基于无人机的模块化环境监测系统

王千秋，李俊杰，骆 毅

（广东东软学院 广东 佛山 528225）

0 引言

随着当今社会的快速发展，人们日益增长的生活需求带来了巨大的经济产能需求，与此同时，人们对良好生态环境的需求也在不断增长，经济产能的追求和环境保护的需求之间容易出现权衡的矛盾。而解决这个矛盾的关键就是落实环境保护措施，在确保生产的合理性和安全性的同时，最大化地满足人们对生态环境的需求[1]。此外，随着能源多样性的发展，需要关注的环境问题也在早期的大气污染、水体污染之上增加了光污染、辐射污染等新污染问题。目前的空气质量监测系统多采用固定的地面监测站、地面移动平台监测站、或是人工手持测量。传统的监测方式成本较高，而且监测区域和监测项目在一定程度上都会受到限制[2-4]。无人机作为一种高效便捷的辅助手段，替代了原有工具并服务于各行各业，且具有成本低、机动性能好、使用方便等优势，不仅提高了任务执行的安全性和可靠性，也广泛应用于泄漏、火灾等环境突发事件的安全监测，如大气环境污染应急监测、风险场区的常规大气质量状况巡查、城市低空大气质量状况监测。相较于传统的人工环境质量监测，以无人机为载体的大气环境监测系统，可以收集多方位和庞杂地区环境条件下的大气环境数据并上传至终端服务器，实现高效全面的数据查询。

本文提出一种模块化无人机环境监测系统，可精确获取大气污染物的分布数据。相较于传统监测方式，本无人机环境监测系统具有低成本、即时性、高可塑性、高延展性、高灵活性、自动化处理等优势，可满足当下对环境监测的需求，并且其高灵活性、高自动化和低人工成本等优势也必然是未来环境监测的主流趋势。

1 系统概述

1.1 基本功能和基本组成

该模块化无人机环境监测系统具有以下基本功能，一是可即时传输无人机正前方的图像数据，并显示到地面控制站的软件页面上；二是无人机可搭载所需要的探测设备，在飞行时执行环境监测任务；三是无人机上的数据经过STM32单片的处理，会实时打包发送至地面控制站，并将数据与GPS位置结合，实时显示监测数据的三维位置。四是该系统可在PC端的软件上操控无人机，实现脱离无人机手柄操控无人机飞行。五是无人机采用模块化设计，所有设备如电机螺旋桨、摄像设备、无人机机体组件以及探测设备都是以独立模块的结构汇集到无人机上，可以实现快速拆装、替换。

该系统框架如图1所示，主要由无人机移动监测平台和无人机地面控制站组成，在无人机执行飞行监测任务时，地面控制站可实时接收无人机传输的测量信息、定位信息和实时画面，并在不同页面上展示无人机传输过来的各项内容。此外，地面控制站还可以即时控制无人机的飞行状态，根据实际情况对其飞行动作进行调整。该系统可结合多种探测器进行使用，其中较为基本的监测探测器有：用于气体检测的常规工业气体检测集成模组（内含ZH03B型PM2.5激光粉尘传感器、ME3-H2S二氧化硫传感器、MC105型的催化燃烧式一氧化碳传感器、催化燃烧式气体的二氧化碳传感器、可燃气、MC119型催化燃烧式工业燃气传感器、ZP07-MP503型的空气质量探测器），用于检测核辐射数值的β、γ核素探测仪，用于检测气象数据的超声波气象探测仪等。

图1 无人机模块化环境监测系统架构图

1.2 工作流程概述

本系统所采用的无人机为六旋翼无人机，荷载为5kg，可在无人机上同时搭载多类探测器或水体采样器，如β射线/γ射线辐射探测器，超声波空气数据探测器，气体探测器，GPS定位器等等。硬件结构如图2所示，探测器所采集的数据由STM32单片机处理后，将测量的数据与测量时无人机的GPS三维定位打包发至地面控制站，在地面站的软件页面上实时显示。

图2 无人机硬件系统概述图

无人机作业流程如图3所示，飞行前，作业员需要对飞行设备和飞行环境进行检查，根据项目场景需要选择合适的探测器。确定所有设备正常后便可制定探测任务和飞行路线，随后执行飞行计划。在无人机飞行过程中，可选择开启安全模式，当监测到无人机四周存在障碍或是某个测量数值过高时，禁止无人机朝障碍物方向或高浓度方向继续前行，必要时可一键返航，最大程度避免无人机遭受损害或污染。同时，由于无人机在启动、起飞、空中姿态调整时，会产生较大的瞬时电流，因此该系统的无人机移动监测站采用了双电源设计，将无人机的机组部件的供电系统与探测设备和STM32主控的供电电源分开，飞行控制系统与探测设备独立运作，保障了探测数据的精准性和稳定性。

图3 无人机执行任务流程图

2 应用场景举例

2.1 核辐射风险区域监测探查

切尔诺贝利和福岛核电站事故的发生，让人们在享受核能带来的高效产能的同时，也对核的放射性污染惧怕三分[5]。由于人类在短期内不能明确感知自己是否暴露在核辐射下，所以在有核辐射外溢、泄露的风险区域，采用无人机监测系统对该区域进行数据监测和收集是较为适合的环境监测方案。它可以有效避免人员安全事故的发生，并可采集区域内不同高度、不同位置的目标数据。在人不踏入该风险区域的前提下，也能对该区域有全面的了解。

