基于旋翼机的大气环境监测研究

摘要：为了更深入研究旋翼机在大气环境监测应用，设计出了旋翼机搭载各种测量大气环境要素的传感器以实现大气环境的监测。通过实验发现该无人机已能初步完成依赖于GPS定位的自主飞行，可进行自主飞行，飞行精度小于1米，同时数据的误差率小于15%，在可接受范围内。

关键词：旋翼机；无人机；大气环境监测

1 研究背景

随着公民环境意识的提高，大气环境质量在人们眼中的地位越来越重。而对于民航业来说，受空气污染影响最严重的指标应该就是大气能见度了。机场气象起降标准里最重要的一条就是能见度。为了能够测量不同高度层的能见度，当代民航从业者可谓是绞尽脑汁。从建气象高塔，到购买昂贵的气象雷达，还有就是十分不可控的气象气球。费财费力，效果还不好。此外长期生活在有雾霾的环境中，空气中的各种可吸入颗粒物等有害物质会对人们的呼吸道和肺部造成不可逆的损伤。

另一方面，无人机技术也逐渐发展和成熟，使其作为搭载平台用于大气环境监测成为可能。在科技水平与井喷式发展的今天，大气环境监测技术也不断发展的越来越成熟，精确。其中，作为搭载平台的多旋翼无人机可以实现在多个高度层稳定悬停，得出各个高度层不同的数据。这就避免了以往需要用气象高塔，气象气球等获取数据的尴尬局面。同时，作为检测设备的红外能见度测量仪能够测得更为精准的数据。但是一台红外线测量仪器成本太高，而且非常不便携。

此外，无人机作为飞行器的一种，不可避免的会有人为因素影响的事故概率。为了节省人力成本，降低人为因素带来的风险，我们对无人机的控制进行了一些改进。

大气能见度的好坏对公路交通，航海活动，航空活动甚至是军事活动等都有重要的影响。由此，本团队便有了如下设想，拟在不减小测量精确度的前提下，降低各项成本，试图利用智能无人机，全时段，全天候，全自动的对大气环境质量以及大气能见度进行测量。为进一步的科学研究提供基础。

2 研究内容

由于无人机具有十分好的机动性，灵活性，所以，我们打算在无人机上搭载各类传感器，计算机，电台等进行数据采集和回传。研究内容分为如下两个部分：

（1）无人机的设计。不同于市场上所能见到的用于拍照的商业无人机，我们的项目要求无人机不仅仅搭载一台相机，而是需要搭载众多专业设备以及数据回传装置，所以，市面上能购买到的无人机无法作为平台使用，我们要自己设计制作符合我们自己需求的无人机。首先，我们需要无人机有较大的载重能力来承载传感器和其他设备，其次，为了能让传感器获得稳定供电，不在电机工作功率突然加大的时候断电死机，我们设计了双电源冗余系统。为了实现采集数据的实时实时传输，我们为无人机加装了大功率电台。另外，我们还需对无人机加装高精度gps以实现无人飞行，自动起降时的实时定位。

（2）基于旋翼机的大气环境监测研究。为了能让搭载量有限的无人机实现地面大型仪器才能完成的测量任务，我们开拓创新了，另辟蹊径，分析了影响能见度的诸多因素，如气压，湿度，温度，大气密度，固体颗粒物等，将众多因素综合成图表，和地面仪器测得的能见度进行对比分析，得到了函数关系图表，并根据此表进行后续的大气测量。具体工作内容如下：

①气象信息采集：无人机升空自动进行多高度层数据采集，回传。

②数据分析：利用函数图表计算当前能见度。

③程序设计：通过对飞控计算机编程调参，实现无人机的自主飞行

④数据验证：获取地面大型专业仪器的精确数据，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

经研究分析可知，影响大气能见度的因素主要有固体颗粒物和悬浮的液滴，即霾和雾。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。我们搭载了温度，气压，湿度传感器，通过这三个对雾形成起决定作用的因素推演出雾的浓度，进而推测出其对大气能见度的影响。

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，我们采用了固体颗粒物传感器其最小可测量直径达到了到pm2.5，能有效推测霾对大气能见度的影响。

同时，为了能够将所测数据实时稳定的传输给地面工作人员进行数据分析，我们为无人机加装了大功率数传电台，通过串口编码数据链技术，我们能以较低的延迟在控制电脑上获得实时气象数据，并通过表格算法得出当前大气能见度。定位系统方面，我们采用当前较为先进的第八代m8n芯片，定位精度高至1米，有效保障了无人飞行时的安全性以及空间数据采集的准确性。

5 小结

在经过数次实验，数据采集分析以及程序调试后，我们的无人机已能初步完成依赖于gps定位的自主飞行，无须地面人员控制即可根据定位信息自主飛行，飞行精度小于1米。数据采集方面再与专业仪器进行数据交叉对比后我们发现，数据的误差率小于15%，在可接受范围内，误差发生原因可能与传感器工作不稳定有关。下一步研究计划采用更高精度的传感器和差分定位gps，以厘米级精度对空间特殊点位实施精确的数据采集分析，为准确获得大气信息提供了另一重参考。

作者简介：秦飞凡（1997），男，安徽合肥人，本科在读，研究方向：飞行技术。