基于“互联网+”的双涵道大气监测无人机系统设计

高彬，孙林，于波，吕梦杰，汪俊雄

（武汉科技大学城市学院，武汉430083）

0 引言

随着我国工业的发展，目前，我国的环境问题日益严峻，大气质量逐渐下降，2019 年3 月1 日生态环境部长李干杰在全国第二次会议记者会上说，大气重污染三大影响因素“基本搞清楚了”——污染排放、气象条件、区域传输，其中污染排放是主因和内因，其表示生态环境部将狠抓落实，坚决打好蓝天保卫战。在当今法律巡视的利剑下，2018 年全国人大常委会对大气污染防治法的执法检查有了新变化，除了明查之外，还力行“不打招呼、直奔现场”的随机抽查。地方政府需要一套高效的大气检测设备进行工作，随着科技的发展，无人机技术已越来越适应多方面的需求。以无人机为搭载平台，互联网技术为手段，让实现对大气环境的实时监测成为可能，充分发挥互联网与无人机结合的优势，增强监测质量，进而为后续各项工作的开展提供必要的支持。

现阶段虽然也存在利用互联网与无人机结合进行大气检测的例子，但是技术并不够成熟，有许多的问题存在于其中，例如灵活度低、飞行不稳定、受环境影响大、检测易受到干扰等，为解决目前存在的一些问题，我们提出了基于“互联网+”的双涵道大气监测系统，通过其创新方式来实现大气监测的便利与准确性，本文将从系统的总体设计、各硬件模块以及互联网地面监测系统来具体阐述该系统。

1 系统总体设计

“互联网+”的双涵道大气监测无人机系统以无人机作为飞行平台，搭载空中气体检测系统，通过与地面监测系统建立数据传输、信息交互、远程控制，实现对无人机的远程控制，以及对污染气体的远程监测。

1.1 整体结构介绍

该作品以传感监测技术、无人机控制技术、大数据分析技术为核心，以双涵道无人机为平台，搭载可伸缩式机械臂气体传感单元和远程监测系统，可实现对空中气味源近距离的气体检测。并通过地面控制站和数据处理系统实时获取污染气体数据和气源异常图像信息，再基于大数据分析，完成对空中环境气体浓度分布的构图以及对工业区域气体变化的预估，为工业污染气体分析及防范提供一定的依据。其系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

1.2 无人机结构功能介绍

图2 是系统外观结构简图，以双涵道同轴双桨无人机作为平台，搭载可伸缩机械臂式传感单元以及高清摄像头，可用于监测空中污染气体。

图2 双涵道大气检测无人机

它主要具有以下功能：

（1）半自主远程控制能力。

（2）空中污染气体检测能力。

（3）远程实时监控能力。

（4）空中飞行自主避障能力。

（5）工业区域气体分布图构建能力。

（6）污染气体浓度大数据分析能力。

系统预采用一种机械臂式气体传感单元，用于对工业污染气体的检测。该单元是由一个两自由度机械臂和多单元模块化传感器组成。机械臂具有灵活伸缩性，可实现复杂环境下的零距离气体检测。多单元模块化传感器是由多种污染气体感器按一定阵列排列组合而成。

系统预选用六片式2000w 像素高清摄像头。它不仅有利于地面工作人员通过地面站接收的视频信息去了解无人机飞行区域周围环境，增加了无人机的安全性能，同时，当监测到飞行区域内有工厂存在违规排放问题，可实现对违规排放进行实时录像拍照，并实时传送至地面站。既保证了监测的及时性又方便了相关部门的取证及监管。

1.3 系统工作流程

本系统通过以双涵道无人机为平台，搭载空中气体检测系统和雷达避障系统，并通过与地面监测系统建立数据传输、信息交互、远程控制，实现无人机气体查询的远程控制，以及对污染气体的远程监测。

首先，无人机由操作手控制，在工厂待检测区域附近起飞，到达待检测检测区域后，操作手将无人机切换到自主飞行模式，若遇到障碍物将会规避调整路线，无人机通过气体传感器采集污染气体浓度信息，并将浓度信息及时传递到地面监测系统，操作人员通过地面监测系统信息实时监控无人机的飞行状态，一旦出现异常情况，操作人员可通过地面监测系统直接对无人机飞行进行干预。在飞行过程中，无人机在气体传感器与雷达协同作用下，快速追踪气体。当无人机接近空中气味源头时，通过远程控制气体检测系统结构调节，使无人机能够更加便捷、准确的获得气源信息，根据气源信息判断是否需要伸长机械臂进行气体检测，最后采集到待检测气体浓度信息并将数据传输到地面监测系统，完成对工业区域的气味探寻。

该无人机系统工作流程如图3 所示。

图3 工作流程图

2 系统硬件模块主体设计

2.1 双涵道无人机飞行平台

基于“互联网+无人机”的大气监测系统拟采用双涵道无人机作为基础飞行平台（如图4 所示），它的基本结构主要由两个同轴双桨涵道（如图5 所示）、无人机飞行控制芯片、惯性导航模块、GPS 模块、以及数据传输模块组合而成。无人机飞行控制芯片可选用德国的AutoQuad 飞控，惯性导航模块主要包涵加速度计、磁强计、陀螺仪、气压计。

