无人机大气环境检测系统设计

刘帅克， 王梓琪， 郭 霆， 张泽宇， 司文琪

（黑龙江工程学院机电工程学院， 黑龙江哈尔滨 150050）

0 引言

在20 世纪80 年代初期， 为实时检测大气环境质量的动态变化， 部分国家已逐步形成了自动化大气环境质量检测体系。作为一个工业强国，我国产业规模处于全球前列， 但是我国大气环境检测装备一直没有跟上工业化进程。随着社会发展，我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，在倡导绿色发展的当下，经济发展与环境保护之间的矛盾进一步激化， 如何保证在大力发展经济的同时也能够确保满足生态文明的需求， 成为当今一大重点问题。目前的中国大气环境检测体系，大多使用固定式的地面检测站、 地面移动平台检测站以及人工手持测量， 这种传统的检测方式有着较大的缺陷， 不仅耗时耗力，而且成本较高，在检测区域和检测类别等方面均会受到一定的限制。无人机作为一种新型载体，在各行各业均取得了广泛应用，凭借成本低、机动性能强、使用方便等优点，使其成为采样检测的载体，能够在高空任何地方悬停进行检测，攻克了高空污染检测难点。 而且，当出现环境突发事件后，无人机能够突破交通不便、环境威胁等不利因素， 迅速出现在环境污染事件所在空域观察环境污染状况，具备很强的实效性。

本文主要阐述了一种以无人机为载体的大气环境检测系统，可以精确的获取大气污染物的分布，本系统搭载Arduino Mega2560 主板及多种气体传感器，相较于传统的检测方法具备低成本、高效率、高可塑性等优势，可以满足当下对大气检测的需求。

1 检测系统设计概述

1.1 无人机的机型选择

根据飞行方式的不同，无人机包括固定翼型、螺旋桨式和伞翼式三种。固定翼无人机的机翼保持不变，依靠通过机翼的风力进行升降，其在升空的时候必须助跑，落地的时候也一定要滑翔，但由于该型无人机续航时间长、飞行效率高、负载大，因此其起降环境对场地要求较大，适合污染源和扩散态势检测、土地利用检测，以及水利、电力等领域的应用。 旋翼型无人机利用各电机控制左右螺旋桨转速， 从而实现升力控制， 以此控制飞机姿态与高度，并进行悬停控制，对空气的干扰也较少，更适合于进行普通大气环境检测。 伞翼无人机是指以柔性伞翼取代了刚性翅膀的航空器，主要使用在货运、通讯、侦查、勘探等。综上所述，旋翼无人机更适宜于用作大气检测装置的设计载体。根据工作要求，选用机身半径R=23cm，浆叶半径r=10cm， 轴臂夹角θ=60°， 载荷为5kg 的六旋翼无人机，其重要参数如图1 所示[1]。

图1 六旋翼无人机重要参数示意图Fig.1 Schematic diagram of important parameters of hexacopter UAV

1.2 空气质量检测系统的设计

1.2.1 检测系统硬件设计

普通大气检测仪器重量较大， 且不具有记录地理位置和天气信息、进行数字传送的特点。 为此，必须自主开发一种可靠性较好、 精度高的适合于无人机携带的大气环境检测装置，进行对大气环境中二氧化硫、一氧化碳等各种排放污染物浓度和压强、相对湿度、地理位置及其他辅助信息数据的实时检测， 并同时进行远距离传输和信息显示，如图2 所显示系统即为环境检测装置初代模型，如图3 所示为环境检测系统飞控程序部分代码。 经检测该系统在飞行环境中数据正常，并具有定点采集、定时检测的特点[2]。

图2 检测系统初代模型Fig.2 The first model of the monitoring system

图3 环境检测系统飞控程序部分代码Fig.3 Environmental detection system flight controller program part code

图4 气体传感器基本电路Fig.4 Basic circuit of a gas sensor

1.2.2 检测系统主要所采用的元器件

（1）Arduino Mega2560。Arduino 目前是全世界最受欢迎的开源硬件平台之一， 而Arduino 公司Mega2560 主板也是目前Arduino 公司各类型主板中引脚、串口、储存等较为丰富的一款。 Arduino Mega2560 所使用的核心集成电路板端口为USB 接口，同样也具有五十四路数字输入与输出串口， 并具有十五路的模拟输入与输出， 四路UART 端口中还有一组USB 接口等。

（2）ME3 系列气体传感器 （以ME3-CO 一氧化碳传感器为例）。 ME3-CO 型传感器是定电位电解型CO 传感器。 在工作电极和对电极上CO 和O2分别发生相应的氧化还原反应，在发生反应的过程中会释放电荷，因此形成电流，产生的电流大小与CO 浓度成正比，因此我们可以通过检测电流的大小来判断CO 浓度的高低。 它能对除目标气体外的其它气体产生响应，抗干扰能力较强，且其精度与灵敏度高，线性范围宽、稳定性强，功耗较低[3]。

（3）Micro SD 卡读写模块。 Micro SD 卡读取模块所采用的是SPI 模式的接口方式，Arduino IDE 自带SPI 库文件和SD 卡编程库，并使用SPI 驱动，单片机即可直接对Micro SD 卡进行读取， 读写系统同时支持Micro SD 卡、Micro SDHC 卡（高速卡），与读写卡系统的通讯接口均为SPI 端口[4]。

