大气环境无人机监测方法研究

赵海军

北京奥达清环境检测有限公司 北京 100043

我国的发展，现代科技的发展速度也在逐渐加快，无人机的兴起极大程度的满足了社会的需求，尤其是在大气环境监测的方面。无人机能够在其上搭载可见光相机、红外成像相机、气体传感器，真正实现了对大气环境的实时监控，使得以往人工监测出现的问题大大减少，为我国的大气监测工作做出了重要的贡献。

1 大气监测设备选择

常规大气监测设备体积较大，且不具备记录地理位置和气象数据、实现实时传输等功能。因此，必须自行研制出稳定性强、精度高的适用于无人机搭载的大气监测设备，实现环境中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等多种有害气体浓度及压强、湿度、地理位置等相关辅助分析参数的同时检测，并支持远程数据传输和实时显示。今自主研发的大气监测设备，经测试在飞行过程中数据传输正常，具备定点采样、定时监测的功能。

2 采用数值模拟确定实验方案

通过理论分析，可以对旋翼气动特性作预估，而对于多旋翼系统，准确预测翼间的气动干扰存在一定难度。在理论计算时，多采用动量法、叶素法及涡流理论等方法，在低雷诺数下分析，并综合考虑空气黏性的影响。若要观察对流场细节，则需要借助计算流体力学（CFD）方法。通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动等相关物理现象的系统，通过流场主控方程和湍流模型作分析，结果具有较强的说服力，不仅有助于实验方案设计，还可以为无人机大气监测结果提供较为准确的依据。旋翼流场问题的解决包括以下几个方面。（1）几何模型的建立。无人机叶片木模为生产厂家专利，一般不公开。由于叶片对于无人机旋翼能量转化起着重要作用，所以必须建立准确的叶片几何模型。叶片结构比较复杂，一般可以采用3D扫描方法获取叶片曲面信息。若不具备条件，则建议绘制木模图，再采用专业的造型软件，根据木模图绘制曲线及曲面，得到叶片的实体几何模型。无人机主体部分绘制完成后，通过布尔运算，从流域减去无人机部分，得到用于划分计算网格的计算域几何模型。对于叶片边缘等角度较小的部分，需作几何修圆与模型检测，以达到划分计算网格的要求。（2）网格划分。无人机叶片为空间翼型，结构较为复杂，故采用非结构化四面体网格划分方案。（3）湍流模型。常用的湍流模型包括二方程标准、S-A、k-ε、Realizable k-ε、RNG k-ε、SSTk-ω等。旋翼无人机的周围流场较复杂，Realiza-ble k-ε模型广泛应用于转均匀剪切流、边界层流动、带有分离的流动，故采用该模型模拟无人机流场更加准确。（4）数值计算方法。采用三维N-S方程。（5）旋转模型的选取。选择FLUENT中MRF旋转模型，将叶片旋转计算域内的流场简化为叶片在全位置的瞬态流场，瞬态流场按稳态问题计算。转动区域的网格在计算时保持静止，在惯性坐标系中以科氏力和离心力作稳态问题计算。在2个区域的交界处交换惯性坐标系下的流动参数，以保证交界处的连续性。经计算，无人机旋翼上方受气流扰动较小，进气管的长度要足够长，而过长的进气管又会影响气体采集分析时间，造成监测数据不准确，且会影响无人机的飞行姿态。根据计算结果，将环境空气质量监测吊舱的进气管置于无人机上方10 cm处[1]。

3 无人机在大气环境监测中的应用

3.1 可见光相机

目前，我国企业对无人机的使用通常都是采用“无人机+可见光云台”的形式，这种方式的应用程度最广，并且取得的效果也是最好的。某些监测企业还会单独购买几台无人机，然后由专业人员对本企业的员工进行培训，进而形成了简单的“环保无人机监测队伍”。现今的相机能够进行变焦，这种相机的使用，已经使环境监测拥有了新的发展方向，但是可见光相机在对大气监测时，只能够对其进行拍照或者录制视频，这种相机不能够提供精准的数据作为支撑，并且在使用的过程中经常会受到各种天气环境的影响，使得可见光相机只能够对浓度较大的可见性污染源进行监控，缺乏全面性。常规的可见光载荷只能够对环保工作有简单的作用，并且环境监测人员对其的使用程度较低，不能够有效的使用，出现买回来用不到的情况，直至最后变为一件道具。

3.2 红外成像

红外成像仪的出现满足了社会中安检工作的需求，并且在电力巡检方面的应用程度较深。将红外成像仪应用在环保方面时，是将仪器安装在无人机上，能够满足夜间拍摄的需求，促使环境监测不会受日夜的影响。同时，无人的热成像仪拥有热分布可视化的功能，以及测温等特性功能，使得在夜间进行监测时，能够明显的发现排污企业的所在地，直接发现污染的源头，正是这种功能，实现了夜间偷拍，使得相关的排污企业在没有发现的情况下就被追查到。红外成像中的热像仪受到的环境因素影响巨大，并且相关企业在构建模型时，存在较多的问题，因为不同种类的企业的热分布形式不同，排放温度与排放量没有较大的联系，进而导致模型的构建比较困难，使得环境监测的需求不能够被满足[2]。

3.3 气体传感器

“无人机+气体传感器”能够通过搭载多种因子的高精度气体监测传感器，进而达到在测区内大范围巡查的目的，这种监测方式较为常用，并且监测出的数据比较准确。随着我国相关技术的进步，便携式传感器的精度也在逐渐增强，其监测精度甚至可以达到ppb级别，极大程度的满足了测量大气污染物浓度的要求。

总之，无人机大气环境监测研究工作刚刚起步，尤其是在某些特定领域，针对突发性环境空气污染应急时效性强等特点，对于监测数据的准确性、时效性需考虑多种因素[3]。如监测设备应体积小、质量轻，便于无人机搭载;测量结果有一定的精密度，数据可用;需采用数值模拟手段，针对各种污染物，在各种气象条件下模拟监测当天的环境状况。