沈 奧，周樹道，王 敏，彭舒齡，任尚書

(1.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211100； 2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210000)

0 引言

利用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行氣象探測(cè)是在多旋翼無人機(jī)平臺(tái)的發(fā)展和大氣探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣象探測(cè)方法[1]?？梢詫⑻綔y(cè)儀器直接加裝在多旋翼無人機(jī)上，對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。具有人機(jī)分離、按指定航線探測(cè)、飛行高度高、可重復(fù)使用、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、直接探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，而多旋翼無人機(jī)操作控制簡(jiǎn)單、起降方便、成本低，特別是可以實(shí)現(xiàn)懸停飛行和垂直起降，能夠?qū)Υ髿獯怪狈植继卣鬟M(jìn)行探測(cè)，使其在氣象探測(cè)中具有了獨(dú)特的作用和優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。

如今對(duì)于無人機(jī)流場(chǎng)的分析多用于固定翼無人機(jī)，或者分析旋翼無人機(jī)的氣動(dòng)外形，用以提升無人機(jī)的性能，降低功耗[4-6]。而對(duì)于旋翼無人機(jī)搭載傳感器進(jìn)行探測(cè)，則需要對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生擾流場(chǎng)進(jìn)行分析，否則將會(huì)使探測(cè)產(chǎn)生較大誤差。所以，研究多旋翼無人機(jī)流場(chǎng)對(duì)提高多旋翼無人機(jī)氣象探測(cè)精度具有重要意義。

本文首先對(duì)常見氣動(dòng)布局(四旋翼、六旋翼、八旋翼無人機(jī)不同翼間距的布局)的多旋翼無人機(jī)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析總結(jié)出不同氣動(dòng)布局多旋翼無人機(jī)的流場(chǎng)特點(diǎn)，進(jìn)而結(jié)合大氣探測(cè)設(shè)備的類型和原理，對(duì)大氣探測(cè)設(shè)備的使用提出建議，最后針對(duì)多旋翼無人機(jī)流場(chǎng)的特點(diǎn)，對(duì)大氣探測(cè)設(shè)備提出改進(jìn)方法，使其能在多旋翼無人機(jī)平臺(tái)上更精確地進(jìn)行探測(cè)。

1 多旋翼無人機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值計(jì)算模擬方法

常用的CFD計(jì)算方法的思想是利用有限體積法，把連續(xù)的空氣介質(zhì)離散化，對(duì)離散后的每一個(gè)單元進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，形成大型代數(shù)方程組，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行求解。而對(duì)流場(chǎng)的分析，是基于N-S方程中的3個(gè)基本定律[7]：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中，ρ為流體的密度，ui為流體速度沿i方向的分量，p是靜壓力，τij是應(yīng)力矢量，ρgi是i方向的重力分量，F(xiàn)i是由于阻力和能源而引起的其它能源項(xiàng)，h是熵，k是分子傳導(dǎo)率，kτ是由于湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率，Sh是定義的體積源。

由于需要計(jì)算的是旋翼在空氣中低雷諾數(shù)下的旋轉(zhuǎn)的問題，本文使用Spalart-Allmaras模型(簡(jiǎn)稱S-A模型)來封閉方程組。S-A模型是專門為航空航天應(yīng)用所設(shè)計(jì)的，對(duì)于網(wǎng)格不是非常密的模型有較高的精度，計(jì)算時(shí)間短，在中小型流場(chǎng)仿真，特別是葉輪機(jī)計(jì)算中得到了廣泛使用[8]。而S-A模型在N-S方程基礎(chǔ)上，建立了μτ與k的函數(shù)作為運(yùn)輸方程，從而使方程封閉。運(yùn)輸方程為：

(4)

式中，?k、CD、Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，l為模型中混合長度。

另外，湍流粘性系數(shù)為：

(5)

