给无人机装上“电子鼻”：中国团队突破低空大气精准感知技术

科技日报记者 陈曦

在中国民航大学，一架搭载特殊“电子鼻”的无人机正在进行飞行测试。它不仅具备常规的视觉感知能力，更能实时“嗅”出大气中百万分之一浓度的一氧化碳变化，并精准绘制其三维浓度分布图。

这项突破性技术的核心，是陈达教授团队研发的微型化机载气体传感模组。这个仅硬币大小的装置犹如无人机的“嗅觉神经”，以其为核心构建的“飞—感—算”一体化监测终端，实现了对大气环境的智能感知。

该研究成果近日发表在传感器领域国际期刊《美国化学会传感器》上，标志着我国在低空环境智能感知领域取得了重要进展。这项技术为无人机在环境监测、应急救援等领域的深度应用开辟了新的可能。

无人机感知“看得见”却“嗅不到”

在低空经济蓬勃发展的今天，无人机已广泛应用于物流配送、电力巡检、农业植保、测绘等诸多领域。然而，在环境监测和应急响应等对信息感知要求更高的场景中，传统无人机却面临着“看得见”却“嗅不到”的技术瓶颈。

“目前环境监测主要依靠地面固定监测站，这些站点虽然提供了基础数据支撑，但其‘点状’分布模式存在明显局限。”陈达指出，由于站点布局稀疏、数据更新慢，传统监测手段难以捕捉污染物在复杂环境中的立体扩散规律，特别是在应对突发污染事件时，往往难以为精准决策提供及时有效的数据支持。

更令人担忧的是应急响应中的“信息黑洞”。现场环境复杂且危险，救援人员难以靠近核心区域获取关键的化学物质浓度和扩散范围信息。无人机虽能抵近侦察，但若缺乏精准的化学传感能力，就如同“盲人摸象”，无法为科学划定警戒区、规划疏散路线、评估救援风险提供有效数据支持。

与此同时，无人机自身的安全问题也不容忽视。作为主要动力源的锂电池，其热失控问题犹如悬在无人机飞行安全之上的“达摩克利斯之剑”。“传统电池管理系统基于电压和温度监测的预警方式存在明显滞后性，当检测到异常时往往为时已晚。”陈达认为，实现锂电池热失控的极早期预警，是保障无人机飞行安全、推动低空经济规模化应用必须攻克的难题。

为了更好地释放无人机在低空经济中的潜能，使其在复杂应用场景中发挥更大价值，研发一种能够融入无人机飞控平台，兼具高灵敏度、快速响应和微型化特点的智能气体传感系统，构建一个动态、立体、精准的低空感知网络，已成为业界的迫切需求和技术竞争的制高点。

为无人机融入“嗅觉神经元”

与目前常见的“无人机+传感器”机械挂载方案不同，团队实现了从硬件到软件的深度融合与智能协同。陈达教授指出：“这并非简单的物理叠加，而是让传感器真正成为无人机感知系统的有机组成部分，如同为其嫁接上敏锐的‘嗅觉神经元’。”

团队突破了微型化机载高灵敏气体传感器件制备技术，成功研制出仅有硬币大小的传感模组。论文第一作者练美玲副教授介绍：“我们以纳米复合材料为‘嗅觉’神经元，成功开发了高性能一氧化碳传感单元。其检测限低至ppm级别，可与大型地面分析仪器的精度相媲美；同时，气体响应时间压缩至秒级。”

该传感模组创新性地实现了“一专多能”。它既能精准检测大气环境中的一氧化碳，服务于环保监测，又能预警无人机电池安全。陈达教授揭示了其原理：“通过深入研究锂电池热失控的化学过程，我们发现CO是电池内部电解液在早期分解阶段产生的特征气体之一。模组能够灵敏捕捉电池仓内极微量CO浓度异常，实现比传统预警方式提前数十分钟的极早期预警。”

技术突破的核心在于系统层面的深度整合。团队开发了专门的软件协议栈，兼容MAVLink、TTL等通信协议，实现了传感模组与飞控系统的深度耦合。练美玲强调：“这种深度耦合使传感数据能被飞控系统实时解析和调用，传感模组真正成为飞控系统的有机组成部分。”

这一创新使系统具备了智能响应能力：当检测到CO浓度异常时，飞控系统可自主规划航线进行精细扫描；一旦电池触发预警，系统将立即执行紧急预案。通过“飞—感—算”一体化设计，无人机从飞行平台升级为智能感知终端，实现了从数据采集到决策响应的闭环。

配备“电子鼻”可解锁更多领域

目前，该技术已完成实验室验证和初步飞行测试，展现出优异的性能稳定性。研究团队正在积极推进产业化进程，已与国内多家无人机系统集成商、智慧城市解决方案提供商以及环保、应急管理部门进行深度对接，为其在环保、应急等领域的深度应用提供了创新解决方案。

在智慧环保领域，无人机集群可对城市进行常态化、网格化的立体巡航监测，绘制高分辨率的实时3D污染地图，精准识别污染源头。在化工园区等高风险区域，无人机可进行7×24小时不间断巡检，实时监测潜在的气体泄漏点。

“在应急救援方面，事故发生后无人机可在黄金救援时间内迅速抵达现场，快速绘制出毒气云团的实时三维扩散图，为救援力量进入、群众疏散提供精确指导。”陈达举例说，在火灾现场，无人机可穿透浓烟探测CO浓度，评估燃烧不充分区域和潜在风险，为消防员提供关键安全信息。

在城市精细化管理中，该技术可用于城市燃气、热力等地下管网的泄漏巡查，通过检测地表逸散的微量特征气体快速定位泄漏点。在对下水道、储罐等封闭空间作业前，可先派无人机进行气体环境探测，确保作业人员安全。

团队目前已启动在国内某大型化工园区安全巡检的试点应用，同时计划将无人机锂电池热失控预警功能开发为标准化的独立早期预警模组，为整个无人机行业提供安全解决方案。