如何让翱翔于城市和乡野上空的无人机不仅“看得见”，更能“嗅得到”，成为衡量其智能化水平和应用深度的关键。近日，中国民航大学陈达教授团队取得重大技术突破，成功研发出一款微型化机载高灵敏气体传感模组，并以此为核心，构建了全球领先的“飞-感-算”一体化监测终端。该终端巧妙地将大气中一氧化碳（CO）的三维浓度场精准绘测与无人机自身锂电池热失控气体早期预警两大核心功能融为一体，通过与无人机飞控系统的深度耦合，真正意义上将无人机转化为能够实时、精准感知化学信息的空中“嗅觉神经元”。

这项开创性研究成果已在国际传感器领域的顶级期刊《ACS Sensors》上发表，第一作者是中国民航大学交通科学与工程学院副教授练美玲，标志着中航大团队在低空环境智能感知领域占据了前沿地位。《ACS Sensors》以其高影响力和对前沿传感技术的严格筛选而闻名，在此发表成果代表了该研究的创新性与国际认可度。这一成绩是中国民航大学贯彻落实第三次党代会精神、扎实推进“双一流”建设的重要阶段性成果，将为低空经济在环保、应急、城市管理等领域的深度应用开辟了广阔空间。

1.研发背景与重大意义：破解低空大气感知“嗅不到的难题”

随着我国将低空经济提升至国家战略高度，无人机在物流、巡检、测绘等领域的应用日益普及。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，传统无人机搭载的视觉传感器（如摄像头）只能解决“看见”的问题，对于大气中无色无味的有害气体、污染物的分布和扩散等“看不见”的威胁，则显得力不从心。

这项技术的研发，旨在解决以下三大痛点问题：

传统环境监测的“点状”局限：传统的环境监测主要依赖地面固定的监测站，其布局稀疏、数据更新慢，无法提供高时空分辨率的污染物空间分布信息，尤其难以捕捉城市或工业园区复杂环境下污染物的立体扩散规律。在面对突发污染和安全事件时，这种“点状”监测模式往往反应迟缓，难以支撑精准决策。

应急响应中的“信息黑洞”：在化学品泄漏、火灾等突发事件中，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 。

无人机自身飞行的“达摩克利斯之剑”：作为无人机主动力源的锂电池，其热失控问题是导致飞行事故的主要原因之一。传统电池管理系统（BMS）通常基于电压和温度进行监测，但当检测到异常时，往往为时已晚。如何实现锂电池热失控气体的极早期预警，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。

因此，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。

2. 技术亮点与核心突破：从“挂载”到“融合”的质变

与市面上简单的“无人机+传感器”挂载方案不同，本团队的技术核心在于实现了从硬件到软件的“深度融合”与“智能协同”，其技术亮点主要体现在以下四个方面：

（1）感知性能：微型化与高灵敏度的有机结合

团队突破了微型化机载高灵敏气体传感器件制备技术，该模组在仅有硬币大小的体积内，以NiCo₂O₄-Ti₃C₂ MXene纳米复合材料为“嗅觉”神经元，成功开发高性能一氧化碳（CO）传感单元，其性能指标达到了国际领先水平：检测限低至ppm（百万分之一）级别，这与大型、昂贵的地面分析仪器的精度相媲美，使其能捕捉到低空环境中极其微弱的CO浓度变化。同时，气体响应时间压缩至秒级，确保了在无人机高速飞行过程中仍能进行实时、准确的采样分析。

（2）一专多能：大气环境监测与电池热失控预警的巧妙结合

该模组创新性地实现了“一专多能”。一方面，它能精准检测大气环境中作为关键污染物指标的CO，为环保监测服务。另一方面，团队通过深入研究锂电池热失控的化学过程，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。该模组能够灵敏地捕捉到无人机电池仓内极其微量的CO浓度异常，实现比传统温感、压感预警方式提前数十分钟的极早期预警，为无人机采取紧急迫降或返航等安全措施争取了宝贵的时间窗口。

（3）深度耦合：打造“会思考”的空中感知神经元

与无人机飞控系统的“深度耦合”是本次技术突破的灵魂。传感模组并非简单地通过通用接口（如UART）传输数据，而是将传感模组的数据处理单元与无人机的MiniFly飞控系统、在底层协议层面进行了深度整合，真正将传感器件转变为无人机飞控系统模组。团队开发了专门的软件协议栈，兼容主流的MAVLink、TTL等通信协议，使传感器数据能被飞控系统实时解析和调用。

上述耦合带来了以下革命性的变化：1）自主飞行决策：当无人机在巡航中检测到CO浓度异常升高时，飞控系统可以根据预设算法，自主规划航线，对该区域进行更精细的网格化扫描或悬停重点监测，自动生成三维污染云图。2）智能安全响应：一旦电池热失控预警被触发，传感信号会直接向飞控系统发送最高优先级的指令，飞控系统将立即接管飞机控制权，自主执行规避人群、寻找安全场地紧急降落等一系列应急预案，最大程度保障地面人员和财产安全。

（4）“飞-感-算”一体化：构建敏捷高效的监测终端

通过上述技术融合，团队将无人机从一个简单的飞行平台，升级为一个集飞行、感知、计算于一体的智能化终端。机载的边缘计算单元能够对传感器采集的海量数据进行实时预处理和特征提取，极大减轻了后端数据中心的计算压力，实现了从数据采集到决策响应的闭环，为真正的“空天地一体化”智能巡检系统奠定了坚实基础。

团队发展的“飞-感-算”一体化技术有望为低空智能感知的核心赋能技术，其应用前景极为广阔，目前团队已在积极推动相关成果的转化与落地。

（1）智慧环保领域：城市大气污染“立体CT”扫描：部署无人机集群，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（如机动车尾气、工业偷排），为大气污染防治提供前所未有的决策依据。

（2）工业园区“环保管家”：在化工园区等高风险区域，无人机可7x24小时不间断巡检，实时监测潜在的气体泄漏点，替代传统的人工巡检，大幅提升效率和安全性。

（3）应急救援领域：1）突发化学品泄漏事故：在事故发生后，无人机可在黄金救援时间内迅速抵达现场，无惧毒害风险，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、环境洗消提供精确的科学指导。2）火灾现场态势感知：在大型火灾中，无人机可穿透浓烟，探测火场中的CO浓度，评估燃烧不充分区域和潜在的“回燃”风险，为消防员提供关键的生命安全信息。

（4）城市精细化管理：1）地下管网泄漏巡查：可用于城市燃气、热力等地下管网的日常巡检，通过检测地表逸散的微量特征气体，快速定位泄漏点。2）封闭空间作业安全保障：在对下水道、储罐等封闭空间进行维护作业前，可先派入微型无人机进行气体环境探测，确保作业人员安全。

（5）成果转化与应用现状：目前，团队已经完成了实验室验证和初步飞行测试，展现出卓越的稳定性和可靠性。团队正积极与国内多家领先的无人机系统集成商、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。同时，针对无人机锂电池热失控预警功能，团队正计划将其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普适性的安全解决方案。

展望未来，随着低空经济政策的持续加码和应用场景的不断深化，有充分的理由相信，这项让无人机拥有敏锐“嗅觉”的“飞-感-算”一体化感知技术，必将成为推动低空产业智能化升级的重要引擎之一，为建设更安全、更智慧、更绿色的低空经济贡献关键力量。

供稿：练美玲