王千秋，李俊杰，駱 毅

（廣東東軟學(xué)院 廣東 佛山 528225）

0 引言

隨著當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需求帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能需求，與此同時(shí)，人們對(duì)良好生態(tài)環(huán)境的需求也在不斷增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能的追求和環(huán)境保護(hù)的需求之間容易出現(xiàn)權(quán)衡的矛盾。而解決這個(gè)矛盾的關(guān)鍵就是落實(shí)環(huán)境保護(hù)措施，在確保生產(chǎn)的合理性和安全性的同時(shí)，最大化地滿足人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的需求[1]。此外，隨著能源多樣性的發(fā)展，需要關(guān)注的環(huán)境問題也在早期的大氣污染、水體污染之上增加了光污染、輻射污染等新污染問題。目前的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用固定的地面監(jiān)測(cè)站、地面移動(dòng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)站、或是人工手持測(cè)量。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式成本較高，而且監(jiān)測(cè)區(qū)域和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在一定程度上都會(huì)受到限制[2-4]。無人機(jī)作為一種高效便捷的輔助手段，替代了原有工具并服務(wù)于各行各業(yè)，且具有成本低、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等優(yōu)勢(shì)，不僅提高了任務(wù)執(zhí)行的安全性和可靠性，也廣泛應(yīng)用于泄漏、火災(zāi)等環(huán)境突發(fā)事件的安全監(jiān)測(cè)，如大氣環(huán)境污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)區(qū)的常規(guī)大氣質(zhì)量狀況巡查、城市低空大氣質(zhì)量狀況監(jiān)測(cè)。相較于傳統(tǒng)的人工環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，以無人機(jī)為載體的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以收集多方位和龐雜地區(qū)環(huán)境條件下的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳至終端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)高效全面的數(shù)據(jù)查詢。

本文提出一種模塊化無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可精確獲取大氣污染物的分布數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式，本無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低成本、即時(shí)性、高可塑性、高延展性、高靈活性、自動(dòng)化處理等優(yōu)勢(shì)，可滿足當(dāng)下對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，并且其高靈活性、高自動(dòng)化和低人工成本等優(yōu)勢(shì)也必然是未來環(huán)境監(jiān)測(cè)的主流趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 基本功能和基本組成

該模塊化無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下基本功能，一是可即時(shí)傳輸無人機(jī)正前方的圖像數(shù)據(jù)，并顯示到地面控制站的軟件頁面上；二是無人機(jī)可搭載所需要的探測(cè)設(shè)備，在飛行時(shí)執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)；三是無人機(jī)上的數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32單片的處理，會(huì)實(shí)時(shí)打包發(fā)送至地面控制站，并將數(shù)據(jù)與GPS位置結(jié)合，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維位置。四是該系統(tǒng)可在PC端的軟件上操控?zé)o人機(jī)，實(shí)現(xiàn)脫離無人機(jī)手柄操控?zé)o人機(jī)飛行。五是無人機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，所有設(shè)備如電機(jī)螺旋槳、攝像設(shè)備、無人機(jī)機(jī)體組件以及探測(cè)設(shè)備都是以獨(dú)立模塊的結(jié)構(gòu)匯集到無人機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)快速拆裝、替換。

該系統(tǒng)框架如圖1所示，主要由無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和無人機(jī)地面控制站組成，在無人機(jī)執(zhí)行飛行監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，地面控制站可實(shí)時(shí)接收無人機(jī)傳輸?shù)臏y(cè)量信息、定位信息和實(shí)時(shí)畫面，并在不同頁面上展示無人機(jī)傳輸過來的各項(xiàng)內(nèi)容。此外，地面控制站還可以即時(shí)控制無人機(jī)的飛行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其飛行動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整。該系統(tǒng)可結(jié)合多種探測(cè)器進(jìn)行使用，其中較為基本的監(jiān)測(cè)探測(cè)器有：用于氣體檢測(cè)的常規(guī)工業(yè)氣體檢測(cè)集成模組（內(nèi)含ZH03B型PM2.5激光粉塵傳感器、ME3-H2S二氧化硫傳感器、MC105型的催化燃燒式一氧化碳傳感器、催化燃燒式氣體的二氧化碳傳感器、可燃?xì)狻C119型催化燃燒式工業(yè)燃?xì)鈧鞲衅?、ZP07-MP503型的空氣質(zhì)量探測(cè)器），用于檢測(cè)核輻射數(shù)值的β、γ核素探測(cè)儀，用于檢測(cè)氣象數(shù)據(jù)的超聲波氣象探測(cè)儀等。

圖1 無人機(jī)模塊化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 工作流程概述

本系統(tǒng)所采用的無人機(jī)為六旋翼無人機(jī)，荷載為5kg，可在無人機(jī)上同時(shí)搭載多類探測(cè)器或水體采樣器，如β射線/γ射線輻射探測(cè)器，超聲波空氣數(shù)據(jù)探測(cè)器，氣體探測(cè)器，GPS定位器等等。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，探測(cè)器所采集的數(shù)據(jù)由STM32單片機(jī)處理后，將測(cè)量的數(shù)據(jù)與測(cè)量時(shí)無人機(jī)的GPS三維定位打包發(fā)至地面控制站，在地面站的軟件頁面上實(shí)時(shí)顯示。

