王沛元 田紅英 付俊豪 李子豪

大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多應(yīng)用于有污染性、危險(xiǎn)性且監(jiān)測(cè)難度大的高空，為攻克該難題，本研究使用無(wú)人機(jī)對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的判斷和分析至關(guān)重要，因此采用傳輸速率快、低延時(shí)的5G環(huán)境進(jìn)行。該系統(tǒng)可同時(shí)采集七種氣體成分及含量參數(shù)。

無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于大氣監(jiān)測(cè)中，不僅可以降低人為監(jiān)測(cè)的危險(xiǎn)性，還可以提升測(cè)量的準(zhǔn)確度，節(jié)約人力成本。另外，原來(lái)工作人員監(jiān)測(cè)大氣污染情況后，數(shù)據(jù)后期手動(dòng)錄入，很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)?yè)p失，因此提出多旋翼無(wú)人機(jī)參與大氣監(jiān)測(cè)的方式，但是由于技術(shù)等問(wèn)題并沒(méi)有得到進(jìn)一步推廣。

5G技術(shù)的突破使得無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境成為了發(fā)展趨勢(shì)，5G逐漸發(fā)展成為無(wú)人機(jī)領(lǐng)域主導(dǎo)技術(shù)，基本上可實(shí)現(xiàn)對(duì)航線和目標(biāo)航點(diǎn)的規(guī)范功能。5G技術(shù)與前面各個(gè)時(shí)代的差距較大，容易實(shí)現(xiàn)通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的融合。

一、系統(tǒng)組成

5G網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要是基于STM32411的PIXHAWK飛控控制實(shí)現(xiàn)的。采用GPS/BD的RTK差分算法，實(shí)現(xiàn)定位精度達(dá)到厘米級(jí)，確保目標(biāo)航點(diǎn)的準(zhǔn)確性。移動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間以及圖傳模塊、大氣監(jiān)測(cè)模塊和地面站之間均采用5G網(wǎng)傳。無(wú)人機(jī)硬件系統(tǒng)如圖1所示。飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性，模塊化設(shè)計(jì)，使得維修方便，簡(jiǎn)化零件更換。

系統(tǒng)的控制站主要分為空中飛行部分和地面控制部分，空中飛行平臺(tái)包含無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)，導(dǎo)航和定位系統(tǒng)及大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊；地面控制站包含實(shí)時(shí)的飛行數(shù)據(jù)顯示，飛控指令的傳輸及氣體接收和分析系統(tǒng)。如圖2所示。

（二）目標(biāo)航點(diǎn)設(shè)定

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象一般是煙囪、工廠等有污染潛在的區(qū)域，為了避免對(duì)工作人員的人身傷害，采用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)。無(wú)人機(jī)一般分為多旋翼和固定翼，本研究采用多旋翼無(wú)人機(jī)可以彌補(bǔ)固定翼無(wú)人機(jī)無(wú)法懸停、操作難度高和價(jià)格昂貴的特點(diǎn)。而且多旋翼無(wú)人機(jī)重量輕、便攜、操作簡(jiǎn)單。

本研究地面站采用Mission Planner 操作界面，首先，通過(guò)遙控試飛確定目標(biāo)航點(diǎn)的坐標(biāo)值。然后通過(guò)軟件進(jìn)行航點(diǎn)以及航點(diǎn)高度設(shè)置，軟件中目標(biāo)航點(diǎn)設(shè)定方法如圖3所示。目標(biāo)航點(diǎn)設(shè)定結(jié)果如圖4所示。無(wú)人機(jī)利用實(shí)時(shí)差分定位方法實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度定位。確保采集結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤。

三、氣體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

氣體監(jiān)測(cè)裝置重量在500克作用，本研究采用六旋翼無(wú)人機(jī)載荷達(dá)到2kg，如圖5所示。采用5G網(wǎng)聯(lián)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。這一部分技術(shù)難點(diǎn)在于供電，無(wú)人機(jī)可自體供電，但是供電電壓是5V，而氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電電壓為12v，因此，氣體檢測(cè)系統(tǒng)和定位移動(dòng)站采用單獨(dú)供電方式進(jìn)行。

本研究大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了其中參數(shù)測(cè)試模塊，分別是二氧化碳、二氧化硫、溫度、濕度、PM10、TVOC、PM2.5.通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)傳輸結(jié)果?？梢愿鶕?jù)參數(shù)信息與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范做對(duì)比，鑒定該航點(diǎn)氣體排放是否違規(guī)超標(biāo)。

四、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

基于5G網(wǎng)戀的多旋翼無(wú)人機(jī)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：5G網(wǎng)絡(luò)的速度比4G快，且基地的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延時(shí)，工作人員可以無(wú)線遠(yuǎn)程操作設(shè)備；降低大氣檢測(cè)難度；無(wú)人機(jī)應(yīng)用于大氣監(jiān)測(cè)，減少人員安全事故的發(fā)生，還可以實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)信息；提高監(jiān)測(cè)效率；無(wú)人機(jī)和5G網(wǎng)聯(lián)的引入地形、高度都不會(huì)對(duì)大氣監(jiān)測(cè)造成影響，無(wú)人機(jī)只需要按照設(shè)置的目標(biāo)航點(diǎn)及feixi該路線進(jìn)行執(zhí)行即可；降低了投入成本，多個(gè)位置的氣體監(jiān)測(cè)也只需要一個(gè)技術(shù)人員和幾架或者一架無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)即可，無(wú)需大量工作人員投入大量時(shí)間，便可以高效率、高質(zhì)量的完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

五、總結(jié)

本文采用5G網(wǎng)聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航及其中大氣參數(shù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸，具有很強(qiáng)的科學(xué)價(jià)值。直觀的描述了大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和通訊關(guān)系，展示了無(wú)人機(jī)目標(biāo)航點(diǎn)的設(shè)置方式，及七種大氣參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果。拓寬了無(wú)人機(jī)發(fā)展研究方向。

作者單位：山西工程職業(yè)學(xué)院，機(jī)械電子工程系

基金項(xiàng)目：山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于北斗的小型無(wú)人機(jī)網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研究”（基金編號(hào)：201703D121002）；

山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“智能抓取在機(jī)器人柔性生產(chǎn)線中的研究與應(yīng)用”（ 基金編號(hào)：201803D121073）；

山西工程職業(yè)學(xué)院教研科研課題（基金編號(hào)：jky-201810，jky-201913）