胡偉，李成攻

(1.濟南市生態(tài)環(huán)境局歷城分局，山東 濟南 250012;2 齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東 濟南 250014)

環(huán)境保護已經(jīng)成為現(xiàn)階段社會普遍關注的問題。環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護的基礎，準確監(jiān)測污染物的排放情況是治理廢氣排放的第一步[1-3]。污染源排放氣體的監(jiān)測主要是鑒別有毒、有害氣體成分，監(jiān)測相關氣體濃度以及監(jiān)控氣體排放量。污染治理的實施中需要準確、高效的氣體污染物監(jiān)測技術，煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(CEMS)獲得了快速發(fā)展，是監(jiān)督管理的重要手段，也為環(huán)境質(zhì)量評定提供了重要參考。

當前固定污染源普遍安裝有CEMS系統(tǒng)，對排放污染物進行連續(xù)監(jiān)測，取得了較好的效果。但現(xiàn)場的CEMS數(shù)據(jù)易篡改，同時執(zhí)法人員現(xiàn)場取證耗時長，往往到達取證現(xiàn)場數(shù)據(jù)已經(jīng)恢復正常，無法固定證據(jù)。

本文基于四旋翼飛行平臺，構(gòu)建煙氣監(jiān)測系統(tǒng)，完成固定污染源的定點、快速取樣，實現(xiàn)空中指定位置的導航、懸停、取樣、回傳，快速完成現(xiàn)場取證工作，為監(jiān)管提供更加真實、可靠的依據(jù)。

1 系統(tǒng)設計

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括旋翼無人機自主飛行系統(tǒng)、機載二氧化硫氣體采樣系統(tǒng)、機載氮氧化物氣體采樣系統(tǒng)、機載塵埃采樣系統(tǒng)、地面通訊控制基站系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)遠程通信系統(tǒng)等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)由空中的旋翼移動平臺以及地面的工作站組成，旋翼移動平臺上搭載有導航模塊(含高度計)、煙氣檢測模塊(含抽氣泵、溫濕度傳感器，可檢測一個及一個以上的煙氣典型參數(shù)，如CO、SO2、NO等)、飛行控制模塊、隔熱隔濕耐腐蝕密封艙以及進行數(shù)據(jù)通信的無線傳輸模塊。除隔熱隔濕耐腐蝕密封艙外，以上模塊通過電路彼此相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互、飛行的控制以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和傳輸。待檢測的氣體通過氣泵從艙外吸收到艙內(nèi)。

1.1 旋翼移動平臺

旋翼移動平臺由飛行系統(tǒng)、環(huán)境信息采集系統(tǒng)、視頻信息采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，負責進行指定位置和高度的煙氣信息采集。該平臺具有自主飛行能力和煙氣數(shù)據(jù)在線分析能力，外觀如圖2所示。

圖2 旋翼無人機

通過飛行控制，平臺控制無人機飛行到設定的高度和位置后，保持飛行的高度不變，啟動抽氣泵，煙氣檢測模塊開始工作，進行煙氣信息的采集。通過無線傳輸模塊，采集的數(shù)據(jù)發(fā)射到地面工作站。通過導航模塊內(nèi)部的高度計，旋翼平臺保持恒定高度，飛行的水平位置的調(diào)整由GPS數(shù)據(jù)確定，無人機始終在設定的水平位置范圍內(nèi)朝高溫及煙氣濃度最高的位置飛行。返回時，關閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作。

階梯式空間格局的產(chǎn)生是受到經(jīng)濟發(fā)展以及自然地理條件等多種因素共同作用的結(jié)果。東部以及東南沿海地區(qū)是經(jīng)濟發(fā)展的前沿地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達、人口眾多，機場客流受到政治、經(jīng)濟、人口因素的影響要明顯高于旅游因素。區(qū)域交通基礎設施種類豐富、密度大，區(qū)域可進入性條件好，機場對區(qū)域可進入性的影響并不十分突出，因此呈現(xiàn)出較低的耦合水平。而西北、東北、西南等沿邊地區(qū)是典型的旅游資源豐富的地區(qū)，卻因地理、經(jīng)濟和人口等因素導致交通基礎設施相對欠發(fā)達，機場建設使得這些區(qū)域的可進入性得到根本改善，機場服務的主要對象中旅游者所占比例較大，機場與旅游業(yè)之間的互動較為明顯，呈現(xiàn)出相對較高的耦合水平。

