大气环境探测无人机的设计

颜捷靖　顾莹　张奕　安双龙

【摘 要】无人机技术快速发展的今天，为了充分发挥旋翼机在空间上的灵活性，并设计和制作一款搭载温湿压传感器、相机的旋翼机，以实现大气环境温度、湿度、气压以及能见度等气象数据的测量。设计出了旋翼机搭载传感器、数据存储和传输元件的测量平台，该平台是基于旋翼机的能见度和常规气象要素的测量、能见度反演以及相应编程的整合，数据精确可靠，对气象方面的科研工作有积极意义。该平台很好地利用了无人机便携性以及智能化的特点，该平台能在不同环境下工作，对于各种天气适应性良好。此外，单片机的运用实现了探测数据的实时传输，确保了数据的及时性和可靠性，而且地面站也能够全程监控和操作无人机，以完成各种不同的任务。

【关键词】无人机；能见度；气象观测

1 研究背景

随着生活质量的提高，城市大气环境质量越来越受到人们的重视。有研究指出，中国城市空气中悬浮的颗粒物目前是全世界最高的，大大高于世界卫生组织规定的标准，污染已经严重威胁到人们的身心健康和智力发展。现今引起大气污染的重要因素非PM2.5莫属。生活在雾霾天气中，空气中悬浮的大量尘粒和烟粒等有害物质会对人体的呼吸道造成伤害。

另一方面，无人机技术也逐渐发展和成熟，并用于城市大气环境研究中。早在上世纪四十年代初，已经有人用摄像方法来测量能见度，通过照相机拍摄黑色目标物，然后从图片求得目标物与背景的相对亮度比，并以此来测量能见度。但由于当时从拍照、冲洗照片到测定目标物与对比物的亮度对比，全是纯手工操作，操作繁琐，浪费时间，并且数据还不是特别的准确，难以实现真正的定量化，后来这种方法并没有付诸行动。

在科技水平與计算机技术高速发展的时代，空气污染监测技术正在飞速提高。但是一台红外线测量仪器成本太高，而且非常不便携。CCD数字摄影技术目前已经开始被用于航空航天、卫星图片、资源与环境遥感等方面，但是由于成本也很高，不经济。

众所周知，空气质量的好坏对航空、航海、路上交通甚至是军事活动等都有重要的影响。因此本团队便有了设想，拟在不减小测量精确度的前提下，降低成本，利用旋翼机（无人机的一种）实现全天时全天候大气环境的监测，为进一步的科学研究提供基础。

2 研究内容

为了充分发挥旋翼机在空间上的灵活性，本研究项目拟在旋翼机上搭载照相机和各种测量大气环境要素的传感器，以实现大气环境的监测。为此，可将研究内容分为两个部分：

（1）旋翼机的改装。

改装旋翼机的目的是为了搭载照相机和传感器。然而旋翼机升空有其最大载重，一旦超过，无法升空。这样就需要考虑这些设备本身的重量，以满足要求。搭载的传感器包括温度、湿度、气压等传感器。另外，由于传感器仅是用来采集数据，本身不具备数据存储和传输功能，因此在旋翼机上，还需搭载具备存储和传输功能的元件（单片机）。

（2）基于旋翼机的大气环境监测研究。

本项目主要对大气环境中的能见度进行监测，同时采集常规气象要素，例如温度、湿度、气压等，以便后续分析能见度的成因与气象要素的关系。具体包括：

能见度和常规气象要素的测量：通过将旋翼机升空进行多点拍照，测量同一地点不同垂直高度上的能见度和常规气象要素数据。

能见度反演：能见度不是直接测量的，需要根据利用相机拍照原理及文献提供的方法来反演能见度。有研究表明，其测出的能见度和精确仪器测出的能见度的误差在15%以内，精度可以接受。

程序设计：编程的内容包括单片机编程，实现数据的存储和传输；能见度反演原理的程序化。

数据验证：根据航飞大楼楼顶的自动气象观测站的数据，比对旋翼机测量数据，以确定测量精度是否可控。不可控的话需要对仪器、反演方法、程序等进行问题查找，以确定问题来源。

3 技术流程图

4 研究设备

众所周知，影响大气能见度的天气现象主要有雾和霾。其中，影响雾形成的主要因素有相对湿度、气温和气压。为了获得这些数据，在旋翼机上搭载传感器。

在湿度方面，采用广州奥松电子有限公司生产的DHT11湿度传感器，因为其技术成熟，成本较低，误差较小，抗干扰能力强等优点被广泛用于各种领域。DHT11里含有一个温度传感器，为最终的输出提供一组温度数据。

在气压方面，采用德国博世公司生产的BMP180。因为功率低，体积小，重量轻，稳定性好且可长期工作而选择BMP180。BMP180也集成了一个温度传感器，与DHT11一起为最终的温度输出提供温度数据。

而霾的形成就相对简单一些。霾的本质就是固体小颗粒分散在空气中形成的气溶胶。而为了检测固体小颗粒，在旋翼机上搭载日本夏普公司生产的GP2Y1010AU0F。GP2Y1010AU0F是通过检测空气中微小颗粒对红外光的反射来计算空气中微小颗粒浓度。其功率低，体积小，重量轻。最符合搭载在无人机上进行工作。

在数据整合方面，用了STC15W4K56S4单片机和3dr数传进行数据的整合与实时回传。各传感器测量的数据通过串口通讯传到STC15W4K56S4单片机里。然后单片机把所得数据进行加工转化通过串口通讯传给数传，再由数传将数据实时传输到地面站。

此外，旋翼机还需搭载轻巧便捷的gopro运动相机。其重量轻，体积小，在各种环境下能稳定工作，支持高清视屏录制和实时回传，能满足本项目对相机的需求。为了是相机在更稳定的条件下进行拍摄，还需为旋翼机安装一部三轴无刷云台，通过云台消除旋翼机的晃动干扰。

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[责任编辑：朱丽娜]