1.2 模型的建立

影響多旋翼無人機(jī)流場(chǎng)的因素有很多，如圖1所示，列舉了影響多旋翼無人機(jī)流場(chǎng)的部分因素。根據(jù)無人機(jī)的功能用途，設(shè)計(jì)了無人機(jī)不同的外形特征，其中旋翼數(shù)量、轉(zhuǎn)速和旋翼形狀共同決定了升力的大小，旋翼數(shù)和間距比則影響了無人機(jī)的穩(wěn)定性[9-10]，而旋翼數(shù)、轉(zhuǎn)速、旋翼形狀和間距比都會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。在本研究中，以9047螺旋槳(直徑9英寸，螺距4.7英寸)為例，分別對(duì)四旋翼和六旋翼無人機(jī)在不同間距比(相鄰兩旋翼中心距離L與旋翼直徑D之比)的情況下的流場(chǎng)情況進(jìn)行分析。為了排除其他因素的干擾，分析使用的無人機(jī)模型除旋翼數(shù)和間距比不同之外，機(jī)身、支架大小不做改變。在SolidWorks軟件編輯多旋翼無人機(jī)的機(jī)身、支架和旋翼部分，再根據(jù)分析模型的參數(shù)調(diào)整模型，在ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 影響多旋翼無人機(jī)流場(chǎng)的主要因素

1.3 網(wǎng)格的劃分

由于每一個(gè)旋轉(zhuǎn)旋翼的流場(chǎng)是非定常狀態(tài)，針對(duì)這一問題，可以將流體計(jì)算域劃分為多個(gè)區(qū)域：每一個(gè)旋翼所在的旋轉(zhuǎn)域和其余部分的靜止域。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)旋翼旋轉(zhuǎn)部分網(wǎng)格進(jìn)行加密，相對(duì)遠(yuǎn)離旋翼的部分網(wǎng)格相對(duì)稀疏，兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率[11]。

1.4 邊界條件設(shè)定

將旋翼所在的旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)定為繞旋翼中心旋轉(zhuǎn)的滑移網(wǎng)格，由于要平衡旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩，相鄰兩旋翼轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 rad/s。旋翼邊界設(shè)定為與連接域同步轉(zhuǎn)動(dòng)的moving wall。旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域邊界設(shè)置為interior。

1.5 結(jié)果分析

1.5.1 四旋翼無人機(jī)

四旋翼無人機(jī)在間距比為1時(shí)，流場(chǎng)速度矢量圖如圖2、圖3所示。圖中箭頭表示速度的方向，箭頭顏色表示速度的大小。從圖中可以看出，氣體流動(dòng)最快的區(qū)域是在旋翼尖旋轉(zhuǎn)的區(qū)域，瞬時(shí)速度最快達(dá)到了87.83 m/s，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)，氣體運(yùn)動(dòng)也比較劇烈，大多數(shù)區(qū)域風(fēng)速在0～20 m/s之間；旋翼通過旋轉(zhuǎn)，將上方的氣體螺旋向下吸入旋轉(zhuǎn)，然后向下噴出，為了更加直觀地觀察分析，加入了過無人機(jī)中心軸的豎直平面以及機(jī)身所在的水平平面作為切片進(jìn)行分析。

圖2 速度矢量圖斜上視圖(L/D=1)

圖3 速度矢量圖平視圖(L/D=1)

如圖4、圖5所示，圖中不同顏色區(qū)域代表此區(qū)域內(nèi)氣體流動(dòng)速度大小，區(qū)域邊界線即為速度大小的等值線。箭頭表示速度矢量，箭頭方向即為速度方向，箭頭的大小表示速度的大小。在豎直切片上(如圖4所示)，旋翼將無人機(jī)上方及外側(cè)氣體卷向無人機(jī)中心以及旋翼下方，流向無人機(jī)中心的氣流與機(jī)身和對(duì)流向碰撞，方向發(fā)生改變，分成了向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的兩股，可以看出，向下的氣流強(qiáng)度較大。

而在水平切片上(如圖5所示)，在無人機(jī)機(jī)身的水平平面上，在與旋翼垂直對(duì)應(yīng)的區(qū)域，氣流隨旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，形成漩渦，流速相對(duì)較大，旋翼中心區(qū)域較??；在無人機(jī)機(jī)身正上方和正下方，存在一塊流速相對(duì)較小的區(qū)域。