1.3 检测系统地面工作站的建立

无人机地面站又叫无人机控制站， 是无人机系统的作战指挥中心，它能够控制无人机的飞行轨迹、任务载荷以及飞行器的发射与回收等等。 无人机地面站能够进行任务规划，并根据任务要求控制有效载荷，在工作期间，通过无人机地面工作站， 我们能够十分清晰地看到无人机的运行情况，并进行实时地控制，以便我们能够应对各种突发状况[5]。

本次地面站应用的软件为Bataflight Configurator 操作页面如图5 所示，进行无人机飞行前的调试工作。

图5 地面工作站的调试页面Fig.5 Basic circuit of a gas sensor

1.4 工作流程概述[6]

无人机大气环境检测系统的框架图如图6 所示，该系统主要由检测平台与数据收集平台构成， 当无人机搭载多种传感器进行大气环境检测作业时， 数据收集平台可以即时收集到检测信息并同步回传实时画面。

图6 气体传感器基本电路Fig.6 Architecture diagram of UAV modular environmental monitoring system

本系统所采用的是荷载为5kg 的六旋翼无人机。 基于无人机的多模块化设计，可搭载多种传感器作业。无人机大气环境检测系统的硬件系统框架图如图7 所示，数据经STM32 数据处理模块处理后，连同位置信息与实时画面传输到地面数据收集平台。

图7 检测系统硬件系统架构图Fig.7 Monitoring system hardware system architecture diagram

无人机作业流程如图8 所示，在无人机作业前，应提前选择合适的传感器，并根据环境所需选择操作模式，在无人机作业的过程中，可选择是否开启SAFE 模式，若进入SAFE 模式， 当检测到周围环境可见度低或地形影响较大等可能会威胁到无人机安全的情况时， 将禁止执行向危险地区飞行的命令，当判定为失联状态则立即返航，最大程度的减少无人机的损耗。

图8 检测系统任务流程图Fig.8 Monitoring system task flowchart

2 大气检测实验设计及检测系统的优势和存在问题

2.1 大气检测实验设计

六旋翼无人机三维模型如图9 显示， 携带图像采集系统及气体传感器，收集目标空域的气体含量、种类等信息和高清影像资料，并借助常规气体测量仪等设备进行现场地面试验。 分别通过手持气体检测装置和无人机气体质量检测吊舱进行对地面的空气检测， 然后驾驶无人机飞到指定的检测空域进行定点高度的悬停检测， 最后获取检测区域的地面及不同高度的空气含量信息[7]。

图9 六旋翼无人机三维模型Fig.9 Three-dimensional model of a hexacopter drone

由于无人机的飞行高度有限， 因此无人机监控设备将在25m、50m、75m、100m 建立高空检测站， 通过无人机悬停采集相应时间与空气含量等信息，并进行拍照。高空控制点共计19 处，悬停时间均为20s，整个试验历时30～40min。 监控地点的空中位置如图10 所示。

图10 检测点位及飞行轨迹Fig.10 Monitor points and flight trajectories

2.2 无人机检测系统优势

无人机搭载多种传感器在大气环境检测作业中具有机动灵活，效率高，精度高，受环境影响较小等特点，能够承担高风险的检测任务。在地形崎岖的山林、有毒气体聚集的区域以及未知环境等场景，危险度较高，不适合使用传统方法作业，这时就可利用无人机进行高空作业，通过大气环境检测系统采集气体信息， 并将实时画面同步传输到地面工作站，如此一来，利用无人机检测环境不仅保质保量地完成了气体检测的任务，还避免了人员的伤亡[8]。

无人机飞行速度快， 这便使它能够在较短的时间里完成更多的检测任务，效率极高，依托实时画面，我们可以快速地了解到任务区域的动态， 并及时的调整好检测方案。

2.3 无人机检测系统存在的问题

经大气检测实验分析可知， 利用无人机搭载多种传感器进行大气环境检测作业过程中仍存在一些问题：

（1）无人机在飞行过程中，各旋翼进行高速转动，对于气流的扰动较大，这就导致检测结果存在一定的误差。

（2）抗风性能问题：当地表风速超过6 级风速时，无人机飞行安全将会受到威胁。 本系统所采用的无人机具有6～8 级抗风能力，当风速超过8 级时，就不能再执行任务。 但在实际应用中，由于地理环境的影响，可能会导致部分地区风速较高，影响无人机大气检测作业。

（3） 承重问题： 由于本系统所采用的无人机荷载为5kg，在进行检测任务时要搭载传感器，由于传感器设备重量与体积较大，因此难以一次搭载多个传感器作业。

3 结论

尽管无人机在在各行各业中均取得了广泛应用，但在大气环境检测上的应用还存在较大空缺。 本篇所阐述的系统通过气体传感器与单片机的组合， 提供了一种拥有完整功能的空气质量检测设备。 集单片机，传感器，无人机系统于一身，可从技术方面上对系统进行改善，进一步提高检测的可靠性，进一步提高测试数据的准确性。