邊界氣象要素的模式分析

導(dǎo)語：邊界氣象要素的模式分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1探測(cè)模式需求分析

2013年，我國中東部地區(qū)平均霾日數(shù)為1961年以來最多的一年．其中，北京、天津、江蘇、安徽、浙江、河南、河北等地區(qū)，霾日數(shù)超過100d［3］．全國各地持續(xù)的嚴(yán)重灰霾污染問題成為今年全國兩會(huì)備受關(guān)注的關(guān)鍵議題之一．在已經(jīng)公布的31個(gè)省份2014年政府工作報(bào)告中，有29個(gè)省份(僅寧夏和西藏沒有明確)提出治理大氣污染，北京市首次將氣溶膠細(xì)粒子(PM2.5)年均濃度的下降指標(biāo)寫入政府工作報(bào)告．霾污染的綜合治理已迫在眉睫．20世紀(jì)末期，文獻(xiàn)［4-5］就明確指出大氣邊界層的氣象條件對(duì)霾的形成、分布、維持與消散起著決定作用．由于實(shí)際地表下墊面的非均勻性(特別是城市化速度加快，高樓林立)和大氣邊界層過程的多尺度性及湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，使得邊界層內(nèi)的氣象要素和污染物濃度分布通常表現(xiàn)為明顯的非均勻性．因此對(duì)大氣邊界層氣象要素實(shí)施空間網(wǎng)絡(luò)化同步觀測(cè)，對(duì)于充分認(rèn)識(shí)霾污染的綜合特征，為預(yù)防、治理霾污染提供最優(yōu)決策依據(jù)具有重要的科學(xué)意義．但是，目前這方面的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和研究工作主要基于多點(diǎn)同步的地基觀測(cè)輔以風(fēng)廓線雷達(dá)、系留氣艇探空等觀測(cè)手段［6-7］，無法就邊界層內(nèi)某一特定的氣象現(xiàn)象進(jìn)行針對(duì)性觀測(cè)，一些重要的非均勻邊界層氣象現(xiàn)象(如城市霾污染三維結(jié)構(gòu)特征、城市熱島環(huán)流、城市冠層懸浮逆溫和急流、熱內(nèi)邊界層、海陸風(fēng)等)的物理過程、結(jié)構(gòu)和圖像尚不清晰．為了研究較大尺度的非均勻性(下墊面的熱力、動(dòng)力性質(zhì)的不均勻)對(duì)局地氣候環(huán)境影響，綜合多種觀測(cè)手段的空間網(wǎng)絡(luò)立體同步觀測(cè)勢(shì)在必行．實(shí)際上，大氣邊界層氣象要素空間網(wǎng)絡(luò)化同步觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于大氣邊界層動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)、城市污染物濃度分布的多尺度三維結(jié)構(gòu)、局地突發(fā)性大氣污染應(yīng)急及評(píng)估、城市群多尺度熱島強(qiáng)迫環(huán)流、海陸環(huán)流、數(shù)值模式中邊界層過程參數(shù)化等研究與應(yīng)用均有著深遠(yuǎn)的理論意義與廣闊的應(yīng)用前景．