由于在實(shí)際探測(cè)中，為了維持無人機(jī)的平衡，探測(cè)設(shè)備的重心要盡量靠近無人機(jī)重心(一般多位于無人機(jī)的中心位置)，因此，要著重分析無人機(jī)中心附近區(qū)域的流場(chǎng)特點(diǎn)。結(jié)合圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)身上下存在一塊近似橢圓錐形的靜風(fēng)區(qū)域。由于下洗氣流比較強(qiáng)并且方向更加集中，下方的區(qū)域跟上方相比較小，而橢圓錐底面橢圓長軸在z軸方向；在橢圓錐的底部，空氣入流由于對(duì)面入流以及兩側(cè)旋翼的作用，分成兩股，分別從兩側(cè)流出；在豎直方向上，機(jī)身上方從x軸方向匯入的氣流在機(jī)身中心附近改變方向，向上流動(dòng)，在向上流動(dòng)的過程中，受到旋翼向下漩渦的吸引，逐漸向兩側(cè)分流，在橢圓錐兩側(cè)改為向下流動(dòng)，而在下方，由于距離旋翼較遠(yuǎn)，下洗氣流強(qiáng)，z軸上向外的吸引對(duì)氣流影響減小，氣流方向主要由四周旋翼下洗氣流向中間擠壓，向中心流動(dòng)，在錐體兩側(cè)，則有強(qiáng)烈的斜向下氣流。

圖4 豎直切面上速度云圖(L/D=1)

圖5 水平切片上速度云圖(L/D=1)

在實(shí)際運(yùn)用中，同樣是四旋翼無人機(jī)，尺寸不同也會(huì)使流場(chǎng)不同，圖6、7和圖8、9就分別展示了當(dāng)間距比分別為1.1和1.2時(shí)，四旋翼無人機(jī)周圍的流場(chǎng)特征。通過對(duì)比圖4～9，不難看出，相鄰旋翼之間距離的增大，橢圓錐型的相對(duì)靜風(fēng)區(qū)總體形狀沒有改變，氣體流動(dòng)方向變化也不大，但是距離的增大，靜風(fēng)區(qū)域范圍明顯增大，內(nèi)部氣流的相互干擾逐漸減輕，氣流流動(dòng)方向和趨勢(shì)也更加清晰。

圖6 豎直切片上速度云圖(L/D=1.1)

圖7 水平切片上速度云圖(L/D=1.1)

圖8 豎直切片上速度云圖(L/D=1.2)

圖9 水平切片上速度云圖(L/D=1.2)

1.5.2 六旋翼無人機(jī)

由于多旋翼無人機(jī)飛行原理相似[12]，六旋翼無人機(jī)周圍的流場(chǎng)變化遵循的規(guī)律跟四旋翼無人機(jī)也十分相似，但為了保證相鄰旋翼不發(fā)生碰撞，分布在以無人機(jī)中心為圓心的圓上的旋翼數(shù)的增加，就要使無人機(jī)旋翼到無人機(jī)中心的距離增大，機(jī)身上下的相對(duì)靜風(fēng)區(qū)的范圍也相應(yīng)較大，如圖10、11所示。又由于相鄰旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，在過無人機(jī)中心點(diǎn)的3個(gè)水平軸方向，產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)方向一致的氣流，如圖10所示。此外，六旋翼無人機(jī)動(dòng)力源多，分布更分散，控制量增多，使得無人機(jī)穩(wěn)定性更好，無人機(jī)對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)失效的容忍程度比四旋翼無人機(jī)要大，負(fù)載能力較強(qiáng)，同時(shí)，當(dāng)整機(jī)重量相差不大時(shí)，六旋翼無人機(jī)每一個(gè)旋翼所需產(chǎn)生的推力變得更小，轉(zhuǎn)速會(huì)相對(duì)較低，也降低了每個(gè)旋翼對(duì)流場(chǎng)的影響。

而當(dāng)六旋翼無人機(jī)間距比增大時(shí)，流場(chǎng)變化趨勢(shì)跟四旋翼無人機(jī)相似，靜風(fēng)區(qū)區(qū)域不斷變大，空氣流速逐漸降低，氣流流動(dòng)方向規(guī)律更加明顯。

圖10 豎直切片上速度云圖(L/D=1)

圖11 水平切片上速度云圖(L/D=1)

1.5.3 八旋翼無人機(jī)

