传感器网络在环保型无人机中的应用研究

李永乐 黄肇星 问鼎

（沈阳航空航天大学 辽宁沈阳 110136）

传感器网络在环保型无人机中的应用研究

李永乐 黄肇星 问鼎

（沈阳航空航天大学 辽宁沈阳 110136）

随着无人机在环保领域应用研究的进一步深入，作为无人机有效载荷的传感器系统越来越得到人们的重视。无人机通过搭载不同类型的传感器可实现不同的节能环保任务。本文对传感器原理、分类及其特性参数进行了简要分析与梳理，同时也将环保型无人机进行了分类介绍。通过分析传感器网络的工作原理及无人机平台与传感器的匹配原则，提出了环保型无人机平台集成传感器网络系统模型。利用该模型可快速进行特定无人机的系统集成，对环保型无人机的产品设计具有一定的借鉴意义。

无人机；节能环保；有效载荷；匹配原则；传感器网络

1 前言

无人机作为一个应用平台，在环保领域通过搭载不同类型的传感器获取不同的数据，为节能环保决策提供数据支持。[1]而作为信息系统源头的传感器，在一定程度上决定了整个系统的特性和性能指标[2]。因此，如何对环保型无人机进行传感器系统的集成成为环保型无人机研制过程中的重要一环，通过对无人机与传感器两个系统的分类研究，进一步探索无人机平台与传感器网络的匹配原则，进而建立环保型无人机平台集成传感器网络系统模型。传感器的多极化发展使无人机大有可为，作为无人机应用热点的遥感技术也正向着光谱信息成像化，雷达成像多极化的方向发展[3-4]，该技术在无人机环保领域也发挥着重要作用。此外，无人机技术也在海洋溢油污染监测、林业现状调查以及城市规划等面也有重要应用[5]。

2 机载传感器网络

机载传感器网络是指无人机平台所搭载的各种传感器的一个集成统称。传感器网络构成无人机平台应用的终端，直接获取所需的物质或数据。通过无线传输系统可实时传回地面相应监测数据，另外出于数据安全性考虑，也可保存于无人机平台中的存储装置，待无人机返回地面后进行详细的数据分析。作为数据采集的核心，传感器的原理分类及其特性是需要理解的重要内容。

2.1 传感器原理

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。具体传感器原理因其种类不同其实现原理也不同，传感器的敏感元件工作原理根据学科划分可归纳为四大类：

※物理类——基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

※化学类——基于化学反应原理。国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）对化学传感器进行了如下定义：一种小型化的、能专一和可逆地对某种化合物或某种离子具有应答反应，并能产生一个与此化合物或离子浓度成比例的分析信号的传感器。

※生物类——基于酶、抗体以及激素等分子识别的功能。生物传感器包括两部分：分子识别元件和换能器。通过换能器将分子识别元件与待测物结合所产生的复合物、光、热等转变为电信号或光信号，通过传送装置传递到显示器，进而进行分析监测。[6]

※智能类——由传统传感器与专用微处理器组成。智能传感器是通过比较人的感官和大脑的协调动作，对微处理器进行相关性编程，使传感器不仅具备了视觉、听觉、味觉、触觉，还有了储存、思维和逻辑判断的人工智能[7]。

2.2 传感器分类

传感器种类繁多，根据不同的属性进行划分是常采用的一种方法。

从人类感官角度出发，有以下五类：

视觉——光敏传感器；听觉——声敏传感器；嗅觉——气敏传感器；味觉——化学传感器；触觉——压敏、温敏、流体传感器。

从用途出发，有压敏传感器、力敏传感器、热敏传感器、能耗传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器等。

从原理出发，可分为振动传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。

从输出信号的标准出发，可分为四类——模拟传感器，数字传感器，膺数字传感器以及开关传感器。

从作用形式出发，分为主动型传感器和被动型传感器两种，其中前者又分为作用型和反作用型两种。

此外还可从测量目、传感器构成、制作工艺等角度出发进行分类。

2.3 传感器参数

传感器参数主要分为静态特性参数和动态特性参数。

静态特性参数——输入量和输出量和时间无关的参数，包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移、辨别力、阈值等参数。

