顏捷靖　顧瑩　張奕　安雙龍

【摘 要】無人機(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)了探測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，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)控和操作無人機(jī)，以完成各種不同的任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；能見度；氣象觀測

1 研究背景

隨著生活質(zhì)量的提高，城市大氣環(huán)境質(zhì)量越來越受到人們的重視。有研究指出，中國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)對人體的呼吸道造成傷害。

另一方面，無人機(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)有人用攝像方法來測量能見度，通過照相機(jī)拍攝黑色目標(biāo)物，然后從圖片求得目標(biāo)物與背景的相對亮度比，并以此來測量能見度。但由于當(dāng)時(shí)從拍照、沖洗照片到測定目標(biāo)物與對比物的亮度對比，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)測技術(shù)正在飛速提高。但是一臺(tái)紅外線測量儀器成本太高，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，擬在不減小測量精確度的前提下，降低成本，利用旋翼機(jī)（無人機(jī)的一種）實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候大氣環(huán)境的監(jiān)測，為進(jìn)一步的科學(xué)研究提供基礎(chǔ)。

2 研究內(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。為此，可將研究內(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，無法升空。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)測研究。

本項(xiàng)目主要對大氣環(huán)境中的能見度進(jìn)行監(jiān)測，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)氣象要素的測量：通過將旋翼機(jī)升空進(jìn)行多點(diǎn)拍照，測量同一地點(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)提供的方法來反演能見度。有研究表明，其測出的能見度和精確儀器測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)氣象觀測站的數(shù)據(jù)，比對旋翼機(jī)測量數(shù)據(jù)，以確定測量精度是否可控。不可控的話需要對儀器、反演方法、程序等進(jìn)行問題查找，以確定問題來源。

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DHT11一起為最終的溫度輸出提供溫度數(shù)據(jù)。

而霾的形成就相對簡單一些。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是通過檢測空氣中微小顆粒對紅外光的反射來計(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。各傳感器測量的數(shù)據(jù)通過串口通訊傳到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?/p>

此外，旋翼機(jī)還需搭載輕巧便捷的gopro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)安裝一部三軸無刷云臺(tái)，通過云臺(tái)消除旋翼機(jī)的晃動(dòng)干擾。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]