Couplage drones/capteurs : étude de faisabilité pour une application à la surveillance de la qualité de l'air

Le développement de plus en plus rapide des technologies de vol autonome attire l'attention de nombreux secteurs économiques mais également de divers domaines scientifiques. La diversité des drones aériens associée au faible encombrement et faible poids des capteurs pour la mesure de qualité de l'air laisse envisager des applications comme par exemple la possibilité d'instrumenter des zones difficiles d'accès avec des instruments classiques et/ou de réaliser des profils verticaux de concentration des principaux polluants en zones urbaines et rurale dans les 200 premiers mètres d’altitudes où les régimes chimiques varient très fortement à cause des processus de dispersion (très influencés par la rugosité du terrain) et d’émissions. Cependant, l'utilisation de capteurs pour la mesure de qualité de l'air en mobilité, de plus soumis à des changements rapides de niveaux de concentrations et de conditions climatiques, mérite d'être évaluée sur le plan métrologique.

Ainsi, l'Ineris a réalisé une première étude de faisabilité de ce type de couplage pour la mesure des particules, portant sur l’évaluation de l’impact d'un drone multirotor sur la mesure des capteurs PM, via l’influence de la distance entre le drone et les systèmes capteurs. Pour ce faire, le choix a été fait de prendre comme référence des mesures effectuées au moyen d'un compteur optique FIDAS. Ce dernier a été installé sur une Plateforme Elévatrice Mobile de Personnes (PEMP) de 18 mètres, en prenant soin d'installer les capteurs de PM à bas cout au même niveau que la tête de prélèvement du FIDAS. Le choix d'installer les capteurs et l'instrument de référence sur la même plateforme a été fait afin de faire varier, d’une part la distance entre une source de PM et les systèmes de mesure et d’autre part, la distance entre les systèmes de mesure et le drone.

Les résultats obtenus lors de cette étude ont montré la possible influence du drone multirotor sur une mesure effectuée à l'aide de capteurs. Si la comparaison des concentrations mesurées par capteurs et par FIDAS sur des niveaux de concentrations faibles en PM (air ambiant, PM₁ et PM_2,5 3 et PM₁₀ 3) n’a pas mis en évidence d’impact du drone multirotor (ratio mesure capteur/FIDAS non affecté par la distance du drone), cette même comparaison à des concentrations plus élevées (50 µg/m³ en moyenne) a mis en évidence, un impact de la distance du drone multirotor par rapport aux capteurs. Ainsi, une distance minimale à respecter de 2 m entre les capteurs et le drone multirotor a été estimée sur la base des essais menés.

Coupling drones/sensors: feasibility study for an application to air quality monitoring

The fast development of autonomous flight technologies is attracting the attention of many economic sectors but also of various scientific fields. The diversity of unmanned aerial vehicles (UAV commonly named drone) associated with the small size and low weight of sensors for air quality monitoring suggests applications such as the possibility of instrumenting hard-to-reach areas with conventional instruments and/or of carrying out vertical concentration profiles of the main pollutants in urban and rural areas in the first 200 metres of altitude where chemical regimes vary very strongly due to dispersion processes (highly influenced by the roughness of the terrain) and emissions. However, the use of sensors to measure air quality in mobility, which are also subject to rapid changes in concentration levels and climatic conditions, need to be evaluated from a metrological point of view.

Thus, Ineris carried out a first feasibility study of this type of coupling for PM measurement, focused on the evaluation of the impact of a multi-rotor UAV on the measurement of PM sensors, via the influence of the distance between the UAV and the sensor systems. To do this, the choice was made to use measurements taken using a FIDAS optical counter as a reference. The latter was installed on an 18-metre Mobile Elevating People Platform (MEWP), taking care to install the low-cost PM sensors at the same level as the FIDAS sampling head. The choice to install the sensors and the reference instrument on the same platform was made in order to vary the distance between a PM source and the measurement systems on one hand, and the distance between the measurement systems and the UAV on the other.

The results of this study showed the possible influence of the multi-rotor UAV on a sensor-based measurement. While the comparison of concentrations measured by the sensors and by the FIDAS on low PM concentrations (ambient air, PM₁ and PM_2.5 3 and PM₁₀ 3) did not showed any significant impact of the multi-rotor UAV (sensor/FIDAS measurement ratio not affected by the distance of the UAV), this same comparison at higher concentrations (50 µg/m³ on average) revealed an impact of the distance of the multi-rotor UAV from the sensors. Thus, a minimum distance of 2 m between the sensors and the multi-rotor UAV was estimated based on this first feasibility study.