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无人机大气污染测量系统的研制与验证

Tommaso Francesco Villa 1, Farhad Salimi 2, Kye Morton 3, Lidia Morawska 1,* 和 Felipe Gonzalez 3

1昆士兰理工大学空气质量与健康国际实验室(ILAQH)，澳大利亚布里斯班QLD 4000;tf.villa@hdr.qut.edu.au

2塔斯马尼亚大学曼兹医学研究所，霍巴特，塔斯马尼亚7000;farhad.salimi@utas.edu.au

3澳大利亚航空航天自动化研究中心(ARCAA)，昆士兰大学，澳大利亚布里斯班QLD 4000乔治街2号科技(QUT);kye.morton@hdr.qut.edu.au(K.M.);felipe.gonzalez@qut.edu.au (F.G.)

*通讯:l.morawska@qut.edu.au;电话: 61-7-3138-2616学术编辑: Hans Toslash;mmervik

收稿日期:2016年11月23日；受稿日期:2016年12月19日；出版时间:2016年12月21日

摘要：污染源附近的空气质量数据采集困难，特别是当污染源所在地复杂、有物理障碍或自身移动时。小型无人机为大气污染和大气研究提供了新的途径。但是，需要做出一些关键的设计决策，以实现代表性的数据收集，特别是空气采样器或空气传感器入口的位置。本研究的目的是为六旋翼无人机上的四个气体传感器和一个粒子数浓度（PNC）监测器建立最佳的安装点，从而开发一个能够测量点源排放的无人机系统。这项研究包括两个不同的测试：（1）通过沿三个轴测量空气速度来确定传感器的安装位置，从而评估六旋翼无人机的气流行为及其下洗和上洗效果；（2）评估二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮和二氧化氮气体传感器的使用，以及PNC监视器（DiscMini）的效率，通过测量柴油发动机的排放，检验无人机系统的性能。测试1生成的空气速度行为图显示了传感器与无人机并排的最佳安装点。这个位置受螺旋桨下洗影响较小。试验2结果表明，无人机螺旋桨引起的弥散效应表现为气体浓度和PN浓度的实时下降。使用线性回归模型来估计传感器相对于无人机中心的位置如何影响螺旋桨打开时污染物浓度的测量。本研究建立了无人机系统测量点源排放的指导方针。在任何无人机系统被开发来进行现场数据采集之前都应该进行这种研究。

关键词:无人机遥感;下洗气流影响;空气质量;多旋翼飞行器;光学传感器;空气

污染;粒子浓度监测器.

1 简介

搭载传感器的无人机可以直接用于测量船舶排放、工业烟囱排放或地面车辆的排放，相比之下使用有人驾驶飞机[1]和地面基站[2]会困难且危险。然而，若要精确地测量卡车、汽油机车、船舶和挖泥船、工业甚至家用烟囱等燃烧源排放的小羽流，就需要在无人机合适的地方安装空气传感的进气口。因此，使用无人机测量空气污染，特别是在低速或静止飞行时，只有对空气传感器进气口的布置点进行优化，使气体和颗粒物污染物的采样是在无人机的螺旋桨混合或驱散羽流之前完成，采样才会有效。无人机螺旋桨在运动时使空气发生偏转产生升力，这就是所谓的上洗和下洗效应。将气体输送到气体传感器的过程是关键的，而准确的采样依赖于评估转子扰动对这一过程的贡献。

只有两项研究[3,4]评估了多旋翼无人机传感器安装点对空气污染测量的影响。第一项研究设计了三个不同的实验来找出四旋翼飞行器上二氧化碳气体传感器入口的最佳安装位置以及如何将空气引到传感器[3]。这三个实验包括:一个使用额外风扇的主动系统，一个使用由转子产生的气流半主动系统，和一个没有使用任何辅助装置引导气流的无源系统。结果表明，三种不同的输气方案之间存在显著差异。该系统能够测量参考气体浓度(CO2体积比为0.5%)。总的来说，作者[3]得出的结论是进气口的位置对气体测量和抗风性能有很大的影响。

第二项研究[4]采用了计算流体动力学(CFD)仿真对小型四旋翼飞行器的气流特性进行了研究，研究发现最大风速出现在在旋翼周边，最小风速位置在无人机中心。研究人员将无人机连接到万向节上，再通过测量平台上下的空气速度来证明这一点。无人机中心上方为最佳安装点。然而，该论文未能提供关于万向节高度、地面效应或无人机边沿的安装位点的信息。研究采用的四轴飞行器(Parrot AR无人机2.0)是业余爱好者的使用级别，它的有效载荷有限(lt;100克)且空载下的续航时间小于12分钟。

