肖應超

摘 要 自從1917年英國人成功研制出世界第一架無人機到現(xiàn)在大約100年的時間，無人機的應用范圍已經(jīng)遠遠超出了軍事領域。21世紀以來，隨著大疆等無人機公司的發(fā)展，小型旋翼無人機航拍技術(shù)已經(jīng)普遍應用到了各個領域。本文通過對無人機技術(shù)的分析，提出了將其應用到大氣監(jiān)測中的可能性與優(yōu)勢，以期為無人機的創(chuàng)新應用提供參考。

關鍵詞 自主飛行 無人機 大氣監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

1背景

無人機是一種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、可重復使用的航空器的簡稱。隨著微電子、信息技術(shù)、智能技術(shù)以及航空技術(shù)的發(fā)展，無人機技術(shù)已經(jīng)進入到了比較成熟的階段。在軍事領域，無人機已經(jīng)經(jīng)歷了五次戰(zhàn)爭的考驗。在越南戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭中，無人機都卓有成效地執(zhí)行了多個軍事任務，例如信號情報搜集、直升機航路偵查、防空火力誘餌等。其軍事價值得到了各國軍事高層的欣賞。而在民用領域，也越來越多地看到了無人機的身影。在東南亞，為了了解諾式瘧原蟲在人、猴子之間的傳播規(guī)律，研究人員通過無人飛行器來對當?shù)氐牡匦蔚孛策M行探測，搜索地理數(shù)據(jù)掌握人口及猴子的活動，了解諾式瘧疾的傳播規(guī)律；亞馬遜和谷歌等公司也已經(jīng)開始應用四旋翼飛行器進行物品的傳遞；一些遭受戰(zhàn)亂影響的區(qū)域也開始應用無人機技術(shù)進行地雷的探測，大大減少了可能出現(xiàn)的意外事件。因此，采用無人機參與生活中某些方面的工作已經(jīng)成為大勢所趨。而越來越嚴重的環(huán)境問題無疑為無人機提供了發(fā)揮價值的平臺。

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，工業(yè)化、城市化的發(fā)展使中國的GDP年增長率達到8%—9%。而隨著經(jīng)濟的劇增，中國現(xiàn)已成為世界第二大能源國。大量煤的消耗使得中國的環(huán)境問題日漸嚴重。我們必須采取一定的措施更改我們的能源結(jié)構(gòu)，同時加大對違法企業(yè)的監(jiān)管力度。而采取無人機對環(huán)境進行檢測，對相關工廠進行監(jiān)督無疑將大大減少人力與財力的浪費。

2應用限制

要想將無人機應用到環(huán)境測量之中，首先需要克服的就是現(xiàn)階段低成本無人機操作方式的限制。現(xiàn)階段，高端的軍用無人機已經(jīng)基本全部采用自動駕駛方式。但常見的民用無人機受制于體積以及成本的限制，大多采用的都是地面遙控的形式對飛行器進行操作。這樣的控制方式給無人飛行器應用到環(huán)境監(jiān)測帶來了不少的限制。因為采用遙控的控制方式受制于環(huán)境的影響太大。例如在柴靜的那份環(huán)境調(diào)查的紀錄片中，為了分析污染物的成分，她曾試圖采用無人機對大氣的成分進行采樣分析。但由于當時的霧霾情況過于嚴重，飛機僅僅飛行了很短的距離就已經(jīng)遠離操作者的視線范圍，操作者無法對飛機進行有效的控制，最終的結(jié)果自然也就只能以失敗告終。

3應用設想

要想成功的將無人機技術(shù)應用到大氣監(jiān)測之中，必須克服遙控控制這一控制方式的弊端，必須采用完全自主的飛行方式，飛行器自身可以完成自動駕駛的功能。通過對相關資料的查閱了解到，雖然小型自動駕駛儀技術(shù)相對于大型飛機來說，其挑戰(zhàn)更大，但是國內(nèi)外在小型自動駕駛儀的研究方面也取得了一些成績。例如美國的AP50XL，其包含多個低功耗處理器，集成了GPS、三軸慣性器件等傳感器，提供了標準的伺服控制系統(tǒng)和地面站通訊接口，完全可以滿足進行導航和任務控制的要求；加拿大的MP2028，其內(nèi)部集成了3軸陀螺儀和加速度計以及氣壓高度計等必要導航控制儀器，支持500Km/h的航速，最大升限可達到12000m。其更可支持1000個航點設置，用戶可以及時更改相關飛行參數(shù)。類似的小型自動駕駛儀還有瑞士的WePilot1000、奧地利的CompaNav-2、我國的MGNC-3等。在已有小型自動駕駛儀的基礎上，實現(xiàn)小型無人機的自主飛行已經(jīng)成為可能。

因此該設想以小型自動駕駛儀為基礎，設計出可以實現(xiàn)自主飛行的無人飛行器，完成大氣檢測的任務。飛控模塊可采用我國目前已經(jīng)有的小型自動駕駛儀，通過傳感器和控制計算機得到飛行器的姿態(tài)位置信息，反饋給地面臺，地面臺發(fā)送控制指令并通過伺服系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)完成飛行器的控制，實現(xiàn)自主飛行器。為了適應小型無人機的特點，動力能源裝置宜采用質(zhì)量輕，能量密度大的電源進行供電。同時機上也應該搭配無線數(shù)音視頻傳輸模塊、無線通信模塊、氣體采集傳感器等模塊。使得飛行器可以完成對大氣成分的采樣，并且可以傳回高污染工廠的實時圖像，進行監(jiān)督。同時，如果有人對環(huán)境問題舉報時，無人機可以快速響應飛往相關地點進行證據(jù)采樣，不留給違法人員一絲僥幸的可能。

4結(jié)語

無人機發(fā)展是航空航天領域發(fā)展的一個重要方向。軍用領域無人偵察機的應用大大提高了部隊的作戰(zhàn)效率，同時最大限度的降低了傷亡率，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭有著巨大的意義。在民用領域，旋翼飛行器航拍技術(shù)的成熟，給了我們一個全新的角度去認識世界。而將小型無人機應用到生活中的方方面面則是大勢所趨。為了更好的應用無人機并為我們的生活帶來便利，必須改進小型無人機的操作方式，使其可以實現(xiàn)自主飛行。因此，小型自動駕駛儀成為無人機的核心，是小型無人機實現(xiàn)自主飛行并完成任務的關鍵。但由于國內(nèi)對此研究起步較晚，且受制于國外相關技術(shù)的封鎖。相對于國外一些成熟的甚至已經(jīng)達到戰(zhàn)術(shù)級別水平的自動駕駛儀，我國的自動駕駛儀在精度、可靠性等方面都還存在著很大的差距。我們唯有不斷努力，提高自主創(chuàng)新能力，才會使我國的無人機行業(yè)不斷前行發(fā)展。

參考文獻

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