1.2 地面基站

地面基站負責向移動平臺發(fā)送任務指令，實時監(jiān)測移動平臺的運行情況，實時接收煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻采集數(shù)據(jù)。另外，地面基站還存儲移動平臺的路徑規(guī)劃和監(jiān)測點的位置坐標，對傳感器采集信息進行后臺分析處理，得出最終的監(jiān)測報告。

1.3 差分基準站系統(tǒng)

導航模塊由高度計和GPS模塊組成。高度計和GPS模塊均與飛行控制模塊連接，高度計采用測量氣壓方式，將其換算成旋翼平臺所處的高度值，滿足旋翼平臺保持恒定高度飛行的需要。旋翼平臺通過GPS模塊實時獲取經(jīng)緯度、高度、航跡方向、地速(指無人機相對于地面物體的速度)等信息。

GPS 測量是通過地面接收設備接收衛(wèi)星傳送來的信息，計算同一時刻地面接收設備到多顆衛(wèi)星之間的偽距離，采用空間距離后方交會方法，來確定地面點的三維坐標。

1.4 飛行控制模塊

飛行控制模塊，采用兩級PID控制方式。第一級是導航級，第二級是控制級。導航級PID控制解決飛機如何以預定空速飛行在預定高度以及如何轉(zhuǎn)彎飛往目標等問題。通過算法給出飛機的俯仰角、油門和橫滾角?？刂萍塒ID依據(jù)需要的俯仰角、油門、橫滾角，結(jié)合飛機當前的姿態(tài)解算出合適的舵機控制量，使飛機保持預定的俯仰角、橫滾角和偏航角。

1.5 煙氣檢測模塊

煙氣檢測模塊包括依次串聯(lián)連接的采樣軟管、溫濕度傳感器、汽水分離器、過濾器、單向閥、抽氣泵和傳感器腔。傳感器腔上設有若干傳感器，傳感器腔與清洗泵連接。

煙氣檢測模塊，能夠在煙道溫度0～650 ℃正常工作。氣泵采用德國THOMAS微型真空泵，能夠在高溫、高濕及強腐蝕氣體環(huán)境中工作，泵流量能達到0.6 L/min的恒定控制。NO氣體濃度測量范圍達到0～1200 mg/m3，SO2氣體濃度測量范圍達到0～13 000 mg/m3，煙塵濃度測量范圍0～4000 mg/m3。

2 飛行控制實現(xiàn)方法

2.1 姿態(tài)解算

距離排煙口越遠煙氣擴散越嚴重，因此，在監(jiān)測過程中，飛行器需要盡可能地靠近排煙口中心。大型排煙口工作環(huán)境惡劣，粉塵、高溫、蒸汽、GPS偏移等嚴重影響無人機飛行安全，更需要良好的控制算法完成姿態(tài)控制，實時、準確地獲得飛行器的姿態(tài)信息，提高飛行器的控制精度和穩(wěn)定性。本文采用雙環(huán)補償濾波算法，外環(huán)引用重力場和地磁場進行補償，內(nèi)環(huán)引用重力場進行補償，并將修正后的陀螺儀和磁羅盤進行互補濾波，流程如圖3所示。

圖3 姿態(tài)解算流程

2.2 飛行控制方法

飛行控制方法，依據(jù)需要的俯仰角、油門、滾轉(zhuǎn)角，結(jié)合多旋翼當前的姿態(tài)和飛行控制方法解算出合適的舵機控制量，使飛機保持預定的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角。

多旋翼的飛行控制方法如式1所示：

(1)