优化传感器的安装位置可以使对点源污染物采样时的数据更具有代表性。本研究的目的是:(1)通过测量六轴飞行器三个轴上的空气速度，确定气体和PNC传感器的最佳安装位置;(2)通过测量柴油发动机排放的pnc来验证基于无人机的CO2、CO、NO2、NO气体检测系统的有效性。

2 无人飞机器羽流评估系统

2.1 概述

与四旋翼相比，六旋翼无人机具有更大的有效载荷能力(gt;2公斤有效载荷)，更强的飞行稳定性和可操作性，使其更适合无人机和空气质量研究，在这些研究中，飞行器需要具备携带不同传感器和飞行中保持固定位置的能力。然而，目前还没有这类平台上的传感器安装位置的全面研究。

该系统由多旋翼无人机、四个用于CO、CO2、NO和NO2测量的气体传感器、一个DISCmini(便携式PNC监视器、Testo AG、Lenzkirsch、德国)、温湿度传感器以及实时可视化界面组成。所有传感器都集成在Arduino MEGA 2560微控制器板上。

2.2 系统架构

图1展示了系统概述、气体传感有效载荷和PNC监测器，图S1补充资料中展示了无人机系统架构。

图1所示系统包括:(a)无人机系统组件，包括DJI S800，DISCmini和气体传感器，Arduino开发板，遥测组件，RC接收器；(b)地面控制组件，包括用于操作员的RC发射机和GSO(地面站 遥测链路)。

图S1(补充资料)为无人机系统的硬件和软件，包括地面控制站，突出显示了不同无人机部件之间的连接类型。

无人机驾驶员或无人机地面站操作员(GSO)可以分别使用无线电控制器(RC)发射机或计算机与无人机进行无线通信。紫色箭头显示了飞行员和GSO输入。

图1.(a)无人机系统组件，包括气体传感器、DISCmini、Arduino MEGA 2560、电池、RC接收机;(b)无人机地面控制组件，用于手动(使用RC发射机)和自主(使用PC)操作。

2.3 无人机

本研究使用的无人机是一架改进型的六旋翼S800 EVO，由DJI(中国深圳)[6]制造。该机架宽800毫米，高320毫米，由复合材料制成。内置阻尼系统，使多个电机的组装不使用额外的框架和阻尼器。无人机重3.7公斤，最大起飞重量8公斤。S800的设计是在澳大利亚民用航空安全(CASA)规定的20公斤全重(AUW)无人机(无人机系统)的框架之下，以降低操作成本，并避免受制于CASA关于更大的无人机[7]的更严格的规定。不同的国家可能有不同的航空法规，在设计无人机系统时应该考虑这些法规。例如，在美国，联邦航空管理局(FAA)认为小型无人机的重量应小于55磅(25公斤)[8]。

无人机使用一个16000毫安的LiPo 6电池，在空载条件下提供大约20分钟的悬停时间。本研究条件下搭载有效载荷所需的飞行时间计算为大约12-13分钟。电机与38厘米times;13厘米桨叶配合运行。

2.4 传感器的选择

按照工作原理进行分类，气体传感器最常见的有热传导型、质量感应型、电化学型、电位型、安培型、电导型和光学型[9,10]。颗粒物传感器依据监控的颗粒直径分为PM10(粒子质量浓度与空气动力学直径lt; 10micro;m)，PM2.5(lt; 2.5micro;m)以及超细颗粒(lt; 0.1micro;m)传感器。许多“内置”设备(内置传感器作为设备本身的一个组成部分)已经用于PM10和PM2.5的监测。然而，PNC和粒颗粒物分布监测设备的选型有限，现有的设备包括:来自飞利浦[11]的纳米示踪剂监测仪和瑞士Windisch应用科学大学开发的微型扩散粒度分级器(Mini Diffusion size Classifier, DISCmini)[12,13]。这两种装置的工作原理相似，本研究选用的是后者。

DISCmini是一种便携式仪器，尺寸相对较小(180 mmtimes;90 mmtimes;40 mm)，重量较轻(640 gr，附带供应商提供的探头重780 gr)，电池续航时间长(8小时)，测量浓度范围是到，基于气溶胶的充电来工作。传感器的工作原理是在电晕放电中产生正的空气离子，然后与气溶胶混合。测量精度取决于粒度分布的形状和粒子数浓度;它通常与附近的参考冷凝粒子计数器(CPC)相比，其测量值为10%-15%。与CPC或其他更大的仪器不同，DISCmini不需要液体来产生和计数粒子，因此可以在任何位置工作，也不需要液体补充。

气体传感有效载荷包括三个alphasense气体传感器（alphasense，B4型，Great Notley，Essex，UK）和一个sprintir二氧化碳传感器。alphasense传感器是以安培模式工作并产生与被测气体分数体积成线性比例的电流的电化学电池。它们用于测量CO、NO和NO2[15]。用于测量二氧化碳浓度的sprintir二氧化碳是基于非分散红外（NDIR）技术[16]。

