梁瑞彪

摘 要：多旋翼無人機在軍用和民用上均有廣泛的應(yīng)用前景，對地面的觀測則是多旋翼無人機的一種最有前景的用途。本文針對在水域環(huán)境監(jiān)測中實時監(jiān)測困難問題，提出利用多旋翼無人機搭載水域污染智能監(jiān)測系統(tǒng)對目標水域進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線電系統(tǒng)實時傳回到地面端系統(tǒng)，可直觀、全面地掌握地區(qū)水域環(huán)境的實時動態(tài)情況。

關(guān)鍵詞：微型多旋翼；環(huán)境監(jiān)測；飛行控制系統(tǒng)

中圖分類號： TP79 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-146-2

1 無人機的定義

無人駕駛航空器簡稱無人機，英文的縮寫為UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。無人機具有受氣候的影響小，效率高反應(yīng)速度快、能準確定位、準備工作簡單、操作控制容易等特點。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，經(jīng)濟性能高，可以在小面積區(qū)域、興趣地點懸停重點拍攝。

2 無人機的分類

①水平起降式：水平起降式機翼為固定式。優(yōu)點：飛行速度快，可以進行高空飛行，動力效率比高，續(xù)航能力強。缺點：受空氣流動影響較大，無法懸停在指定位置，對目標只能進行“盤旋觀察”在復(fù)雜地形飛行時需要操作難度高，微型固定翼UAV限于效果的比例，身體容易跟隨流線和角運動，進而影響其穩(wěn)定性，難以獲得連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像。對起飛和降落場地要求較高，要求起飛及著陸航線平整且無障礙物，且發(fā)射或降落時需要考慮風(fēng)向、風(fēng)速問題，限制較多。②垂直起降式： 垂直起降式機翼為旋翼式。優(yōu)點：低空空氣流動對其影響較小，可在空中懸停?？梢栽谂d趣目標點進行“懸停凝視”觀測，可以獲得連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像，有利于小目標或局部區(qū)域的細致觀測。具有垂直起降能力，可以在惡劣的場地進行起降，對氣象條件要求低，具有較廣的應(yīng)用范圍。缺點：機翼載荷比水平起降式高，動力效率比低，無法滑行，為減少自重，續(xù)航力低，控制系統(tǒng)復(fù)雜，容錯率低，容易出現(xiàn)故障。

在多種類的無人機中，四旋翼無人機是目前研究最為廣泛、用途最多的一種。四旋翼無人機由于能夠垂直起降、自由懸停，適應(yīng)不同的情況，在不同的環(huán)境下自由轉(zhuǎn)向和調(diào)速。

3 無人機工作原理

3.1 系統(tǒng)概述

無人機飛行控制系統(tǒng)是無人機的核心，飛行控制系統(tǒng)通過采集飛行器的姿態(tài)、速度、壓力、轉(zhuǎn)速等信息，傳輸給飛行控制處理器，由處理器解算并發(fā)出控制無人機飛行狀態(tài)的指令，并且通過無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以向地面站實時傳輸無人機的飛行參數(shù)和功能傳感器所探測的目標信息；另一方面，地面站也可以根據(jù)需求向無人機發(fā)送指令，控制無人機姿態(tài)、航向，到達指定地點進行拍攝或探測。整個飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計是無人機的關(guān)鍵，是地面站與機上飛行控制系統(tǒng)的綜合，飛行控制系統(tǒng)的好壞直接決定著無人機的質(zhì)量。

3.2 無人機探測系統(tǒng)搭載原理

3.2.1 無人機遙感技術(shù)

無人機的遙感技術(shù)是將傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)搭建在無人機技術(shù)的平臺上，并運用計算機技術(shù)進行運算控制，通過通信技術(shù)完成信息傳輸及存儲，可迅速、自動、智能地獲取相關(guān)的環(huán)境空間信息，采集數(shù)據(jù)和應(yīng)用處理。無人機續(xù)航時間長、能實時傳輸影像，具有成本低、高分辨率、機動靈活等特點，在高危地區(qū)探測具有較好的應(yīng)用前景。

3.2.2 利用高分辨CCD相機系統(tǒng)獲取遙感影像

無人機通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)影像的自動拍攝和獲取，通過航跡的規(guī)劃實施監(jiān)控，將采集的信息數(shù)據(jù)進行壓縮和自動傳輸，還可以完成影像預(yù)處理，可以在水域環(huán)境監(jiān)測提供環(huán)境信息，為各級環(huán)境部門環(huán)境檢測提供便利，并可滿足環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)的需求。

3.2.3 數(shù)據(jù)融合生成三維立體空間圖

地面站系統(tǒng)搭載了數(shù)據(jù)融合軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳回的傳感器數(shù)據(jù)和位置信息等數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，生成立體三維空間圖，直觀展示各類信息，便于數(shù)據(jù)分析。

3.3 微型多旋翼無人機系統(tǒng)使用目標設(shè)定及定位

衛(wèi)星及傳統(tǒng)航空器在復(fù)雜水域、面積相對小且污染類型多樣的區(qū)域拍攝不清晰，無法達到分析要求，無人機飛行器可以在復(fù)雜區(qū)域完成懸停凝視，拍攝連續(xù)穩(wěn)定高像素圖像，更能細致對進行目標區(qū)域進行監(jiān)測。