2探測(cè)模式優(yōu)勢(shì)分析

本文根據(jù)大氣邊界層氣象研究對(duì)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的需求，在充分利用多旋翼無人機(jī)自主巡航、定點(diǎn)懸浮性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合可研發(fā)出的協(xié)同探測(cè)、追蹤探測(cè)、自主避障等功能，初步設(shè)計(jì)了多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素業(yè)務(wù)流程(如圖2所示)，隨著研究與試驗(yàn)的深入，將逐步完善．從圖2可以看出，該探測(cè)模式主要特點(diǎn)是觀測(cè)的針對(duì)性強(qiáng)、具有智能追蹤探測(cè)和空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同步觀測(cè)等功能．目前的探測(cè)技術(shù)與手段通常是單點(diǎn)、單線觀測(cè)(鐵塔觀測(cè)是點(diǎn)測(cè)，系留氣艇、風(fēng)廓線雷達(dá)等是垂直向線測(cè)，無人遙測(cè)飛機(jī)是橫向線測(cè))，無法獲取完整的三維同步的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，難以充分滿足當(dāng)前大氣邊界層理論研究與業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求．如果運(yùn)用多旋翼無人機(jī)群對(duì)大氣邊界層氣象要素進(jìn)行協(xié)同探測(cè)，不但可以增加局地氣象現(xiàn)象平面與空間氣象要素?cái)?shù)據(jù)密度，還可以依據(jù)目標(biāo)探測(cè)對(duì)象(如城市熱島的三維結(jié)構(gòu))的氣象要素特征不斷調(diào)整機(jī)群空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同探測(cè)與追蹤探測(cè)，獲取不同空間位置的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，是一種動(dòng)態(tài)的空間網(wǎng)絡(luò)同步氣象要素探測(cè)理念．顯然，這一探測(cè)技術(shù)與方式是現(xiàn)有氣象探測(cè)技術(shù)與手段的重要補(bǔ)充．

3探測(cè)模式可行性分析

近年來，多旋翼無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)在災(zāi)后救援、交通運(yùn)輸、城市管理、精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域投入使用［8-14］．根據(jù)大氣邊界層的高度范圍與氣象要素的探測(cè)需求，具有以下特點(diǎn)與功能的多旋翼無人機(jī)均滿足所述探測(cè)要求．1)機(jī)型特征:翼展＜1.5m，重量6～12kg，有效載荷＞3kg．2)動(dòng)態(tài)性能:巡航速度0～3m/s(直流驅(qū)動(dòng)即可)，續(xù)航時(shí)長(zhǎng)＞1h，飛行高度(離地面)≥3km，可定點(diǎn)懸停，穩(wěn)定性能好(復(fù)位能力強(qiáng))，定位誤差經(jīng)度方向＜2m、緯度方向＜2m、海拔高度＜5m，自主起飛，自主定點(diǎn)降落．3)搭載設(shè)備:自帶計(jì)算機(jī)(CPU＞2.0G，內(nèi)存＞4M，內(nèi)嵌實(shí)時(shí)系統(tǒng))、GPS(經(jīng)緯度測(cè)量誤差＜±1.5m，高度＜±5m，更新頻率＞4Hz)、激光測(cè)距掃描儀(更新頻率＞100Hz，可測(cè)距離＞30m)、相機(jī)、氣象傳感器(風(fēng)、溫、濕、壓等)、無線通信設(shè)備(有效距離＞5km)．4)系統(tǒng)性能:自主性、協(xié)調(diào)性、靈活性、容錯(cuò)性．例如，本文作者之一王偉教授，從2005年開始研究多旋翼無人機(jī)，2012年創(chuàng)辦了“南京傲翼偉滕自動(dòng)化科技有限公司”，最新研制的Awing-LA型六旋翼無人機(jī)(圖3)具有定點(diǎn)懸浮、穩(wěn)定性能好(復(fù)位能力強(qiáng))、自主巡航、自主定點(diǎn)起降、容錯(cuò)性等功能．關(guān)于無人機(jī)群的編隊(duì)控制、任務(wù)分配、路徑規(guī)劃、通信延遲、空中避障等已有許多相關(guān)研究成果［15-30］．研究方法包括PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等［31-43］．