圖2 無人機(jī)硬件系統(tǒng)概述圖

無人機(jī)作業(yè)流程如圖3所示，飛行前，作業(yè)員需要對(duì)飛行設(shè)備和飛行環(huán)境進(jìn)行檢查，根據(jù)項(xiàng)目場(chǎng)景需要選擇合適的探測(cè)器。確定所有設(shè)備正常后便可制定探測(cè)任務(wù)和飛行路線，隨后執(zhí)行飛行計(jì)劃。在無人機(jī)飛行過程中，可選擇開啟安全模式，當(dāng)監(jiān)測(cè)到無人機(jī)四周存在障礙或是某個(gè)測(cè)量數(shù)值過高時(shí)，禁止無人機(jī)朝障礙物方向或高濃度方向繼續(xù)前行，必要時(shí)可一鍵返航，最大程度避免無人機(jī)遭受損害或污染。同時(shí)，由于無人機(jī)在啟動(dòng)、起飛、空中姿態(tài)調(diào)整時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，因此該系統(tǒng)的無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)站采用了雙電源設(shè)計(jì)，將無人機(jī)的機(jī)組部件的供電系統(tǒng)與探測(cè)設(shè)備和STM32主控的供電電源分開，飛行控制系統(tǒng)與探測(cè)設(shè)備獨(dú)立運(yùn)作，保障了探測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。

圖3 無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)流程圖

2 應(yīng)用場(chǎng)景舉例

2.1 核輻射風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)探查

切爾諾貝利和福島核電站事故的發(fā)生，讓人們?cè)谙硎芎四軒淼母咝Мa(chǎn)能的同時(shí)，也對(duì)核的放射性污染懼怕三分[5]。由于人類在短期內(nèi)不能明確感知自己是否暴露在核輻射下，所以在有核輻射外溢、泄露的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，采用無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和收集是較為適合的環(huán)境監(jiān)測(cè)方案。它可以有效避免人員安全事故的發(fā)生，并可采集區(qū)域內(nèi)不同高度、不同位置的目標(biāo)數(shù)據(jù)。在人不踏入該風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的前提下，也能對(duì)該區(qū)域有全面的了解。

2.2 在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)定高數(shù)據(jù)采集

在無地面監(jiān)測(cè)站或是地面監(jiān)測(cè)站無法測(cè)量的區(qū)域，采用多旋翼無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集不同時(shí)段的固定經(jīng)緯度與固定高度下的大氣數(shù)據(jù)和目標(biāo)氣體濃度，可更好地配合地面監(jiān)測(cè)站收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，且由于無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的便攜性，可實(shí)現(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)多個(gè)定點(diǎn)定高的數(shù)據(jù)采集[6-7]。

2.3 工業(yè)區(qū)廢氣排放平掃監(jiān)測(cè)

在當(dāng)前環(huán)保政策越來越嚴(yán)格的情況下，仍會(huì)有工廠在半夜或者假日偷排廢氣，而人員走訪監(jiān)測(cè)的方案不僅效率較低，而且人工成本高，因此采用無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域平掃監(jiān)測(cè)才是更合適的方案[8]。在使用無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，可在出發(fā)前在地面站系統(tǒng)上事先設(shè)定飛行路線，設(shè)定好飛行路線后無人機(jī)將自動(dòng)完成飛行路線并返航，在飛行途中還可將實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)連同GPS定位回傳至地面控制站軟件頁面，并在檢測(cè)到超標(biāo)濃度后發(fā)出警報(bào)，可快速、精確地檢測(cè)到平掃區(qū)域的廢氣排放情況，更好地落實(shí)環(huán)保監(jiān)督政策。

3 無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

3.1 在潛在高風(fēng)險(xiǎn)、高危險(xiǎn)的環(huán)境條件中的監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)具有高機(jī)動(dòng)性和高操縱性等特點(diǎn)。在崎嶇險(xiǎn)峻的懸崖、山林，活躍的火山口，沼澤濕地，以及潛在或已知的高危環(huán)境，如核輻射、有毒氣體、有毒氣霧等監(jiān)測(cè)或調(diào)查人員難以抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的區(qū)域，可利用無人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，收集到目標(biāo)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)和目標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如氣體濃度、氣體組成、輻射等級(jí)等等，能在有效提高環(huán)境監(jiān)測(cè)效率的同時(shí)，盡可能避免未知的惡劣、高危環(huán)境對(duì)人員生命安全造成傷害。

3.2 在大范圍區(qū)域數(shù)據(jù)收集方面的優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)高速飛行的特點(diǎn)讓其可以在短時(shí)間內(nèi)收集更大范圍的目標(biāo)數(shù)據(jù)，并且受益于無人機(jī)的即時(shí)傳輸，可在大范圍收集數(shù)據(jù)的同時(shí)，觀察目標(biāo)區(qū)域的變化情況，為接下來的測(cè)量方案做出調(diào)整[9]。除此之外，還可以在不同高度進(jìn)行平掃測(cè)量，收集同一區(qū)域不同高度的氣體信息，對(duì)該區(qū)域的氣體成分有更為全面的了解和統(tǒng)計(jì)。目前，在農(nóng)業(yè)植保方面已經(jīng)有采用無人機(jī)播種和噴灑農(nóng)藥、化肥的先例，但在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍然較少。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