通過上述分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，隨著無人機(jī)旋翼數(shù)的增加，無人機(jī)流場(chǎng)變化存在著明顯的規(guī)律，相比較四旋翼和六旋翼無人機(jī)，八旋翼無人機(jī)機(jī)身中心距離旋翼更遠(yuǎn)，中心部分受到影響更小，中心區(qū)域的流場(chǎng)變化相對(duì)平緩；同時(shí)，八旋翼無人機(jī)穩(wěn)定性更強(qiáng)，負(fù)載能力更強(qiáng)，八旋翼可以承受單發(fā)甚至雙發(fā)失效的狀況，并且飛行器仍然可控，增加了飛行的安全性；當(dāng)負(fù)載相同時(shí)，每一個(gè)旋翼需要提升的轉(zhuǎn)速也相對(duì)較小。而這些因素都決定了利用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行氣象探測(cè)時(shí)，八旋翼無人機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

2 無人機(jī)流場(chǎng)對(duì)大氣探測(cè)設(shè)備的影響

大氣探測(cè)設(shè)備通常是在一個(gè)設(shè)備上集成多種傳感器配合主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集進(jìn)行大氣探測(cè)，其種類多種多樣，技術(shù)也相當(dāng)成熟。但是在無人機(jī)大氣探測(cè)的過程可以發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)上的探測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)跟定點(diǎn)和飛艇測(cè)量的數(shù)據(jù)相比，有一定的偏差，并且波動(dòng)較大。結(jié)合大氣探測(cè)設(shè)備的原理，可以發(fā)現(xiàn)，氣流的干擾會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量產(chǎn)生影響，而根據(jù)影響方式的不同，可以將流場(chǎng)對(duì)傳感器的影響情況分為以下幾類：

2.1 對(duì)溫度、濕度傳感器的影響

常用的能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)溫度的傳感器利用了熱敏電阻或其他元器件的溫度特性，通過測(cè)量元器件參數(shù)的大小，測(cè)量環(huán)境的溫度值[13-14]。這類傳感器在使用中，要考慮到元器件附近的散熱，如熱敏電阻，當(dāng)電流通過電阻，會(huì)產(chǎn)生熱量，此外，集成的探測(cè)儀中其他電路部分，也會(huì)有損耗，產(chǎn)生熱量。因此，需要一定的氣體流通，加速散熱，同時(shí)，通過對(duì)工作狀態(tài)下的值進(jìn)行標(biāo)定，來修正誤差。而當(dāng)傳感器加裝在無人機(jī)上，無人機(jī)產(chǎn)生的氣流將會(huì)影響到傳感器正常的散熱環(huán)境，使溫度檢測(cè)產(chǎn)生誤差。

濕度傳感器與溫度傳感器原理相似，使用了濕敏電阻或其他濕敏元件。而無人機(jī)帶來的氣流，將改變流過濕敏元件的氣體流量，在單位時(shí)間內(nèi)，附著在濕敏元件上的水也會(huì)相應(yīng)變化，影響濕度的檢測(cè)。

2.2 氣體濃度傳感器

目前常用的氣體傳感器是先進(jìn)行采集，采集到一定量的樣本氣體，再通過對(duì)采集到的樣本進(jìn)行電化學(xué)性質(zhì)分析，來獲取樣本中的特定氣體含量，進(jìn)而檢測(cè)出環(huán)境中氣體濃度[15]。這種方法易受環(huán)境溫度濕度變化的干擾，針對(duì)這一問題許多傳感器采用了溫度濕度補(bǔ)償，然后再用高純度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，因此性能更穩(wěn)定，誤差較小。但當(dāng)溫度濕度的檢測(cè)因?yàn)槭艿搅鲌?chǎng)影響出現(xiàn)誤差時(shí)，就會(huì)影響到對(duì)氣體濃度的補(bǔ)償，給測(cè)量帶來了誤差。