4探測(cè)模式挑戰(zhàn)性問題

多旋翼無人機(jī)雖然有成本低、飛行靈活、空中定點(diǎn)懸停、起降方便等特點(diǎn)，但實(shí)施多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素模式，還是面臨如下基本問題:探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、合理減輕機(jī)載負(fù)荷、機(jī)群自主協(xié)同作業(yè)以及探測(cè)平臺(tái)的開發(fā)等．1963年，美國氣象學(xué)家洛侖茲［44］發(fā)表了“確定性的非周期流”一文，通過“蝴蝶效應(yīng)”說明了初始?xì)庀髷?shù)據(jù)的質(zhì)量是提高數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的重要因素．因此，實(shí)施多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素業(yè)務(wù)，對(duì)其探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制至關(guān)重要．而使用多旋翼無人機(jī)探測(cè)氣象要素時(shí)，影響探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有4個(gè):1)空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)結(jié)構(gòu)是否科學(xué)，關(guān)系到所獲空間網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的有效率;2)傳感器與定位儀自身的精度誤差，直接造成探測(cè)數(shù)據(jù)誤差;3)多旋翼無人機(jī)處于巡航或者定點(diǎn)懸停狀態(tài)時(shí)是否穩(wěn)定，關(guān)系到數(shù)據(jù)的精確度;4)多旋翼無人機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)形成的高頻噪聲，影響傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)的精度．減輕機(jī)載負(fù)荷無非是盡可能選取質(zhì)量輕的機(jī)載設(shè)備，因此，需要研究如何輔以不增加質(zhì)量的技術(shù)與方法，彌補(bǔ)機(jī)載設(shè)備性能上的不足．比如，不能選取精度很高的GPS，這就需要研究如何控制探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題;又如，利用3D成像實(shí)現(xiàn)空中避障技術(shù)很成熟，但是，設(shè)備重，計(jì)算量大，所以，需要研究利用2D掃描輔以科學(xué)算法實(shí)現(xiàn)空中有效避障．此外，機(jī)群自主協(xié)同作業(yè)無疑是對(duì)大氣邊界層實(shí)施空間網(wǎng)絡(luò)同步動(dòng)態(tài)觀測(cè)的關(guān)鍵的基本保障．探測(cè)平臺(tái)的開發(fā)顯然是必要的．結(jié)合前述對(duì)大氣邊界層實(shí)施空間網(wǎng)絡(luò)同步動(dòng)態(tài)觀測(cè)的需求，實(shí)施多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素業(yè)務(wù)，涉及科學(xué)問題包括:1)如何構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的探測(cè)模型，使得所獲三維氣象要素?cái)?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)更科學(xué)，更有應(yīng)用價(jià)值;2)如何實(shí)行自主協(xié)調(diào)控制，保證在無人操作的前提下，順利完成預(yù)定探測(cè)任務(wù);3)如何利用2D掃描地圖復(fù)原3D環(huán)境，使多旋翼無人機(jī)在自主巡航過程中能有效避障;4)如何增強(qiáng)多旋翼無人機(jī)的抗干擾能力，提高探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量;5)多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素平臺(tái)需具有哪些功能，方可保證探測(cè)試驗(yàn)、運(yùn)行的科學(xué)性與安全性．圖4描述了多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)過程中挑戰(zhàn)性問題產(chǎn)生的環(huán)節(jié)．大氣邊界層氣象現(xiàn)象種類繁多，且具有多尺度、非線性、非均勻性以及特征邊界模糊等特性，給空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與學(xué)習(xí)帶來困難．它既不屬于基于圖像的建模，也不屬于基于動(dòng)態(tài)特性的建模，因此，對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)．所以，如何針對(duì)不同氣象現(xiàn)象構(gòu)建不同的空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)模型，并能通過學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化探測(cè)模型是擬解決的關(guān)鍵問題之一．