2.2 在目标区域进行定时定点定高数据采集

在无地面监测站或是地面监测站无法测量的区域，采用多旋翼无人机监测系统收集不同时段的固定经纬度与固定高度下的大气数据和目标气体浓度，可更好地配合地面监测站收集的数据进行分析，且由于无人机监测系统的便携性，可实现在一定时间内多个定点定高的数据采集[6-7]。

2.3 工业区废气排放平扫监测

在当前环保政策越来越严格的情况下，仍会有工厂在半夜或者假日偷排废气，而人员走访监测的方案不仅效率较低，而且人工成本高，因此采用无人机环境监测系统进行区域平扫监测才是更合适的方案[8]。在使用无人机环境监测系统时，可在出发前在地面站系统上事先设定飞行路线，设定好飞行路线后无人机将自动完成飞行路线并返航，在飞行途中还可将实时的检测数据连同GPS定位回传至地面控制站软件页面，并在检测到超标浓度后发出警报，可快速、精确地检测到平扫区域的废气排放情况，更好地落实环保监督政策。

3 无人机环境监测系统优势

3.1 在潜在高风险、高危险的环境条件中的监测优势

无人机具有高机动性和高操纵性等特点。在崎岖险峻的悬崖、山林，活跃的火山口，沼泽湿地，以及潜在或已知的高危环境，如核辐射、有毒气体、有毒气雾等监测或调查人员难以抵达现场的区域，可利用无人机的高机动性和无线数据传输技术，收集到目标区域现场的图像数据和目标监测数据如气体浓度、气体组成、辐射等级等等，能在有效提高环境监测效率的同时，尽可能避免未知的恶劣、高危环境对人员生命安全造成伤害。

3.2 在大范围区域数据收集方面的优势

无人机高速飞行的特点让其可以在短时间内收集更大范围的目标数据，并且受益于无人机的即时传输，可在大范围收集数据的同时，观察目标区域的变化情况，为接下来的测量方案做出调整[9]。除此之外，还可以在不同高度进行平扫测量，收集同一区域不同高度的气体信息，对该区域的气体成分有更为全面的了解和统计。目前，在农业植保方面已经有采用无人机播种和喷洒农药、化肥的先例，但在环境监测领域的应用仍然较少。

3.3 模块化设计的优势

本系统的无人机移动监测站采用模块化设计，其中的探测模块、无人机GPS模块、无人机的单个电机旋翼等均为模块化设计。需要测量不同的数据时，可以做到就地快速替换探测器，因此能在同一时间内监测多种不同的数据，包括气体数据、气象数据、水体表面气雾数据等。并且，当无人机部件意外受损、发生故障时，也可以做到快速更换维护，不影响后续的监测计划。

3.4 采集数据多样化的优势

搭载在无人机上的探测设备包括气体探测、水体容器、水雾探测、核素探测、光辐射探测等，可根据实际情况选择多种不同的组合。每次飞行可以同时收集1～3种目标数据，在一定程度上减少了环境监测的工作时间，提高环境监测的效率。在水体检测时，能有效减少水体样本在运输过程中的时间损耗，一定程度上保证了水体样本与水体的一致性。

4 无人机在环境监测存在的问题和改进方向

无人机虽然在环境监测中具有很大的优势，但由于在环境监测领域的应用过少，许多应用还处于测试阶段，所以在荷载、续航和测量方法等方面还存在以下问题：

4.1 无人机飞行条件限制

无人机的抗风性多数为6级风速，当地表风速超过6级风速时，无人机飞行将会有安全隐患。本文提出的无人机环境监测系统所采用的无人机具有6～8级抗风能力，但在风速超过8级时，就不应再执行测量任务[10]。而像山谷、高空，或是有强烈对流的区域，由于其环境因素导致的小范围高风速，也可能会影响无人机的执勤安全和稳定性。因此，提高无人机的抗风性，才能有效提高无人机在环境监测领域的应用范围。

4.2 仍然较依赖人工操控

在确认安全的区域执行飞行监测任务，虽然可以事先设定好飞行航线，由无人机自主完成飞行监测任务，但在大多数任务当中，还是需要人工手动操控调整无人机的飞行路线。一方面，优化无人机的传感器设备，如自主避障，或是增加视觉跟踪系统，实现目标飞行跟踪，实时跟踪监测特定目标的辐射情况或是废气排放情况，如核动力船只的安全跟踪、大型货轮的尾气排放等[11]。另一方面，可参考无人机表演的无人机群，建立应用于环境监测的无人机集群系统，批量、自动化操控无人机，命令其智能完成简单的监测任务。完善这两个方面，可使无人机在环境监测、环境保护领域能更高效地完成环境测量任务。

4.3 无人机的荷载能力以及探测器的重量和大小

当今多旋翼无人机的荷载大都不会超过5 kg，再加上探测器设备大多数都具有体积大、重量大的共性，因此难以实现单个无人机搭载多个探测器的效果，无法完成单次飞行收集多项数据的监测任务[12]。增加无人机的载重能力或减小探测设备的尺寸和重量，都能使得无人机在环境监测领域具有更高的可塑性，从而增加无人机在环境监测领域的应用。

5 结语

目前无人机在航拍和表演领域发展已经较为成熟，但在行业用机上还有很大的发展空间，尤其是无人机在环境监测上的应用还存在较大空缺。本文所研究的基于无人机的模块化环境监测系统，能够提供更丰富、更高效、可行性更高的环境监测实施方案。利用无人机的可操纵性、无线传输技术和模块化的探测器组合，可有效拓展环境监测领域的测量、监测方式，实现对区域环境的实时监测和数据的多样性、多维度的分析。该模块化无人机环境监测系统对于无人机的应用领域和环境监测的方式方法具有重大参考价值。