摘要：随着我国社会的飞速发展，大气环境问题也成为了越来越多人关注的重点问题。环境应急监测是应对突发性环境问题的重要基础，而基于无人机平台，能够实现高作业效率和方便的环境监测，同时也能够提升监测范围，促进我国环境工程的深入发展。本文作者根据自身从事无人机大气环境应急监测系统设计的实际经验，深入的论述了无人机大气环境应急监测系统设计之中的系统框架设计、系统功能设计，并对于无人机大气环境应急监测系统设计之中容易出现的问题进行了深入的讨论，希望能够对于相关行业起到一定的借鉴作用。
关键词：无人机；大气环境；应急监测；设计
一、系统的框架设计
（一）无人机平台设计
在整个环境应急监测系统之中，无人机应该能够起到按指定航向飞行并提供任务载荷的作用，其中，无人机控制系统以及航向导航系统是整个无人机平台设计的核心内容，其主要是由飞行控制计算机、导航定位系统、传感器组件以及伺服机构和供电系统共同组成[1]。
（二）任务载荷系统设计
无人机大气环境应急监测系统的任务荷载主要包括：气体检测设备、视频处理设备、图像监控设备等。而从系统的采样方式来说，应该由二维面状的航拍设备以及泵吸式采样监控设备共同组成。在研究过程之中，本文作者通过采用当前已经成熟的小型化多气体采样设备进行了无人机适应性的全面改进，从而使其能够在突发性和紧急性的大气污染监测之中能够更好的工作。无人机任务荷载系统的性能指标应为：重量低于15kg，工作温度在-20℃到50℃之间，能够监测的气体包括H2S、CO、NO2等多种有害气体，并能够进行深入的扩展，其测量下限应该能够达到10-6级，测量误差应该在±5%之内。
（三）通信系统设计
对于无人机气体检测的数据传输，可以采用无人机平台之中的遥测电台来实现数据的交互和传输功能。在实际的设计流程之中，以国产的Z-3无人机平台作为数据接收的主要载体，同时集成了视频图像传输设备以及气体检测设备，从而能够构建出完整的大气应急监测系统。同时采用机载的数据传输设备进行通信系统的设计。这种通信方式集约化程度更高，并且无需针对任何载荷进行电台的增设，有效的降低了无人机平台本身的荷载量。然而这种设计形式需要进行无人机导航系统和飞控系统的二次开发，从而使其能够与检测设备数据进行有效对接。另外，可以在无人机平台上进行数据传输电台或者图像传输电台的集成，这种通信系统的设计可以使飞控与通信系统之间进行独立，从设计上来说方法更加简单和明朗，然而这种设计思路会提升无人机平台载荷的重量[2]。
（四）地面测控系统设计
地面测控系统的设计主要是对于无人机平台工作性能以及相关指标参数进行监控，同时负责接收由无人机带回的数据监控信息。这就要求了地面测控系统要具备对于任务载荷的操作能力以及监测数据的分析处理能力。在进行设计时，任务载荷的操控以及监控数据的分析处理系统应该需要在无人机飞控系统的开放性数据接口上进行集成设计。同时，在环境应急平台的构建之中，应该将地面测控系统进行一体化集成，从而实现地面人员对于大气环境的智能化、快捷化操作，提升无人机大气环境应急监控系统的使用效力。
二、系统的功能性设计
（一）飞行状态监控
无人机测控系统应该能够实现飞行状态的显示以及任务航线的规划功能。其中，飞行状态显示包括飞行轨迹显示以及飞行参数显示两部分。通过网络通信技术，使地面测绘系统能够实时性获取无人机作业时的GPS经纬度信息，并根据当前获取的信息从显示设备之中进行无人机飞行视图的显示。飞行参数的显示功能应该包括当前无人机的飞行姿态显示、飞控命令显示、飞行状态显示以及故障报警显示等多种功能。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当无人机在作业过程之中，其应该按照事先进行的监测规划和监测重点进行航线的规划，并应该根据当前大气环境应急监测系统的实际需求进行航线的调整。当整个航线规划完成后，应该由地面的控制站通过无线电路将航线数据上传到无人机自动驾驶仪上[3]。
（二）应急监测功能