對(duì)應(yīng)的研究?jī)?nèi)容包括:1)基于大氣邊界層氣象現(xiàn)象基本特征的多旋翼無人機(jī)群初始探測(cè)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)定方法;2)多旋翼無人機(jī)群探測(cè)氣象要素?cái)?shù)據(jù)(包括經(jīng)緯度、海拔高度)的質(zhì)量控制;3)基于初始?xì)庀笠財(cái)?shù)據(jù)的空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)模型構(gòu)建;4)基于氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)在線自主學(xué)習(xí)并自主協(xié)同調(diào)整空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)結(jié)構(gòu)．由于直流驅(qū)動(dòng)的旋翼無人機(jī)質(zhì)量輕、體積小，且巡航或者定點(diǎn)懸停時(shí)不能變更形體結(jié)構(gòu)，所以不宜通過增強(qiáng)其魯棒性與自適應(yīng)性以抗拒干擾，必須另辟蹊徑．鑒于“隨機(jī)干擾”對(duì)鎮(zhèn)定動(dòng)態(tài)系統(tǒng)具有積極作用，故擬研究如何利用干擾采用軟恢復(fù)方式使旋翼無人機(jī)保持穩(wěn)定(短時(shí)間復(fù)位能力)．隨機(jī)鎮(zhèn)定理論表明隨機(jī)干擾不僅可以使穩(wěn)定的系統(tǒng)更穩(wěn)定，還可以使不穩(wěn)定系統(tǒng)變成穩(wěn)定，類似于以毒攻毒．但如何利用隨機(jī)鎮(zhèn)定理論設(shè)計(jì)隨機(jī)干擾器來增強(qiáng)多旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定性卻無據(jù)可尋．隨機(jī)干擾器的設(shè)計(jì)方法及技巧自然是擬研究的關(guān)鍵問題之一．大氣邊界層內(nèi)某些氣象現(xiàn)象呈現(xiàn)出隨時(shí)空動(dòng)態(tài)復(fù)雜變化的特征(如夜間低空急流)，為了清晰認(rèn)識(shí)其在不同區(qū)域出現(xiàn)的位置、尺度、強(qiáng)度等特征，需要對(duì)其實(shí)施追蹤探測(cè)獲取相應(yīng)的空間網(wǎng)絡(luò)化氣象要素動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)．這也是研究難點(diǎn)之一．研究?jī)?nèi)容包括:1)多旋翼無人機(jī)群中長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)的協(xié)調(diào)控制方案與原則;2)無線通信協(xié)議;3)基于多元數(shù)據(jù)融合的機(jī)群空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)與航跡優(yōu)化;4)自主協(xié)同進(jìn)行追蹤探測(cè)，并保持一致性．多旋翼無人機(jī)在巡航過程中，可能遇到的障礙物既有靜態(tài)式，也有動(dòng)態(tài)式．其中，靜態(tài)障礙物主要源自下墊面，動(dòng)態(tài)障礙物包括其他多旋翼無人機(jī)以及多旋翼無人機(jī)群以外的不明飛行物．因此，針對(duì)不同的障礙物類型，需要研究如何有效避障并自主恢復(fù)到原定巡航路徑上．3D地圖構(gòu)建是解決無人機(jī)自主飛行、實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃、未知區(qū)域探索、自主避障等系列問題的基礎(chǔ)，但3D激光測(cè)距掃描儀設(shè)備重，計(jì)算量大，耗能高，不適宜多旋翼無人機(jī)使用．因此，如何利用2D激光測(cè)距掃描儀獲取2D地圖輔以先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)3D地圖的實(shí)時(shí)構(gòu)建也是擬研究的關(guān)鍵問題之一．關(guān)于多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素平臺(tái)開發(fā)，包括長(zhǎng)機(jī)的協(xié)同、容錯(cuò)控制，僚機(jī)的數(shù)據(jù)感知、自主定位、自主巡航、自主避障、自主定點(diǎn)降落，以及多旋翼無人機(jī)群探測(cè)大氣邊界層地面實(shí)時(shí)監(jiān)控等模塊的分析與集成．雖然平臺(tái)開發(fā)中系統(tǒng)分析尤為關(guān)鍵，但由于機(jī)載計(jì)算機(jī)容量有限，實(shí)時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)相對(duì)較大，因此，如何科學(xué)關(guān)聯(lián)、融合各個(gè)模塊，使系統(tǒng)具有高度自主性、協(xié)調(diào)性、靈活性、容錯(cuò)性等性能以及地面實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，自然也是擬研究的關(guān)鍵問題之一．

