Оптичний безпілотний засіб для екологічного моніторингу якості повітря у міському середовищі

Abstract

This article presents the results of a comprehensive study, aimed at the development of an innovative optical unmanned aerial system designed for real-time air quality monitoring in urban environments. The main focus is on the application of the infrared optical absorption method, which allows for ive and sensitive detection of key air pollutants — carbon dioxide (CO₂), carbon monoxide (CO), methane (CH₄), sulfur dioxide (SO₂), and nitrogen dioxide (NO₂). The study thoroughly analyzes the sources, typical concentration ranges, and environmental impacts of these gases in urban air. The optimal absorption bands for each gas were ed based on spectroscopic data the HITRAN database, which improved the accuracy and ivity of measurements. A structural diagram of the sensor module is proposed and implemented, including an IR radiation source, photodetector, optical system, and a stabilized anti-vibration platform adapted for installation on a quadcopter-type UAV. The sensor's mathematical model is based on the Beer–Lambert–Bouguer law and considers the influence of temperature, pressure, altitude, optical path length, and absorption parameters. Special attention is given to the relationship between the output voltage of the photodiode and the gas concentration, enabling precise quantitative analysis. Experimental studies conducted in Vinnytsia confirmed the stable performance of the device under various atmospheric conditions and the reliability of the CO₂ concentration measurements. The recorded concentrations were within typical urban air levels, indicating the adequacy and practical value of the developed system. In conclusion, the efficiency of using a mobile optical sensor based on UAV for environmental air monitoring in urban settings is substantiated. Prospects for system enhancement are outlined, including the implementation of multi-gas analysis, wireless data transmission, and integration into smart urban environmental monitoring platforms.

Висвітлено результати комплексного дослідження, спрямованого на розробку інноваційного оптичного безпілотного засобу, який забезпечує оперативний контроль якості атмосферного повітря в реальних умовах урбанізованого середовища. Основний акцент поставлено на застосуванні інфрачервоного оптико-абсорбційного методу, який дозволяє селективно й чутливо виявляти концентрації ключових газів-забруднювачів — вуглекислого газу (CO₂), чадного газу (CO), метану (CH₄), сірчистого ангідриду (SO₂) та діоксиду азоту (NO₂). У дослідженні детально проаналізовано джерела, концентраційні межі та екологічні наслідки присутності цих газів у міському повітрі. Обґрунтовано вибір оптимальних смуг поглинання для кожного з газів на основі спектроскопічних даних з бази HITRAN, що дало змогу підвищити точність і селективність вимірювань. Запропоновано та реалізовано структурну схему сенсорного модуля, що включає джерело ІЧ-випромінювання, фотоприймач, оптичну систему та стабілізовану антивібраційну платформу, адаптовану для встановлення на БПЛА типу квадрокоптер. Математична модель функціонування сенсора базується на законі Бугера–Ламберта–Бера та враховує вплив температури, тиску, висоти над рівнем моря, довжини оптичного шляху та параметрів поглинання. Особливу увагу приділено залежності вихідної напруги фотодіода від концентрації досліджуваного газу, що дозволяє здійснювати точну кількісну оцінку. Результати експериментів, проведених у місті Вінниці, підтвердили стабільну роботу пристрою за різних атмосферних умов та достовірність вимірюваних значень CO₂. Отримані концентрації перебувають у межах, характерних для міського повітря, що свідчить про релевантність та практичну цінність розробленого засобу. У підсумку доведено ефективність використання мобільного оптичного сенсора на базі БПЛА для екологічного моніторингу в умовах міста. Окреслено перспективи вдосконалення системи шляхом реалізації мультигазового аналізу, впровадження бездротової передачі даних та інтеграції у смарт-системи управління міським середовищем.