四旋翼無人機攜行方便，不受使用場地約束，最高可在6 級風(fēng)力情況下使用，在陰云、霧霾能見度不良天氣情況下，可以低空或貼水面飛行，獲取水域環(huán)境的高清晰圖像，可以實時追蹤和監(jiān)測突發(fā)環(huán)境事件的發(fā)展。同時借助地面站外部通信設(shè)備將無人機實時拍攝巡查地點的高清圖片通過網(wǎng)絡(luò)進行轉(zhuǎn)播或存儲。

3.4 無人機的優(yōu)點

①多旋翼無人機通過采用GPS 模塊實現(xiàn)了空間定位功能；將網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、物聯(lián)網(wǎng)及軟件技術(shù)，集成在多旋翼無人機上，利用無人機靈活性特點，以點及面，就可以無死角、全方位地探測目標區(qū)域環(huán)境條件狀況，實現(xiàn)定時定點采樣，極大減小了控制生產(chǎn)成本和系統(tǒng)功耗。②數(shù)據(jù)融合生成立體三維空間圖；特有設(shè)計了地面站系統(tǒng)，實時顯示無人機傳回的傳感器數(shù)據(jù)和飛機當(dāng)前位置信息等，同時進行數(shù)據(jù)融合，直接將數(shù)據(jù)以立體三維空間圖直觀展示，環(huán)境各參數(shù)指標一目了然。

4 微型多旋翼無人機的操作注意事項

本文以大疆精靈Phantom 4為例，介紹無人機的使用方法：無人機具體參數(shù)如表1。

①在目標地點附近起飛，飛行范圍是以起飛點為中心高度120m以下，半徑500m 范圍內(nèi)。②四旋翼飛行器可以垂直起降，在目標區(qū)域附近垂直起飛，到達預(yù)定高度后，飛往目標地點，對目標地進行檢測。在檢測過程中可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境調(diào)整無人機的高度，便于獲得更清晰的圖像。在飛行過程中要注意于其他建筑或固定障礙物保持20-30m的安全距離，與運動的障礙物需要保持500m的安全距離。在一次出動微型多旋翼無人機時，需要在各組間設(shè)立指揮員，協(xié)調(diào)各組的飛行范圍，保證任務(wù)順利。③受電池約束，該型號無人機只能持續(xù)飛行28分鐘，信號接收范圍為3.5公里，在飛行時注意飛行時間和距離的控制，避免因沒電或超出控制距離造成損失。

5 多旋翼無人機在水域環(huán)境監(jiān)測中實際的應(yīng)用

5.1 無人機在水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的應(yīng)用

在水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，水域環(huán)境檢測尤為重要，以水草為例，水草作為大多魚類的食物，可以很好地促進魚類的生長，當(dāng)水草超過一定數(shù)量，會造成水層缺氧，并加速水草死亡，造成水質(zhì)變壞，不利于魚類養(yǎng)殖。所以魚塘需要實時監(jiān)視水草數(shù)量，人工劃船或觀望難以做到全局觀測，結(jié)果比較片面，使用無人機對水域進行全局探測，快速了解魚塘整體情況，也可以在局部進行懸停并凝視，確定水草生長情況，獲得魚塘準確信息并及時制定應(yīng)對措施。

5.2 無人機在環(huán)境檢測的應(yīng)用

沂河流經(jīng)臨沂沂水、沂南、臨沂市區(qū)，臨沂段全長284公里，流域面積7425平方公里，集水面積2872平方公里，河面最寬達1540米；被臨沂人民譽為"母親河"。是臨沂重要的淡水資源，該河兩岸附近分布著工場和眾多的居民地，存在排污問題。對沂河的環(huán)境檢測尤為重要，通過無人機技術(shù)可以快速地獲得沂河流域環(huán)境情況，對保護水資源具有重大意義。

6 結(jié)論

水域環(huán)境監(jiān)測需要對目標區(qū)域進行全局觀測和量大的局部觀測，要想獲得大量高質(zhì)量的局部觀測信息，就需操作靈活，可控制性高的無人機系統(tǒng)組來完成?？梢灶A(yù)見的是微型多旋翼無人機將會得到大量應(yīng)用，而且未來微型多旋翼無人機的發(fā)展方向?qū)⑹侵悄芑?、多樣化的空中機器人群組。

參 考 文 獻

[1] 高鵬騏，晏磊，趙紅穎，何定洲.無人機遙感控制平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[A].第十五屆全國遙感技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C].2013.

[2] 黃愛鳳，鄧克緒.民用無人機發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[A].第九屆長三角科技論壇——航空航天科技創(chuàng)新與長三角經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展分論壇論文集[C].2012.

[3] 丁霖.無人機系統(tǒng)人機交互界面淺析[A].探索 創(chuàng)新 交流（第4集）——第四屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集[C].2010.

[4] 曹攀峰.敵對與非敵對環(huán)境下無人機群的協(xié)同搜索路徑與策略研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2010.