多無人機協同空氣質量監測系統總體設計

宋志強 方武

摘要：設計和開發基于多無人機協同的智能監測方案，可以提高監測效率可盡量較少地面操作人員的工作量。詳細介紹了多無人機協同空氣質量監測系統研究的主要內容、關鍵技術、實驗方案，從總體上給出了解決框架，為后續系統的研制奠定了基礎。

關鍵詞：無人機;多機協同; 空氣質量監測;系統總體設計

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0092-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The design and development of intelligent monitoring scheme based on multi-uav collaboration can improve the monitoring efficiency and minimize the workload of operators on the ground. The main contents， key technologies and experimental schemes of multi-UAV collaborative air quality monitoring system are introduced in detail. The solution framework is given in general， which lays a foundation for the development of subsequent systems.

Key words： Unmanned Aerial Vehicle （UAV）; multi-machine synergy; air quality monitoring; overall system design

隨著無人機控制技術的進步，無人機在民用領域大放異彩，在環境監測領域也有一些應用。文獻[1]針對污染源附近的空氣質量數據收集很困難，特別是場地復雜，有物理障礙或自身移動的情況，提出用小型無人機（UAV）可為空氣污染和大氣研究提供新方法，研究空氣采樣器或空氣傳感器的最佳安裝位置。Yang等[4]設計了基于無人機（UAV）的移動AQI監控系統，可以實時高效地構建精細的AQI地圖。Peternel等[2]為了估計22.5個月監測期間的地表移動模式和五次偵察活動，使用基于無人機（UAV）的攝影測量進行定期監測，該攝影測量提供高分辨率圖像。Schuyler等[3]采用無人機來準確記錄溫室氣體的排放來源和數量。文獻[4]提出可使用配備傳感器的無人機來執行空氣污染監測任務并進行了初步實驗。文獻[5]利用多旋翼無人機進行火山的成分分析和氣體流量估算。B?rfuss等[6]設計了一種數據采集系統，可由無人機攜帶進行試驗。國內學者也非常重視無人機應用于環境監測的應用研究，楊海軍等[7]指出無人機遙感作為環境保護領域的支撐技術，在環境監管、環境保護上發揮的重要作用和廣闊的應用前景。吳昊[8]設計了基于無人機技術的大氣環境監測系統，彌補了人工進行大氣環境監測的不足。彭艷等[9]提出采用無人駕駛飛機搭載微型空氣質量檢測器監測大氣污染的方法

就無人機應用于環境監測領域而言，目前的應用研究沒有將最先進的多機協同技術引入其中，大多是采用單架無人機的應用方案，且其無人機的自主性還不高，基本依賴于地面操作人員的手動控制。因此，非常有必要設計和開發基于多無人機協同的智能監測方案，以提高監測效率并盡量較少地面操作人員的工作量。

1 研究目的與意義

為了治理相關的環境問題，我國已做了大量工作，但效果還不盡如人意。另一方面，一些企業為了自身的經濟效益，仍然在違規排放有害氣體。為了保證人民更加舒適的生活環境，提供給人們一個自由呼吸的空氣環境，我國的大氣污染監測與治理的任務越來越重。多無人機協同空氣質量監測系統具有以下重要意義：

1）可為環境監管部門提供快速、有效的解決方案，創新監管手段，增強監管能力;

2）可以督促企業規范排放行為、預防污染事故和環境損害;

3）對空氣質量監測特別是對固定廠區污染物排放情況的監測并實現有效治理，具有重要的現實意義、廣闊的應用前景和社會價值。

2 研究內容與關鍵技術問題

2.1 研究內容

1） 無人機動力學建模及飛行性能分析

根據飛行力學原理，建立無人機非線性數學模型，根據樣例無人機結構、電動參數，計算并分析無人機飛行性能，包括電動特性、機動特性和模態特性等，為同構多無人機空氣質量監測系統的開發奠定基礎。

2） 同構多無人機協同空氣質量智能監測系統集成

對同構多無人機系統集成涉及的無人機平臺選型、傳感器選型、傳感器物理集成、傳感器電磁兼容性、傳感器時間同步、無人機重心測定、無人機中立值獲取等關鍵技術進行研究，解決無人機遙感系統集成過程中所涉及的關鍵技術問題。

3） 同構多無人機協同航路規劃研究

研究同構多無人機協同空氣質量監測、多任務全程化實時監控、指揮調度、數據管理技術，探索多架多旋翼無人機協同作業與指揮平臺的數據聯動，無人機集群協同作業模式，以提高監測效率。

4） 空氣質量數據融合研究

對不同無人機傳回的監測數據，經過數據有效性校驗、數據關聯等預處理，校準、融合后的數據通過空間插值模型計算，進行空間插值和平滑處理，生成最終的空間分布圖，展示被監控區域范圍的空氣質量狀況。

5） 無人機自主著陸策略研究

無人機由于能量受限，著陸操作對于其完成作業任務起著重要作用，是學術界和工業界均希望迫切需要解決的關鍵技術，其中多旋翼無人機能夠安全精準地完成自主著陸成為無人機技術發展的重、難點之一。