2.5 有效载荷设计和遥测

无人机系统结构使用无线电调制解调器向地面站传输实时数据，包括无人机三维位置信息和有效载荷参数。Arduino Mega 2560 微控制器（Arduino，Ivrea，Italy）用于发送数据，它可以被其他设备选中，例如Raspberry PI B 微处理器，这两种设备都有更好的硬件(如内存)和软件(如操作系统)。然而，这样的设备需要更多的能量，速度也更慢。Arduino的连接和编程更加容易，接收和传输数据速度更快，功耗更低。Arduino可以同时为四个气体传感器供电。

2.6 集成

DiscMini[17]可以很容易地集成到无人机上，成为一个小巧轻便的监视器。然而，需要对传感器进行仔细定位，以避免飞机重心可能出现的问题。定制的气体传感器有效载荷（如图2所示）包括四个气体传感器。关于每个传感器的更多详细信息，见补充材料表S2。集成过程产生了一个能够同时测量PNC和五种气体的系统。

图2. 昆士兰理工大学（QUT）有效载荷传感器系统，能够测量二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、二氧化氮。

2.7 气体可视化界面

无人机系统包括一个地面控制接口，用于实时可视化和存储从机载传感器发送的数据。补充资料中的图S2给出了该界面的截图。

该界面将从气体传感器接收到的所有数据汇总成一个图形显示在右侧，而压力、湿度和温度测量值显示在左侧。瞬时测量值显示在屏幕底部。地面控制界面允许用户使用屏幕顶部的控制按钮存储数据。

3 实验设计

这项研究进行了两个不同的测试，以评估最佳的传感器进气位置和传感器的有效性。在测试1中，使用专业标准风速仪（型号9565-P，TSI，Shoreview，MN，USA）测量无人机螺旋桨引起的空气速度。风速计的风速精度为3%，测量范围为0-50 m/s，读数精度为plusmn;1.5%，分辨率为0.01 m/s（图3），以创建空速图，量化s800六旋翼无人机的下洗和上洗效果。便携式风速计被手动激活以存储一个读数，间隔20秒。试验1设计在室内进行，以避免任何风或外部输入等可能改变无人机气流效果的行为。

与测试1一样，测试2也在室内进行，并通过测量柴油发动机作为源排放的烟羽的气体和颗粒来验证机载传感器的功能及其安装位置。测试2进一步分为三部分，记录羽流内部、下方和上方的测量值。

3.1 测试1

为了解决传感器悬置点的问题，在无人机的框架上安装了一个吊杆，以避免湍流和螺旋桨的空气混合效应。动臂既作为被动工作的气体传感器的安装点，又作为排放盘的取样口。当六旋翼飞行器着陆时，吊杆可以沿着无人机延伸，在其上方甚至下方，用万向节将其折叠起来。空气速度行为沿无人机轴绘制，以确定三个可用选项中哪一个最有效。

这项实验是在位于昆士兰布里斯班的澳大利亚航空航天自动化研究中心（ARCAA）室内飞行实验室进行的。风速计的位置由维康（英国牛津维康运动系统有限公司）位置映射系统记录，该系统是一种室内跟踪和定位系统，用于ARCAA[18]提供飞行区域内物体的位置和方向[18]。该系统精确到亚毫米级，每秒提供100个位置读数。VICON提供每个读数的时间戳，每个间隔的平均位置为20 s，以关联每个时间间隔的风速读数。

使用电动叉车固定无人机，并提供可调高度机构（图4a、b）。无人机使用拉链系紧叉车，不得阻塞无人机下方的空间，以免影响螺旋桨气流（图S3补充材料）。

测试1分为四个实验，分别沿y轴、负轴。实验1：minus;y和正轴；实验2: y和沿x轴进行测量，包括水平；实验3和垂直、实验4、气流方向。无人机有一个对称的形状，所以假设它沿z和x轴有相同的空气速度分布。

图4a说明了试验1设备的设置，图5b显示了每100 mm测量的方向。与安装传感器的螺旋桨之间的最大距离限制为1200 mm，以保持无人机平衡，而无需在另一端增加平衡重。固定传感器和传感器本身的碳管的总重量由连接在无人机框架下方背面的电池重量平衡（抵消）。

将红外检测标记贴在风速仪探头上，利用VICON系统记录风速仪的位置。四个红外标记放置在无人机上，以记录其位置并作为参考（图3和4a）。在每个测试1实验中，一名研究人员负责监测标记位置，另一名研究人员沿三个无人机轴移动风速计，以

资料编号：[3630]