动态特性参数——阶跃响应和频率响应。

传感器的分辨率——指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。它与传感器的稳定性有负相相关性。

机载传感器对无人机安全飞行、任务完成均有重大影响，因此其具体参数的校准也显得相当重要[8]。

2.4 机载传感器网络

机载传感器网络是指搭载于无人机上用于飞行控制、数据采集、AD转换、数据分析以及信号传输等环节中所用到的所有传感器的集合。机载传感器网络通过优化布局，协调线路，做到效率与可靠性的最优。

3 节能环保型无人机分类

节能环保型无人机根据不同的任务要求定制特定功能的传感器网络，通过机载平台集成，实现准确、高效、实时的数据传输、获取与分析，为环保部门基础性数据获取或应急监测等项目提供技术支持。

3.1 项目环评类无人机

项目环评类无人机通常是以获取可见光图像为基础数据，通过对图像的目视解译来确定环评对象是否符合相关环评标准。

搭载传感器种类一般为可见光数码相机。分辨率的高低是体现机载可见光数码相机性能好坏的重要指标。

3.2 水温监测类无人机

水温监测类无人机是以获取监测水面的红外图像为基础数据，进而获取监测水面的水温分布图。水温数据是河流生态指标中的一项重要数据，可以为生态环境影响评价提供基础性数据资料。

搭载传感器种类通常为红外传感器。红外传感器的小型化、微型化是今后红外领域突破的一个方向[9]。

图1 红外传感器内部结构与内部电路图

3.3 大气监测类无人机

大气监测类无人机是以获取大气样品的方式，通过分析样品中某些气体或污染物（包括PM10、PM2.5等颗粒）的含量、浓度，得到大气污染指数，进而对空气质量做出评估。

搭载的传感器为特定类型的气体传感器或PM2.5/PM10灰尘颗粒传感器。

4 环保型无人机与传感器网络的匹配原则

4.1 基于任务的匹配原则

根据无人机系统所要实现的功用，对无人机类型和传感器种类进行确定。

图2 固定翼无人机

4.1.1 固定翼类无人机

该类型无人机适用于较大范围的地面观测或航拍任务，如京沪铁路的环保验收监测[1]，生产建设项目水土保持监测、生物栖息地评价等任务[10-11]。通过搭载光学传感器来获取可见光图像从而完成飞行任务。

4.1.2 旋翼机

该类型无人机由于续航能力和飞行稳定性较固定翼类无人机差，故可进行定点观测的任务。如进行某河口水温定期监测或对某区域空气进行采样，通过分析得出空气指标等任务。

图3 无人直升机

图4 四旋翼无人机

图5 环保型无人机平台集成传感器网络系统模型

4.1.3 传感器种类

飞行任务决定了选择哪种传感器，前文对传感器进行了分类，将几种可以实现任务要求的传感器进行对比分析，可从准确度、经济性、载荷重量等方面进行对比，最后确定最佳选择。

4.2 基于效率的匹配原则

该原则建立在基于任务的匹配原则基础之上。无人机平台系统与传感器系统的结合让科技发展产生了一个巨大的飞跃。这是一个效率提高的过程，但是在进行无人机平台与传感器网络匹配时，更应注意效率原则。效，是效果，精确度；率，是速率，完成相应任务快慢的情况。例如机载无线传感器网络可实现数据的快速传输、转换与处理，同时可实现多机通讯，灵活高效地解决相关问题[12]。

4.2.1 效果原则

就是尽量选择测量性能高的传感器，以保证精确度，减小传感器系统误差对数据采集造成的冲击。

4.2.2 速率原则

就是在运行速度上有优势的传感器优先选择的原则。无论是数据转换速度还是数据传输速度，都很重要。

4.3 基于成本的匹配原则

该原则与效率原则并行，都建立在任务匹配原则基础之上。由于传感器价格昂贵，提高精确度的同时也极大地提高了其价格。通过综合分析，设定其权值，再通过组合计算或数据模型应用来选择成本允许下的最优配置[13]。

