大氣環(huán)境探測(cè)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

1、    大氣環(huán)境探測(cè)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)    顏捷靖顧瑩張奕安雙龍【摘 要】無(wú)人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的今天，為了充分發(fā)揮旋翼機(jī)在空間上的靈活性，并設(shè)計(jì)和制作一款搭載溫濕壓傳感器、相機(jī)的旋翼機(jī)，以實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境溫度、濕度、氣壓以及能見度等氣象數(shù)據(jù)的測(cè)量。設(shè)計(jì)出了旋翼機(jī)搭載傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸元件的測(cè)量平臺(tái)，該平臺(tái)是基于旋翼機(jī)的能見度和常規(guī)氣象要素的測(cè)量、能見度反演以及相應(yīng)編程的整合，數(shù)據(jù)精確可靠，對(duì)氣象方面的科研工作有積極意義。該平臺(tái)很好地利用了無(wú)人機(jī)便攜性以及智能化的特點(diǎn)，該平臺(tái)能在不同環(huán)境下工作，對(duì)于各種天氣適應(yīng)性良好。此外，單片機(jī)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了探測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，

2、確保了數(shù)據(jù)的及時(shí)性和可靠性，而且地面站也能夠全程監(jiān)控和操作無(wú)人機(jī)，以完成各種不同的任務(wù)。【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)；能見度；氣象觀測(cè)1 研究背景隨著生活質(zhì)量的提高，城市大氣環(huán)境質(zhì)量越來(lái)越受到人們的重視。有研究指出，中國(guó)城市空氣中懸浮的顆粒物目前是全世界最高的，大大高于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人們的身心健康和智力發(fā)展?，F(xiàn)今引起大氣污染的重要因素非pm2.5莫屬。生活在霧霾天氣中，空氣中懸浮的大量塵粒和煙粒等有害物質(zhì)會(huì)對(duì)人體的呼吸道造成傷害。另一方面，無(wú)人機(jī)技術(shù)也逐漸發(fā)展和成熟，并用于城市大氣環(huán)境研究中。早在上世紀(jì)四十年代初，已經(jīng)有人用攝像方法來(lái)測(cè)量能見度，通過(guò)照相機(jī)拍攝黑色目標(biāo)物，然后從

3、圖片求得目標(biāo)物與背景的相對(duì)亮度比，并以此來(lái)測(cè)量能見度。但由于當(dāng)時(shí)從拍照、沖洗照片到測(cè)定目標(biāo)物與對(duì)比物的亮度對(duì)比，全是純手工操作，操作繁瑣，浪費(fèi)時(shí)間，并且數(shù)據(jù)還不是特別的準(zhǔn)確，難以實(shí)現(xiàn)真正的定量化，后來(lái)這種方法并沒有付諸行動(dòng)。在科技水平與計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，空氣污染監(jiān)測(cè)技術(shù)正在飛速提高。但是一臺(tái)紅外線測(cè)量?jī)x器成本太高，而且非常不便攜。ccd數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)目前已經(jīng)開始被用于航空航天、衛(wèi)星圖片、資源與環(huán)境遙感等方面，但是由于成本也很高，不經(jīng)濟(jì)。眾所周知，空氣質(zhì)量的好壞對(duì)航空、航海、路上交通甚至是軍事活動(dòng)等都有重要的影響。因此本團(tuán)隊(duì)便有了設(shè)想，擬在不減小測(cè)量精確度的前提下，降低成本，利用旋翼機(jī)（無(wú)

4、人機(jī)的一種）實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)，為進(jìn)一步的科學(xué)研究提供基礎(chǔ)。2 研究?jī)?nèi)容為了充分發(fā)揮旋翼機(jī)在空間上的靈活性，本研究項(xiàng)目擬在旋翼機(jī)上搭載照相機(jī)和各種測(cè)量大氣環(huán)境要素的傳感器，以實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)。為此，可將研究?jī)?nèi)容分為兩個(gè)部分：（1）旋翼機(jī)的改裝。改裝旋翼機(jī)的目的是為了搭載照相機(jī)和傳感器。然而旋翼機(jī)升空有其最大載重，一旦超過(guò)，無(wú)法升空。這樣就需要考慮這些設(shè)備本身的重量，以滿足要求。搭載的傳感器包括溫度、濕度、氣壓等傳感器。另外，由于傳感器僅是用來(lái)采集數(shù)據(jù)，本身不具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸功能，因此在旋翼機(jī)上，還需搭載具備存儲(chǔ)和傳輸功能的元件（單片機(jī)）。（2）基于旋翼機(jī)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)研究。本項(xiàng)