圖12 流場(chǎng)對(duì)氣體傳感器影響示意圖

2.3 顆粒物傳感器

隨著霧霾問題的關(guān)注不斷提高，對(duì)大氣顆粒物的檢測(cè)應(yīng)用的越來越多。對(duì)大氣顆粒物的實(shí)時(shí)檢測(cè)主要是通過對(duì)周圍環(huán)境氣體進(jìn)行采樣，利用顆粒物的光學(xué)特性，對(duì)樣本進(jìn)行分析[16]。在樣本的采集中，傳感器通過一個(gè)風(fēng)扇，將周圍氣體以及其中的顆粒物吸入傳感器作為樣本，對(duì)樣本進(jìn)行光電特性分析，求得顆粒物含量的大小。但當(dāng)傳感器處于變化的流場(chǎng)中，顆粒物與氣體慣性不同，流動(dòng)速度的變化會(huì)使采集到的樣本中顆粒物的含量與真實(shí)值不一致，帶來測(cè)量誤差。

3 對(duì)于多旋翼無人機(jī)氣象探測(cè)的優(yōu)化建議與對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 優(yōu)化建議

通過以上的分析，我們發(fā)現(xiàn)，通過在多旋翼無人機(jī)平臺(tái)上加裝大氣探測(cè)設(shè)備的方式進(jìn)行氣象探測(cè)，有其他方式無法取代的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)，無人機(jī)本身造成的流場(chǎng)變化對(duì)傳感器的影響也不得不考慮在內(nèi)。所以，在實(shí)際運(yùn)用中，在考慮無人機(jī)平衡保證飛行安全的同時(shí)，要尋找一塊與在地面固定環(huán)境相似的，即流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域。結(jié)合以下方法，可以明顯改善測(cè)量精度：

1)根據(jù)需要選用旋翼數(shù)多，相鄰旋翼間距較大的無人機(jī)。根據(jù)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋翼數(shù)增多，相鄰旋翼間距增大的時(shí)候，無人機(jī)機(jī)身距離旋翼距離較遠(yuǎn)，受影響程度小，更適合探測(cè)儀器的測(cè)量。

2)根據(jù)無人機(jī)外形，將探測(cè)儀器加裝在無人機(jī)中心軸，高度位于旋翼所在平面處為宜。根據(jù)以上分析，在無人機(jī)中心軸氣體流動(dòng)較為平緩，同時(shí)，旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)，從上方很大范圍內(nèi)吸入氣體，向下高速噴出，總體上看，上方氣流強(qiáng)度要小于下方。但同時(shí)，將設(shè)備裝在無人機(jī)上方會(huì)提升整體的重心，使穩(wěn)定性下降。所以大氣探測(cè)設(shè)備安裝位置應(yīng)在旋翼所在平面附近，對(duì)于重量較輕、精度需要較高的，可放在無人機(jī)上方，重量較大、精度要求不高的可放在無人機(jī)下方。

3)結(jié)合探測(cè)儀器設(shè)計(jì)布局，調(diào)整擺放方向。為了保證儀器內(nèi)氣體與外界環(huán)境氣體的交換，許多探測(cè)設(shè)備在某些位置設(shè)計(jì)了通氣孔，在無人機(jī)上加裝儀器時(shí)，可根據(jù)無人機(jī)上氣體流動(dòng)方向和大小，調(diào)整儀器方向，保證儀器內(nèi)外流通，兼顧氣體流速大小。

3.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)利用無人機(jī)進(jìn)行大氣探測(cè)的特點(diǎn)和需要，可以搭載在無人機(jī)上進(jìn)行探測(cè)的必須是具有實(shí)時(shí)探測(cè)能力，同時(shí)擁有儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能，或根據(jù)需要選擇可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備。此外，設(shè)備響應(yīng)速度要快，能夠進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，采集方式必須采用自動(dòng)采集，不能通過人工捕集等手段?；谝陨弦?，這里選擇了一款多參數(shù)大氣環(huán)境檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將對(duì)溫度、濕度、NO 、PM2.5等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1)將多參數(shù)大氣環(huán)境測(cè)試儀安裝在無人機(jī)下方(首先選用的無人機(jī)為軸距為450 mm的四旋翼無人機(jī))。

2)打開測(cè)試儀，讓其開始檢測(cè)，此時(shí)未啟動(dòng)無人機(jī)，無人機(jī)周圍流場(chǎng)可認(rèn)為沒有變化，檢測(cè)結(jié)果為真實(shí)值。