其中，ψ是偏航角，θ是俯仰角，φ是滾轉(zhuǎn)角，x、y、z分別表示多旋翼飛行過程中的三維坐標。

姿態(tài)解算的核心在于旋轉(zhuǎn)的控制，一般旋轉(zhuǎn)有4種表示方式：矩陣表示、歐拉角表示、軸角表示和四元數(shù)表示。本文的飛行控制算法采用四元數(shù)保存組合姿態(tài)、輔以矩陣來變換向量的方法。

用一個圈表示q是一個四元數(shù)：

(2)

四元數(shù)的長度(模)表示為：

(3)

對四元數(shù)單位化，表示一個旋轉(zhuǎn)：

(4)

四元數(shù)相乘，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)組合：

(5)

本文引入運算q(ω,θ)，把繞單位向量ω轉(zhuǎn)θ角的旋轉(zhuǎn)表示為四元數(shù)：

(6)

為了更方便運算，本文引入q(f,t)，把向量f的方向轉(zhuǎn)到向量t的方向，生成表示對應旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)：

(7)

為了把“四元數(shù)表示”轉(zhuǎn)“矩陣表示”，本文引入運算R(q)表示四元數(shù)q對應的矩陣：

(8)

多個旋轉(zhuǎn)的組合用四元數(shù)的乘法來實現(xiàn)：

(9)

4 實驗驗證

4.1 煙氣檢測模塊測試

為了真實地檢驗便攜式煙氣分析儀的性能,采用配氣儀配置出不同濃度的包含所有被測氣體的混合氣體,然后通入儀表中,待液晶屏上的濃度示值穩(wěn)定后與配氣儀數(shù)值進行對比。對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 煙氣模塊測試

從表1可以看出，被測的4種氣體濃度值絕對誤差小于0.5%，達到預期精度要求。

4.2 實驗分析

本文以某電廠某發(fā)電機組煙氣排放監(jiān)測為例，進一步說明系統(tǒng)的監(jiān)測過程和監(jiān)測效果。系統(tǒng)監(jiān)測過程如下：

(1)將移動平臺放置在平整空曠的地面上，保證移動平臺周圍5 m內(nèi)沒有遮擋物，且移動平臺正上方無障礙物。安裝好移動平臺的數(shù)傳天線和圖傳天線，打開移動平臺電源開關，觀察移動平臺電源電壓顯示屏，確認每組電源電壓大于4.1 V。

圖4 主界面

(2)打開地面通訊控制基站，安裝好圖傳天線、數(shù)傳天線和風速儀，并且將風速儀固定好，依次啟動總電源、PC電源、數(shù)傳電源和圖傳電源。

(3)基站軟件顯示屏顯示基站控制軟件進入自動啟動狀態(tài)，程序啟動完畢后進入主界面，主界面如圖4所示。

(4)與移動平臺連接成功后，即可進行任務執(zhí)行，首先在地圖上雙擊任務點，進入飛行條件檢查階段，第一步確認是否執(zhí)行任務。

(5)待GPS衛(wèi)星信號質(zhì)量和電池續(xù)航能力、風速逐一確認后，將飛行任務路徑規(guī)劃寫入移動平臺，選擇任務點后，輕推地面基站上的油門，移動平臺進行自主起飛。

(6)當移動平臺到達指定煙氣采集任務點后，實時傳回煙氣數(shù)據(jù)，移動平臺的實時姿態(tài)和飛行軌跡等信息也在系統(tǒng)中顯示。執(zhí)行完任務，自動生成監(jiān)測任務報告。

某電廠某次監(jiān)測的實時回傳數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，實時回傳數(shù)據(jù)滿足精度要求，更符合當時的運行情況，具有更好的參考價值。

表2 實時回傳數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設計了基于多旋翼無人機的煙氣監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對固定污染源煙氣的多點、實時監(jiān)測。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)采樣精度高，滿足實時監(jiān)測的需求。與現(xiàn)有固定位置煙氣排放采集裝置相比，基于旋翼無人機的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的采集位置和時間更靈活，同時借助旋翼飛機的快速移動性，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離定點煙氣排放信息采集，從而為環(huán)保部門提供有害氣體排放等監(jiān)測、監(jiān)管的有力數(shù)據(jù)支撐。