无人机大气环境应急监测功能应该包括对于毒害性气体的监控以及视频监控的功能。其中，毒害性气体的监控主要是通过气体监控系统进行气体的数据动态展示以及数据分析功能来实现的，其中包括数据的实时查看功能、高浓度毒害性气体警报功能、气体成分分析功能以及报表输出功能等等。对于有多点监控需求的数据，可以采用GIS三维处理平台，根据采样点位的实际坐标进行气体浓度的显示。视频监控功能应该具备远程控制功能以及对拍摄角度和焦距的调整功能，同时能够实现视频信息的储存和管理功能。在设计之中，可以采用专业的图像拼接软件将视频之中的重叠图像进行集成并统一关联，然后采用图像预处理以及拼接技术，生成一副清晰的大视场图像，从而扩大图像的取场范围。这里可以通过对于视频采集图像的解帧技术实现。面对突发性的大气污染事件，大气环境应急监测系统应该能够提供应急辅助决策支持功能，以实时监测的数据为基础依托，对于大气污染的扩散程度以及危险化学品的管理作出应急预案管理，从而使无人机大气环境应急监测系统能够更好地满足作业需求。
三、无人机大气环境应急监测系统设计之中的问题讨论
（一）无人机平台的选择问题
当前较为常见的无人机平台有旋翼式和固定式两种，这两种无人机在大气环境监测之中有着各自的优势与缺陷。旋翼式无人机能够更好的处理突发性环境事件，可以悬停在目标区域的上空，尤其对于需要进行突发事件现场多角度的航拍时，能够更好的完成拍摄任务，然而由于旋翼式无人机对于气流的扰动情况较大，如果拍摄的精度要求较高，则不能够胜任作业任务。也就是说，旋翼式无人机更适用于灵活性更高和机动性要求更高的拍摄作业之中。而固定式无人机必须保持一定的速度才能够保持动力上的平衡，因此机动性和灵活性较弱，然而这种无人机对于气流的扰动性较小，能够满足较高精度的气体监测需求。同时，为了避免无人机本身尾气排放对于气体监测作业造成的干扰，需要对于无人机的进气口进行改良和完善，如果采用的是发动机后置的无人机设备，那么气体采样口应该进行前置处理[4]。
（二）通信系统的选择问题
目前，我国无人机大气环境应急监测一般采用的通信系统为“三合一”或者“四合一”信道体制。所谓的三合一，即是指跟踪定位系统、遥测系统和遥控系统的统一载波体制，利用遥测信号进行测角的跟踪，并利用遥测进行距离的测定，并采用单独的信号传输通道进行视频和图像的传输。而所谓的四合一信道体制，是指跟踪定位系统、遥控、遥测以及信息传输的四合一体制，其中，视频图像的信息传递与遥测信息传递共用一个信道，采用视频与遥测技术进行跟踪测角，采用遥控与遥测技术进行距离的测量。四合一信道体制的综合程度和集约型较高，目前在无人机大气环境应急监测系统设计之中已经得到了广泛应用。然而从灵活性的角度来说，三合一的信道体制能够将宽带和窄带进行有效区分，更具有灵活性。因此在通信信道的选择时，应该根据系统的实际需求进行通信系统的选择。
四、结束语
综上所述，在进行无人机大气环境应急监测系统的设计时，应该对于系统框架设计进行深入的研究与分析，并对于系统的功能性实现进行全面的设计，进而提升无人机大气环境监测系统的作业质量和作业效率，推动我国大气环境监测行业的深入发展。
参考文献：
[1]缪宁川.基于无人机的大气环境监测系统设计与实现[J].科学与信息化,2018,(16):17-18.
[2]吴昊.基于无人机的大气环境监测系统设计与实现[J].信息通信,2016,(9):77-78.
[3]吴昊.基于无人机的大气环境监测系统设计与实现[J].信息通信,2016,(9).
[4]马国鑫,韩豫,陆建飞,姚佳玥,尤少迪.基于无人机的施工扬尘污染源自动监测系统设计与实现[J].中国环境监测,2018,34(1):151-156.
论文作者:石常涛
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/29
标签：无人机论文; 监测系统论文; 大气环境论文; 功能论文; 系统论文; 气体论文; 作业论文; 《防护工程》2019年第1期论文;