3)啟動(dòng)無人機(jī)，讓無人機(jī)在同一高度、位置上保持懸停。

4)關(guān)閉無人機(jī)，再次記錄無人機(jī)未啟動(dòng)狀態(tài)下的各參數(shù)值。

5)根據(jù)優(yōu)化建議更換無人機(jī)平臺(tái)(使用大疆S1000八旋翼無人機(jī))，改變測(cè)試儀放置位置，重復(fù)以上2～4步。使用無人機(jī)參數(shù)及測(cè)試儀放置位置對(duì)比見表1。

表1 優(yōu)化前后差異對(duì)比

6)卸載數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。

圖13 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化前后對(duì)比

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)，卸載測(cè)試儀上數(shù)據(jù)，將兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，繪制折線圖，如圖14、15所示。

圖14 改進(jìn)前測(cè)量結(jié)果

圖15 改進(jìn)后測(cè)量結(jié)果

通過對(duì)比改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

1)在無人機(jī)啟動(dòng)之前，不存在旋翼產(chǎn)生的氣流影響，此時(shí)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，優(yōu)化前后測(cè)量結(jié)果基本保持一致，可見兩次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，環(huán)境并沒有發(fā)生很大的變化。

2)無人機(jī)啟動(dòng)后，可以看出在優(yōu)化前，測(cè)得溫度先略有上升，很快開始持續(xù)降低，降低到一定程度后趨于平緩，而當(dāng)旋翼停止旋轉(zhuǎn)后，測(cè)得溫度值逐漸回升；優(yōu)化后，溫度變化趨勢(shì)與優(yōu)化前基本一致，但變化的幅度明顯減小。

3)無人機(jī)啟動(dòng)后，在優(yōu)化前，測(cè)得濕度先有所下降，然后開始持續(xù)上升，上升到一定程度后趨于平緩；而當(dāng)旋翼停止旋轉(zhuǎn)后，測(cè)得濕度值逐漸下降；優(yōu)化后，濕度變化趨勢(shì)與優(yōu)化前基本一致，不過幅度明顯減小。

4)以NO為例的氣體濃度檢測(cè)值在無人機(jī)啟動(dòng)后，優(yōu)化之前，測(cè)得濃度值略有上升，當(dāng)旋翼停止旋轉(zhuǎn)后，測(cè)得濃度跟無人機(jī)啟動(dòng)前相比，濃度略有下降；而優(yōu)化后，NO濃度值變化不大。

5)以PM2.5為例的顆粒物含量檢測(cè)值在無人機(jī)啟動(dòng)后， 優(yōu)化前后的檢測(cè)值相差不大，但可以看出，優(yōu)化后在無人機(jī)啟動(dòng)之后，波動(dòng)的峰值會(huì)有所降低。

通過以上結(jié)果的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，通過改變無人機(jī)平臺(tái)，將測(cè)試儀放置在影響較小的位置，可以使測(cè)試儀對(duì)溫度與濕度的影響明顯減?。粶p小氣體濃度及顆粒物的檢測(cè)結(jié)果的波動(dòng)，準(zhǔn)確度明顯提升。

5 總結(jié)與展望

本文面向目前新興的利用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行氣象探測(cè)的方法，針對(duì)此方法中由于無人機(jī)流場(chǎng)對(duì)探測(cè)精度產(chǎn)生影響的問題，著重分析了多旋翼無人機(jī)在飛行時(shí)的流場(chǎng)特點(diǎn)；同時(shí)，結(jié)合大氣傳感器的設(shè)計(jì)原理，分析造成測(cè)量誤差的原因；針對(duì)這一問題，在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上，提出了可以減輕影響的方法，即，選用更多旋翼的無人機(jī)平臺(tái)，相同旋翼的無人機(jī)，選用旋翼之間距離較大的無人機(jī)，此外，儀器安裝位置要靠近在機(jī)身中心橢圓錐形的相對(duì)靜風(fēng)區(qū)；最后對(duì)多旋翼無人機(jī)加裝的探測(cè)儀器的設(shè)計(jì)提出了一些建議。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化的效果，可以明顯減小測(cè)量的誤差。

作為一種新型的大氣探測(cè)技術(shù)，利用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行大氣探測(cè)還有很多技術(shù)需要完善，比如文中提到的如何去減少氣流干擾的影響，在今后的研究中，可以在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化：

