實時傳輸，我們為無人機加裝了大功率電臺。另外，我們還需對無人機加裝高精度gps以實現無人飛行，自動起降時的實時定位。

（2）基于旋翼機的大氣環境監測研究。為了能讓搭載量有限的無人機實現地面大型儀器才能完成的測量任務，我們開拓創新了，另辟蹊徑，分析了影響能見度的諸多因素，如氣壓，濕度，溫度，大氣密度，固體顆粒物等，將眾多因素綜合成圖表，和地面儀器測得的能見度進行對比分析，得到了函數關系圖表，并根據此表進行后續的大氣測量。具體工作內容如下：

①氣象信息采集：無人機升空自動進行多高度層數據采集，回傳。

②數據分析：利用函數圖表計算當前能見度。

③程序設計：通過對飛控計算機編程調參，實現無人機的自主飛行

④數據驗證：獲取地面大型專業儀器的精確數據，比對旋翼機測量數據，以確定測量精度是否可控。不可控的話需要對儀器、反演方法、程序等進行問題查找，以確定問題來源。

3 技術流程圖

4 研究設備

經研究分析可知，影響大氣能見度的因素主要有固體顆粒物和懸浮的液滴，即霾和霧。其中，影響霧形成的主要因素有相對濕度、氣溫和氣壓。為了獲得這些數據，在旋翼機上搭載傳感器。我們搭載了溫度，氣壓，濕度傳感器，通過這三個對霧形成起決定作用的因素推演出霧的濃度，進而推測出其對大氣能見度的影響。

而霾的形成就相對簡單一些。霾的本質就是固體小顆粒分散在空氣中形成的氣溶膠。而為了檢測固體小顆粒，我們采用了固體顆粒物傳感器其最小可測量直徑達到了到pm2.5，能有效推測霾對大氣能見度的影響。

同時，為了能夠將所測數據實時穩定的傳輸給地面工作人員進行數據分析，我們為無人機加裝了大功率數傳電臺，通過串口編碼數據鏈技術，我們能以較低的延遲在控制電腦上獲得實時氣象數據，并通過表格算法得出當前大氣能見度。定位系統方面，我們采用當前較為先進的第八代m8n芯片，定位精度高至1米，有效保障了無人飛行時的安全性以及空間數據采集的準確性。

5 小結

在經過數次實驗，數據采集分析以及程序調試后，我們的無人機已能初步完成依賴于gps定位的自主飛行，無須地面人員控制即可根據定位信息自主飛行，飛行精度小于1米。數據采集方面再與專業儀器進行數據交叉對比后我們發現，數據的誤差率小于15%，在可接受范圍內，誤差發生原因可能與傳感器工作不穩定有關。下一步研究計劃采用更高精度的傳感器和差分定位gps，以厘米級精度對空間特殊點位實施精確的數據采集分析，為準確獲得大氣信息提供了另一重參考。

作者簡介：秦飛凡（1997），男，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：飛行技術。