小型自動(dòng)控制無(wú)人機(jī)應(yīng)用于大氣監(jiān)測(cè)的設(shè)想

肖應(yīng)超

摘 要 自從1917年英國(guó)人成功研制出世界第一架無(wú)人機(jī)到現(xiàn)在大約100年的時(shí)間，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了軍事領(lǐng)域。21世紀(jì)以來(lái)，隨著大疆等無(wú)人機(jī)公司的發(fā)展，小型旋翼無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。本文通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的分析，提出了將其應(yīng)用到大氣監(jiān)測(cè)中的可能性與優(yōu)勢(shì)，以期為無(wú)人機(jī)的創(chuàng)新應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 自主飛行 無(wú)人機(jī) 大氣監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1背景

無(wú)人機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡(jiǎn)稱(chēng)。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(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到了比較成熟的階段。在軍事領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了五次戰(zhàn)爭(zhēng)的考驗(yàn)。在越南戰(zhàn)爭(zhēng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)都卓有成效地執(zhí)行了多個(gè)軍事任務(wù)，例如信號(hào)情報(bào)搜集、直升機(jī)航路偵查、防空火力誘餌等。其軍事價(jià)值得到了各國(guó)軍事高層的欣賞。而在民用領(lǐng)域，也越來(lái)越多地看到了無(wú)人機(jī)的身影。在東南亞，為了了解諾式瘧原蟲(chóng)在人、猴子之間的傳播規(guī)律，研究人員通過(guò)無(wú)人飛行器來(lái)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛策M(jìn)行探測(cè)，搜索地理數(shù)據(jù)掌握人口及猴子的活動(dòng)，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(kāi)始應(yīng)用四旋翼飛行器進(jìn)行物品的傳遞；一些遭受戰(zhàn)亂影響的區(qū)域也開(kāi)始應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行地雷的探測(cè)，大大減少了可能出現(xiàn)的意外事件。因此，采用無(wú)人機(jī)參與生活中某些方面的工作已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。而越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題無(wú)疑為無(wú)人機(jī)提供了發(fā)揮價(jià)值的平臺(tái)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，工業(yè)化、城市化的發(fā)展使中國(guó)的GDP年增長(zhǎng)率達(dá)到8%—9%。而隨著經(jīng)濟(jì)的劇增，中國(guó)現(xiàn)已成為世界第二大能源國(guó)。大量煤的消耗使得中國(guó)的環(huán)境問(wèn)題日漸嚴(yán)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(shí)加大對(duì)違法企業(yè)的監(jiān)管力度。而采取無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)相關(guān)工廠(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督無(wú)疑將大大減少人力與財(cái)力的浪費(fèi)。

2應(yīng)用限制

要想將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到環(huán)境測(cè)量之中，首先需要克服的就是現(xiàn)階段低成本無(wú)人機(jī)操作方式的限制?，F(xiàn)階段，高端的軍用無(wú)人機(jī)已經(jīng)基本全部采用自動(dòng)駕駛方式。但常見(jiàn)的民用無(wú)人機(jī)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(duì)飛行器進(jìn)行操作。這樣的控制方式給無(wú)人飛行器應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)帶來(lái)了不少的限制。因?yàn)椴捎眠b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(jì)錄片中，為了分析污染物的成分，她曾試圖采用無(wú)人機(jī)對(duì)大氣的成分進(jìn)行采樣分析。但由于當(dāng)時(shí)的霧霾情況過(guò)于嚴(yán)重，飛機(jī)僅僅飛行了很短的距離就已經(jīng)遠(yuǎn)離操作者的視線(xiàn)范圍，操作者無(wú)法對(duì)飛機(jī)進(jìn)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(yīng)用設(shè)想

要想成功的將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到大氣監(jiān)測(cè)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(dòng)駕駛的功能。通過(guò)對(duì)相關(guān)資料的查閱了解到，雖然小型自動(dòng)駕駛儀技術(shù)相對(duì)于大型飛機(jī)來(lái)說(shuō)，其挑戰(zhàn)更大，但是國(guó)內(nèi)外在小型自動(dòng)駕駛儀的研究方面也取得了一些成績(jī)。例如美國(guó)的AP50XL，其包含多個(gè)低功耗處理器，集成了GPS、三軸慣性器件等傳感器，提供了標(biāo)準(zhǔn)的伺服控制系統(tǒng)和地面站通訊接口，完全可以滿(mǎn)足進(jìn)行導(dǎo)航和任務(wù)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(jì)以及氣壓高度計(jì)等必要導(dǎo)航控制儀器，支持500Km/h的航速，最大升限可達(dá)到12000m。其更可支持1000個(gè)航點(diǎn)設(shè)置，用戶(hù)可以及時(shí)更改相關(guān)飛行參數(shù)。類(lèi)似的小型自動(dòng)駕駛儀還有瑞士的WePilot1000、奧地利的CompaNav-2、我國(guó)的MGNC-3等。在已有小型自動(dòng)駕駛儀的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人機(jī)的自主飛行已經(jīng)成為可能。

因此該設(shè)想以小型自動(dòng)駕駛儀為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)自主飛行的無(wú)人飛行器，完成大氣檢測(cè)的任務(wù)。飛控模塊可采用我國(guó)目前已經(jīng)有的小型自動(dòng)駕駛儀，通過(guò)傳感器和控制計(jì)算機(jī)得到飛行器的姿態(tài)位置信息，反饋給地面臺(tái)，地面臺(tái)發(fā)送控制指令并通過(guò)伺服系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成飛行器的控制，實(shí)現(xiàn)自主飛行器。為了適應(yīng)小型無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，動(dòng)力能源裝置宜采用質(zhì)量輕，能量密度大的電源進(jìn)行供電。同時(shí)機(jī)上也應(yīng)該搭配無(wú)線(xiàn)數(shù)音視頻傳輸模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、氣體采集傳感器等模塊。使得飛行器可以完成對(duì)大氣成分的采樣，并且可以傳回高污染工廠(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像，進(jìn)行監(jiān)督。同時(shí)，如果有人對(duì)環(huán)境問(wèn)題舉報(bào)時(shí)，無(wú)人機(jī)可以快速響應(yīng)飛往相關(guān)地點(diǎn)進(jìn)行證據(jù)采樣，不留給違法人員一絲僥幸的可能。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)發(fā)展是航空航天領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。軍用領(lǐng)域無(wú)人偵察機(jī)的應(yīng)用大大提高了部隊(duì)的作戰(zhàn)效率，同時(shí)最大限度的降低了傷亡率，對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)有著巨大的意義。在民用領(lǐng)域，旋翼飛行器航拍技術(shù)的成熟，給了我們一個(gè)全新的角度去認(rèn)識(shí)世界。而將小型無(wú)人機(jī)應(yīng)用到生活中的方方面面則是大勢(shì)所趨。為了更好的應(yīng)用無(wú)人機(jī)并為我們的生活帶來(lái)便利，必須改進(jìn)小型無(wú)人機(jī)的操作方式，使其可以實(shí)現(xiàn)自主飛行。因此，小型自動(dòng)駕駛儀成為無(wú)人機(jī)的核心，是小型無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行并完成任務(wù)的關(guān)鍵。但由于國(guó)內(nèi)對(duì)此研究起步較晚，且受制于國(guó)外相關(guān)技術(shù)的封鎖。相對(duì)于國(guó)外一些成熟的甚至已經(jīng)達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)別水平的自動(dòng)駕駛儀，我國(guó)的自動(dòng)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(huì)使我國(guó)的無(wú)人機(jī)行業(yè)不斷前行發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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