本系統(tǒng)的無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)站采用模塊化設(shè)計(jì)，其中的探測(cè)模塊、無人機(jī)GPS模塊、無人機(jī)的單個(gè)電機(jī)旋翼等均為模塊化設(shè)計(jì)。需要測(cè)量不同的數(shù)據(jù)時(shí)，可以做到就地快速替換探測(cè)器，因此能在同一時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)多種不同的數(shù)據(jù)，包括氣體數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水體表面氣霧數(shù)據(jù)等。并且，當(dāng)無人機(jī)部件意外受損、發(fā)生故障時(shí)，也可以做到快速更換維護(hù)，不影響后續(xù)的監(jiān)測(cè)計(jì)劃。

3.4 采集數(shù)據(jù)多樣化的優(yōu)勢(shì)

搭載在無人機(jī)上的探測(cè)設(shè)備包括氣體探測(cè)、水體容器、水霧探測(cè)、核素探測(cè)、光輻射探測(cè)等，可根據(jù)實(shí)際情況選擇多種不同的組合。每次飛行可以同時(shí)收集1～3種目標(biāo)數(shù)據(jù)，在一定程度上減少了環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作時(shí)間，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率。在水體檢測(cè)時(shí)，能有效減少水體樣本在運(yùn)輸過程中的時(shí)間損耗，一定程度上保證了水體樣本與水體的一致性。

4 無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)存在的問題和改進(jìn)方向

無人機(jī)雖然在環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有很大的優(yōu)勢(shì)，但由于在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用過少，許多應(yīng)用還處于測(cè)試階段，所以在荷載、續(xù)航和測(cè)量方法等方面還存在以下問題：

4.1 無人機(jī)飛行條件限制

無人機(jī)的抗風(fēng)性多數(shù)為6級(jí)風(fēng)速，當(dāng)?shù)乇盹L(fēng)速超過6級(jí)風(fēng)速時(shí)，無人機(jī)飛行將會(huì)有安全隱患。本文提出的無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的無人機(jī)具有6～8級(jí)抗風(fēng)能力，但在風(fēng)速超過8級(jí)時(shí)，就不應(yīng)再執(zhí)行測(cè)量任務(wù)[10]。而像山谷、高空，或是有強(qiáng)烈對(duì)流的區(qū)域，由于其環(huán)境因素導(dǎo)致的小范圍高風(fēng)速，也可能會(huì)影響無人機(jī)的執(zhí)勤安全和穩(wěn)定性。因此，提高無人機(jī)的抗風(fēng)性，才能有效提高無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

4.2 仍然較依賴人工操控

在確認(rèn)安全的區(qū)域執(zhí)行飛行監(jiān)測(cè)任務(wù)，雖然可以事先設(shè)定好飛行航線，由無人機(jī)自主完成飛行監(jiān)測(cè)任務(wù)，但在大多數(shù)任務(wù)當(dāng)中，還是需要人工手動(dòng)操控調(diào)整無人機(jī)的飛行路線。一方面，優(yōu)化無人機(jī)的傳感器設(shè)備，如自主避障，或是增加視覺跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)飛行跟蹤，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)特定目標(biāo)的輻射情況或是廢氣排放情況，如核動(dòng)力船只的安全跟蹤、大型貨輪的尾氣排放等[11]。另一方面，可參考無人機(jī)表演的無人機(jī)群，建立應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的無人機(jī)集群系統(tǒng)，批量、自動(dòng)化操控?zé)o人機(jī)，命令其智能完成簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)任務(wù)。完善這兩個(gè)方面，可使無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域能更高效地完成環(huán)境測(cè)量任務(wù)。

4.3 無人機(jī)的荷載能力以及探測(cè)器的重量和大小

當(dāng)今多旋翼無人機(jī)的荷載大都不會(huì)超過5 kg，再加上探測(cè)器設(shè)備大多數(shù)都具有體積大、重量大的共性，因此難以實(shí)現(xiàn)單個(gè)無人機(jī)搭載多個(gè)探測(cè)器的效果，無法完成單次飛行收集多項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)任務(wù)[12]。增加無人機(jī)的載重能力或減小探測(cè)設(shè)備的尺寸和重量，都能使得無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有更高的可塑性，從而增加無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

5 結(jié)語

目前無人機(jī)在航拍和表演領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但在行業(yè)用機(jī)上還有很大的發(fā)展空間，尤其是無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用還存在較大空缺。本文所研究的基于無人機(jī)的模塊化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠提供更豐富、更高效、可行性更高的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)施方案。利用無人機(jī)的可操縱性、無線傳輸技術(shù)和模塊化的探測(cè)器組合，可有效拓展環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的測(cè)量、監(jiān)測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的多樣性、多維度的分析。該模塊化無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和環(huán)境監(jiān)測(cè)的方式方法具有重大參考價(jià)值。