5、目主要對(duì)大氣環(huán)境中的能見度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)采集常規(guī)氣象要素，例如溫度、濕度、氣壓等，以便后續(xù)分析能見度的成因與氣象要素的關(guān)系。具體包括：能見度和常規(guī)氣象要素的測(cè)量：通過(guò)將旋翼機(jī)升空進(jìn)行多點(diǎn)拍照，測(cè)量同一地點(diǎn)不同垂直高度上的能見度和常規(guī)氣象要素?cái)?shù)據(jù)。能見度反演：能見度不是直接測(cè)量的，需要根據(jù)利用相機(jī)拍照原理及文獻(xiàn)提供的方法來(lái)反演能見度。有研究表明，其測(cè)出的能見度和精確儀器測(cè)出的能見度的誤差在15%以內(nèi)，精度可以接受。程序設(shè)計(jì)：編程的內(nèi)容包括單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸；能見度反演原理的程序化。數(shù)據(jù)驗(yàn)證：根據(jù)航飛大樓樓頂?shù)淖詣?dòng)氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，比對(duì)旋翼機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)，以確定測(cè)量精度是否可控。不可控的

6、話需要對(duì)儀器、反演方法、程序等進(jìn)行問(wèn)題查找，以確定問(wèn)題來(lái)源。3 技術(shù)流程圖4 研究設(shè)備眾所周知，影響大氣能見度的天氣現(xiàn)象主要有霧和霾。其中，影響霧形成的主要因素有相對(duì)濕度、氣溫和氣壓。為了獲得這些數(shù)據(jù)，在旋翼機(jī)上搭載傳感器。在濕度方面，采用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的dht11濕度傳感器，因?yàn)槠浼夹g(shù)成熟，成本較低，誤差較小，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于各種領(lǐng)域。dht11里含有一個(gè)溫度傳感器，為最終的輸出提供一組溫度數(shù)據(jù)。在氣壓方面，采用德國(guó)博世公司生產(chǎn)的bmp180。因?yàn)楣β实?，體積小，重量輕，穩(wěn)定性好且可長(zhǎng)期工作而選擇bmp180。bmp180也集成了一個(gè)溫度傳感器，與dht11一起為最終的

7、溫度輸出提供溫度數(shù)據(jù)。而霾的形成就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。霾的本質(zhì)就是固體小顆粒分散在空氣中形成的氣溶膠。而為了檢測(cè)固體小顆粒，在旋翼機(jī)上搭載日本夏普公司生產(chǎn)的gp2y1010au0f。gp2y1010au0f是通過(guò)檢測(cè)空氣中微小顆粒對(duì)紅外光的反射來(lái)計(jì)算空氣中微小顆粒濃度。其功率低，體積小，重量輕。最符合搭載在無(wú)人機(jī)上進(jìn)行工作。在數(shù)據(jù)整合方面，用了stc15w4k56s4單片機(jī)和3dr數(shù)傳進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合與實(shí)時(shí)回傳。各傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊傳到stc15w4k56s4單片機(jī)里。然后單片機(jī)把所得數(shù)據(jù)進(jìn)行加工轉(zhuǎn)化通過(guò)串口通訊傳給數(shù)傳，再由數(shù)傳將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲尽４送?，旋翼機(jī)還需搭載輕巧便捷的gopr

8、o運(yùn)動(dòng)相機(jī)。其重量輕，體積小，在各種環(huán)境下能穩(wěn)定工作，支持高清視屏錄制和實(shí)時(shí)回傳，能滿足本項(xiàng)目對(duì)相機(jī)的需求。為了是相機(jī)在更穩(wěn)定的條件下進(jìn)行拍攝，還需為旋翼機(jī)安裝一部三軸無(wú)刷云臺(tái)，通過(guò)云臺(tái)消除旋翼機(jī)的晃動(dòng)干擾?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1中科院大氣物理研究所.大氣所微型無(wú)人機(jī)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)飛行探測(cè)試驗(yàn)獲成功j.中國(guó)西部科技，2008，7（35）：35-36.2中科院安徽光機(jī)所.無(wú)人機(jī)大氣污染成份探測(cè)載荷試驗(yàn)成功j.安徽科技，2009（3）：32.3張磊，陳愛國(guó)，馮麗慧，等.小型無(wú)人機(jī)大氣數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（10-1）：182-183.4王洋，劉偉，王超.小型無(wú)人機(jī)大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)j.航空電子技術(shù)，2010，01：7-11.5牛記，王仁波.基于六旋翼無(wú)人機(jī)的pm2.5低空測(cè)量系統(tǒng)j.科學(xué)技術(shù)與工程，2014，36：72-76.6鄢青青，邵瓊玲，王盛軍.基于sht75的無(wú)人機(jī)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)研究a.中國(guó)電