1)改變傳統(tǒng)的探測(cè)設(shè)備外形，采用流線型外形，在氣流速度較大的地方可以減輕氣流與儀器表面的碰撞，減少亂流，減輕激烈的碰撞帶來的無人機(jī)震動(dòng)，提高飛行安全性。

2)結(jié)合多旋翼無人機(jī)流場(chǎng)特點(diǎn)和儀器外形設(shè)計(jì)，將無人機(jī)產(chǎn)生的有較明顯流動(dòng)規(guī)律的區(qū)域氣流進(jìn)行整流，以獲得近似的定常流，進(jìn)行氣體的更新，加速探測(cè)設(shè)備中的氣體交換。

3)對(duì)多旋翼無人機(jī)正常飛行時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)此時(shí)探測(cè)儀器進(jìn)出入氣流速度進(jìn)行估算求解，在儀器分析探測(cè)結(jié)果時(shí)，將氣流流速的影響加入進(jìn)行定標(biāo)，或直接接受無人機(jī)轉(zhuǎn)速信息，對(duì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

4)優(yōu)化探測(cè)設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，將各傳感器和主要發(fā)熱部分進(jìn)行合理布局，提高其準(zhǔn)確度。

[1] 沈懷榮,邵瓊玲,王盛軍,等.無人機(jī)氣象探測(cè)技術(shù) [M]. 北京:清華大學(xué)社,2010.

[2] 王 磊,王彥杰,于喜斌,等. 基于氣象無人機(jī)飛行狀態(tài)的“野值”判定及剔除方法研究 [J]. 傳感器世界,2014,20(12):25-29.

[3] 王彥杰,周樹道,王 敏,等. 基于氣象無人機(jī)GPS/DR組合導(dǎo)航的單步長測(cè)風(fēng)方法研究 [J]. 傳感器世界,2010,16(7):14-16.

[4] 許成杰,楊旭東,朱 敏,等.臨近空間槳梢小翼螺旋槳布局氣動(dòng)增效研究 [J]. 航空計(jì)算技術(shù),2011,41(5):61-64.

[5] 舒崚峰,康亮杰,龍炳祥,等.基于Fluent軟件的螺旋槳翼型改進(jìn) [J]. 節(jié)能技術(shù),2011,29(1):28-31.

[6] 陳 曉. 新型橫列式直升機(jī)剛性旋翼氣動(dòng)性能分析[D]. 南京:南京航天航空大學(xué),2011.

[7] 朱紅鈞.FLUENT 15.0流場(chǎng)分析實(shí)戰(zhàn)指南 [M]. 北京:人民郵電出版社,2015.

[8] 雷 瑤.Hex-rotor無人機(jī)多旋翼流場(chǎng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D]. 北京:中國科學(xué)院大學(xué),2013.

[9] 郭曉鴻.微型四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京:南京航空航天大學(xué),2012.

[10] 袁紅剛，楊永東，楊 炯,等. 典型直升機(jī)旋翼翼型氣動(dòng)特性試驗(yàn)研究 [J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2013,27(1):20-24.

[11] 程鈺鋒,聶萬勝,胡永平,等. 基于滑移網(wǎng)格的臨近空間螺旋槳流場(chǎng)數(shù)值仿真 [J]. 直升機(jī)技術(shù),2012,2:7-14.

[12] 符長青,曹 兵.多旋翼無人機(jī)技術(shù)基礎(chǔ) [M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2016.

[13] 鄧 俊,劉清惓,龔定祺,等.用于氣象探測(cè)的低輻射誤差溫度傳感器設(shè)計(jì) [J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2015,16(15):72-76.

[14] Bian Z Y,Liang R S,Zhang Y J,et al.Multifunctional disk device for optical switch and temperature sensor[J].中國物理B.,2015,24(10):522-525.

[15] 陳 娟,馮錫枉,蒲春華,等.光纖氣體傳感器綜述 [J]. 吉林工學(xué)院學(xué)報(bào),1997,18(3):14-19.

[16] 李 楠,湯 東,陳 烈,等.柴油機(jī)車載診斷系統(tǒng)新型顆粒物傳感器的研究 [J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2013(6):1-3.