5挑戰(zhàn)性問題研究思路

多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此，需要運(yùn)用系統(tǒng)論的思想與方法，對(duì)相關(guān)理論與技術(shù)進(jìn)行研究．1)關(guān)于建模與學(xué)習(xí)的研究，可以依據(jù)大氣邊界層動(dòng)力結(jié)構(gòu)、熱力結(jié)構(gòu)理論，在分析氣象現(xiàn)象基本特征的基礎(chǔ)上，依據(jù)體現(xiàn)其特征的主要?dú)庀笠?或各氣象要素的加權(quán)融合)構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)模型，并在建立氣象要素梯度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于矢量的迭代學(xué)習(xí)方法，不斷完善空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)結(jié)構(gòu)．2)關(guān)于自主追蹤的研究，以追蹤風(fēng)速為例，首先根據(jù)多旋翼無人機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)與大小，通過實(shí)驗(yàn)取得多旋翼無人機(jī)處于空中懸浮狀態(tài)時(shí)，風(fēng)速與多旋翼無人機(jī)被動(dòng)前進(jìn)速度的關(guān)系曲線，再綜合實(shí)時(shí)探測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向以及多旋翼無人機(jī)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、海拔高度構(gòu)建向量場(chǎng)，最后運(yùn)用基于矢量的迭代學(xué)習(xí)方法，計(jì)算多旋翼無人機(jī)應(yīng)具備的速度與飛行方向，實(shí)現(xiàn)自主追蹤探測(cè)．3)關(guān)于自主空間避障的研究，可考慮采用激光測(cè)距掃描儀，結(jié)合多旋翼無人機(jī)及時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)算法，實(shí)時(shí)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行分析判斷，從而檢測(cè)出可能對(duì)飛行產(chǎn)生阻礙的物體，以便重新規(guī)劃多旋翼無人機(jī)的飛行軌跡，實(shí)現(xiàn)空間避障．可參考的使用方法有人工勢(shì)場(chǎng)法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法以及基于進(jìn)化計(jì)算的避障方法等［45-53］．4)基于2D激光掃描所獲得的2D特征信息，加入高度信息即可構(gòu)建出每個(gè)高度平面的2D地圖．在此基礎(chǔ)上，融合Octomap和HectorSLAM方法即可實(shí)現(xiàn)3D地圖實(shí)時(shí)構(gòu)建與無人機(jī)的自我定位．圖5是對(duì)應(yīng)的SLAM算法流程．5)關(guān)于隨機(jī)干擾器的設(shè)計(jì)，可以通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出多旋翼無人機(jī)受擾動(dòng)大小與振動(dòng)幅頻特性的關(guān)系，再依據(jù)隨機(jī)鎮(zhèn)定理論［54-59］計(jì)算確定隨機(jī)干擾器的干擾強(qiáng)度，用以抵消或減輕低頻振動(dòng)等隨機(jī)干擾對(duì)多旋翼無人機(jī)穩(wěn)定性的影響．

6探測(cè)模式系統(tǒng)分析

多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素業(yè)務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示．

7總結(jié)

本文就多旋翼無人機(jī)群自主探測(cè)大氣邊界層氣象要素模式進(jìn)行了分析，提出了具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)探測(cè)理念，并賦予氣象要素?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量控制的新含義．同時(shí)指出，為實(shí)現(xiàn)該探測(cè)模式，還需要在分析大氣邊界層氣象現(xiàn)象特征的基礎(chǔ)上，研究空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與學(xué)習(xí)方法;建立基于空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分層自主控制理論，實(shí)現(xiàn)基于空間網(wǎng)絡(luò)探測(cè)結(jié)構(gòu)的航跡優(yōu)化與協(xié)同控制;研究基于氣象要素梯度方向場(chǎng)的迭代學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)自主追蹤梯度方向的探測(cè)技術(shù);采用擴(kuò)展卡爾曼濾波和粒子濾波算法，完成基于2D分層圖像的3D環(huán)境復(fù)原，實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)空中有效避障功能;設(shè)計(jì)基于隨機(jī)鎮(zhèn)定理論的隨機(jī)干擾器，增強(qiáng)多旋翼無人機(jī)巡航與定點(diǎn)懸浮的穩(wěn)定性，以獲取更高質(zhì)量的氣象要素?cái)?shù)據(jù)．

作者：羅琦王偉陸振宇姜海梅張雨田苗國英夏俊榮王成剛