小型自动控制无人机应用于大气监测的设想

肖应超

摘 要 自从1917年英国人成功研制出世界第一架无人机到现在大约100年的时间，无人机的应用范围已经远远超出了军事领域。21世纪以来，随着大疆等无人机公司的发展，小型旋翼无人机航拍技术已经普遍应用到了各个领域。本文通过对无人机技术的分析，提出了将其应用到大气监测中的可能性与优势，以期为无人机的创新应用提供参考。

关键词 自主飞行 无人机 大气监测

中图分类号：TP274 文献标识码：A

1背景

无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。随着微电子、信息技术、智能技术以及航空技术的发展，无人机技术已经进入到了比较成熟的阶段。在军事领域，无人机已经经历了五次战争的考验。在越南战争、海湾战争、阿富汗战争中，无人机都卓有成效地执行了多个军事任务，例如信号情报搜集、直升机航路侦查、防空火力诱饵等。其军事价值得到了各国军事高层的欣赏。而在民用领域，也越来越多地看到了无人机的身影。在东南亚，为了了解诺式疟原虫在人、猴子之间的传播规律，研究人员通过无人飞行器来对当地的地形地貌进行探测，搜索地理数据掌握人口及猴子的活动，了解诺式疟疾的传播规律；亚马逊和谷歌等公司也已经开始应用四旋翼飞行器进行物品的传递；一些遭受战乱影响的区域也开始应用无人机技术进行地雷的探测，大大减少了可能出现的意外事件。因此，采用无人机参与生活中某些方面的工作已经成为大势所趋。而越来越严重的环境问题无疑为无人机提供了发挥价值的平台。

随着我国经济的快速增长，工业化、城市化的发展使中国的GDP年增长率达到8%—9%。而随着经济的剧增，中国现已成为世界第二大能源国。大量煤的消耗使得中国的环境问题日渐严重。我们必须采取一定的措施更改我们的能源结构，同时加大对违法企业的监管力度。而采取无人机对环境进行检测，对相关工厂进行监督无疑将大大减少人力与财力的浪费。

2应用限制

要想将无人机应用到环境测量之中，首先需要克服的就是现阶段低成本无人机操作方式的限制。现阶段，高端的军用无人机已经基本全部采用自动驾驶方式。但常见的民用无人机受制于体积以及成本的限制，大多采用的都是地面遥控的形式对飞行器进行操作。这样的控制方式给无人飞行器应用到环境监测带来了不少的限制。因为采用遥控的控制方式受制于环境的影响太大。例如在柴静的那份环境调查的纪录片中，为了分析污染物的成分，她曾试图采用无人机对大气的成分进行采样分析。但由于当时的雾霾情况过于严重，飞机仅仅飞行了很短的距离就已经远离操作者的视线范围，操作者无法对飞机进行有效的控制，最终的结果自然也就只能以失败告终。

3应用设想

要想成功的将无人机技术应用到大气监测之中，必须克服遥控控制这一控制方式的弊端，必须采用完全自主的飞行方式，飞行器自身可以完成自动驾驶的功能。通过对相关资料的查阅了解到，虽然小型自动驾驶仪技术相对于大型飞机来说，其挑战更大，但是国内外在小型自动驾驶仪的研究方面也取得了一些成绩。例如美国的AP50XL，其包含多个低功耗处理器，集成了GPS、三轴惯性器件等传感器，提供了标准的伺服控制系统和地面站通讯接口，完全可以满足进行导航和任务控制的要求；加拿大的MP2028，其内部集成了3轴陀螺仪和加速度计以及气压高度计等必要导航控制仪器，支持500Km/h的航速，最大升限可达到12000m。其更可支持1000个航点设置，用户可以及时更改相关飞行参数。类似的小型自动驾驶仪还有瑞士的WePilot1000、奥地利的CompaNav-2、我国的MGNC-3等。在已有小型自动驾驶仪的基础上，实现小型无人机的自主飞行已经成为可能。

因此该设想以小型自动驾驶仪为基础，设计出可以实现自主飞行的无人飞行器，完成大气检测的任务。飞控模块可采用我国目前已经有的小型自动驾驶仪，通过传感器和控制计算机得到飞行器的姿态位置信息，反馈给地面台，地面台发送控制指令并通过伺服系统及执行机构完成飞行器的控制，实现自主飞行器。为了适应小型无人机的特点，动力能源装置宜采用质量轻，能量密度大的电源进行供电。同时机上也应该搭配无线数音视频传输模块、无线通信模块、气体采集传感器等模块。使得飞行器可以完成对大气成分的采样，并且可以传回高污染工厂的实时图像，进行监督。同时，如果有人对环境问题举报时，无人机可以快速响应飞往相关地点进行证据采样，不留给违法人员一丝侥幸的可能。

4结语

无人机发展是航空航天领域发展的一个重要方向。军用领域无人侦察机的应用大大提高了部队的作战效率，同时最大限度的降低了伤亡率，对现代战争有着巨大的意义。在民用领域，旋翼飞行器航拍技术的成熟，给了我们一个全新的角度去认识世界。而将小型无人机应用到生活中的方方面面则是大势所趋。为了更好的应用无人机并为我们的生活带来便利，必须改进小型无人机的操作方式，使其可以实现自主飞行。因此，小型自动驾驶仪成为无人机的核心，是小型无人机实现自主飞行并完成任务的关键。但由于国内对此研究起步较晚，且受制于国外相关技术的封锁。相对于国外一些成熟的甚至已经达到战术级别水平的自动驾驶仪，我国的自动驾驶仪在精度、可靠性等方面都还存在着很大的差距。我们唯有不断努力，提高自主创新能力，才会使我国的无人机行业不断前行发展。

参考文献

[1] 房建成，张霄.小型无人机自动驾驶仪技术[J].中国惯性技术学报，2007（06）.

[2] 郑卫娟，胡云琴.基于APM飞控的无人直升机设计[J].信息与电脑（理论版），2013.

[3] 秦博，王蕾.无人机发展综述[J].飞航导弹，2002（08）.