5 节能环保型无人机平台集成传感器网络系统模型

通过对无人机系统的分析研究，我们得到了环保型无人机平台集成传感器网络系统模型，该模型分为以下单元——（1）任务分析。（2）传感器选型。（3）数据链路系统确定。（4）载荷重量范围确定。（5）无人机选型。（6）无人机平台系统构建。（7）系统线路规划。（8）衔接零部件个性化定制。（9）系统集成。（10）交付使用。

各单元之间的关系如下图所示：

该模型具有直观清晰的特点，在无人机系统设计方面给出了清晰的思路。当然具体各单元还需自身详细的内容制定，标准参照，可见无人机系统设计是一个精细而繁杂的工作。任何一部分的设计失误都可能对最终的运行效果产生巨大的负面影响。

模型建立好了也可以引进虚拟仪器进行系统开发，为实际系统开发提供人机交互的软件，当然这一方面后续还需要进行详细研究与设计[14]。

6 总结与展望

随着环保问题日益严峻，环保型无人机已经越来越多的走进公众的视线，在解决无人机与传感器系统集成方面，本文进行了相关分析，给出了无人机选型分类以及传感器分类研究，同时提出了环保型无人机与传感器的三大匹配原则，最后建立了环保型无人机平台集成传感器网络系统模型。对于将来无人机与传感器系统集成方向从两个方面进行预测：

从系统内容方面看，未来将朝着高智能化，高集成化，大数据化以及高效化运作的方向发展。除了常见固定翼无人机之外，其他多旋翼无人机的应用也会更加丰富[15-16]，无人机平台也将呈现多样化发展态势。随着无人机的设计不断创新与完善，传感器的不断发展进步，相信未来会给人们更大的惊喜[17-19]。

从应用内容方面看，通过无人机与传感器不同的系统集成方案，未来将会在海洋环保探测，土壤污染监测，水环境质量监测，雾霾污染监测与治理，电磁污染监测等方面发挥更大的作用[19-21]。

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考虑到汽轮机运行的安全性，汽轮机低真空供热时凝汽器压力有上限值，通常汽轮机低真空供热时热网供水温度不超过65℃。在供热系统的设计中室内设计温度 tn一般取18℃，而室外设计温度t'w按照地区不同，取值也不同，河北地区的室外设计温度为-10℃。对方翼型散热器，其特征系数B为0.25，采用质调节方式时相对流量取为1。而该厂在采用低真空运行方式进行供热时，将汽轮机的排汽温度设计为70℃，冷却水出口温度为61℃，通过对循环冷却水量的调节来适应供热负荷。

在冬季采暖高峰期，根据上述公式得出，采暖负荷受室内外温度影响，当室外温度不断降低，也将达到最大采暖负荷，此时低真空供热受出口水温度所限制，在室外温度过低，低真空供热无法满足当前供热负荷所需达到的热网供回水温度时，采用热网加热器对出口水进行二次加热，以适应供热需求。

随着负荷的不断提高，热网供水、回水温度也在不断升高，具体变化如图2所示：

图2 热网供水、回水温度和环境温度关系

随着供水温度的提高，回水温度也随之提高，为防止汽轮机真空随着回水温度不断提高而持续恶化，在热网回水出口处装设温度表，对回水温度持续监测，在回水温度过高时，将加大冷却塔补水，从而降低水温，保证机组安全运行。

4 汽轮机低真空供热经济效益分析

综上所述，该厂100MW汽轮机低真空供热相对于原正常运行方式，经济效益可观，汽轮机低真空供热对于抽凝式机组完全可行；汽轮机冷端损失被充分利用，提高了全厂热效率，对于节能降耗有很大意义；结合该厂实际供热条件及环境，在热网首端设置热网加热器，在供热负荷较大时起到调节供水温度的作用；汽轮机低真空供热，在将主蒸汽流量增加到460t/h的条件下，汽轮机电功率有所下降，相对内效率略有降低。

参考文献

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作者简介

崔冰（1976-），男，江苏丰县人，热能工程专业，硕士，讲师，主要研究方向为热力设备检修及节能改造。

李永乐（1987—），男，河北肃宁人，硕士研究生，主要从事航空与环境工程方面研究。