图4 双涵道无人机飞行平台

图5 两个同轴双桨涵道结构图

双涵道无人机相比旋翼无人机来说，其结构更加紧凑，前飞时飞行阻力小，飞行姿态更接近于固定翼飞机，飞行速度较同级无人直升机高。其螺旋桨滑流受到涵道翼面约束，可以增加约20～30%的附加升力，并且可以减少旋翼气流对涵道外周围气流的影响，另外，由于螺旋桨被涵道环扩，无人机气动噪声的传播受到了涵道壁的阻挡，使得其噪音低，隐蔽性好并且不易危机到其他人员和设备，利于在城市中执行任务。

2.2 可伸缩式机械臂及气体检测模块

本系统采用一种可伸缩式机械臂来辅助气体检测（如图6 所示），机械臂的灵活伸缩性，可实现对有障碍物遮挡、烟囱等场合的待检测气体源进行零距离检测，大大提高检测数据的精确度。

气体检测模块将装载到可伸缩式机械臂的末端，并且可以准备多种不同种类的气体传感器来满足多方面的需要，例如当待检测气体为SO2时，本系统拟采用电化学气体传感器进行检测，该传感器结构简单、性能稳定、灵敏度较高、检测范围宽、价格低廉并且可实时连续测定，多种对相应气体特制的传感器使得检测精度大大提高。

图6 可伸缩式机械臂传感单元

2.3 自主避障模块

本系统自主避障模块雷达装置预选用毫米波雷达传感器FMCW，因为无论是激光雷达还是摄像头、超声波传感器，都容易受恶劣天气环境影响导致性能降低甚至失效（恶劣天气环境往往是事故高发的主要原因），因而都存在“致命”缺陷，而毫米波的分辨率高、抗干扰能力强、探测性能好，对烟雾灰尘具有更好的穿透性、受天气影响小，可以保证避障功能的稳定可靠。

如图7 所示为采用人工势场避障算法的双涵道大气检测无人机避障流程图。无人机启动后，系统进行初始化，在飞行过程中，首先检测前方是否有障碍物，若有则根据雷达最小避障距离和人工势场法来规划无人机飞行路径，从而避开障碍物，实现无人机的安全飞行；若无障碍物则保持原来的飞行状态。

图7 空中机器人避障流程图

3 互联网地面监测平台设计

3.1 功能模块介绍

地面监测平台主要负责对环境探测的数据进行地面解析，采用模块化设计分别实现相应的功能需求，包括通信控制与数据处理模块、虚拟仪表及数据显示模块、电子地图模块、航迹规划模块以及数据管理模块五个模块（如图8 所示）。

图8 互联网地面监测系统框图

（1）通信控制与数据处理模块：该模块分为两个部分，第一个部分是通信控制，其功能为控制串口通信的开始关闭，设置串口号，传输波特率，校验参数等；第二个部分是数据处理，其功能为将串口接收的数据帧按照指令定义进行解析处理，最后送到虚拟仪表和显示模块进行显示，并能够将操作人员下达的控制指令传至无人机，使无人机和地面站能稳定，高效的通讯。

（2）虚拟仪表及数据显示模块：该模块主要包括两个部分：飞行数据文本显示及报警。飞行数据文本显示及报警部分通过数字，文本的形式将数据直观、准确、实时地显示在操作人员面前，同时能对电源和油料以及高度等进行安全警报。

（3）电子地图模块：该模块实现电子地图的加载、地图层设置、无人机位置的实时定位、飞行轨迹的绘制。

（4）航迹规划模块：从实际任务出发，考虑飞行空间内已知的威胁源信息，不利因素的限制条件，对传统的A-star 规划算法进行改进，实现将仿真航点坐标转换到实际地理航点坐标，实现航迹规划算法的应用。

（5）数据管理模块：该模块主要用于无人机飞行数据的入库、查询、展示、数据检查及数据导出等，通过飞行数据再对飞行任务进行分析与管理。

3.2 LabVIEW介绍及界面设计

地面监测平台的界面设计是基于LabVIEW 开发环境的交互式用户接口实现的，LabVIEW 提供的界面开发设计工具包括按钮、开关、示波器和图表，使用户能够高效快捷地从地面监测系统界面上进行操作，从而完成各项任务（如图9 所示）。

图9 地面监测系统界面

该地面监测系统界面由六个模块组成：

（1）数据通信模块：主要包括串口号、波特率、数据位、校验位的选择与设定；

（2）状态数据获取模块：电源电量状态、方向、高度、速度；

（3）运动控制模块：远程飞行控制按钮以及模式切换按钮；

（4）实时画面监测模块：远程监测无人机飞行环境；

（5）气体浓度地图显示模块：呈现无人机监测区域待监测气体浓度地图；

（6）气体浓度信息实时监测模块：实时显示当前无人机所在位置气体浓度信息。

4 结语

无人机与各类设备的结合是发展趋势，基于“互联网+无人机”的大气监测系统的设计旨在更好地完成大气环境监测这项重要的任务，能够实时监控区域内的大气污染情况，帮助国家环境监管部门有效应对重污染企业，加强生态环境保护建设，推动污染企业整治，加快不达标产能依法关停退出，加快大气污染防范，让群众享有更多蓝天白云。

基于“互联网+”的双涵道大气监测无人机系统，能辅助完成空中飞行、空中避障、准确寻源、零距离检测、地面监测等复杂功能，大幅度提高工业气体检测效率、降低劳动成本，并可突击检查待检测工厂，减少虚报数据的情况，提高检测数据的真实可靠性，成为环境监管部门的利剑。在当前国家政策的加持下，本系统具有重大研究意义，市场前景巨大。