CN103823028B - 基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法，所述系统包括与地面工作站进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱周边均匀安装若干旋臂，所述旋臂末端设有旋翼，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱顶端还设有导航天线，所述支架上还设有若干液晶显示屏。本发明设计合理，实现了对烟气监测区域固定污染源烟气排放情况的机动、快速监测，是对常规烟气监测的有益补充。

Description

基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法

技术领域

本发明属于烟气排放监测技术领域，尤其涉及一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法。

背景技术

随着国内、特别是我国华北地区雾霾天数的增加，引起了民众对大气治理的关注。众所周知，由气体和烟尘形成的混合物——烟气，是污染大气的主要成分。烟气的成分很复杂，气体中包括水蒸汽、SO₂、N₂、O₂、CO、CO₂碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高温裂解产物等，因此烟气对环境的污染是多种毒物的复合污染，对其监测特别是对固定污染源烟气排放情况的监测从而实现有效治理具有重要的现实意义和社会价值。

固定污染源排放的烟气由于其浓度高（比如煤发电厂如果没有采取环保措施，其烟囱出口附近SO₂浓度达到几十～几百ppm，甚至上千ppm、湿度高、温度高（100℃以上），其测量的方式不同于普通环保中涉及的SO₂、NO的测量（普通环保测量一般在常温常压下进行，两者浓度均低于0.1ppm），需要采用特殊的技术才能实现监测。

目前监测分析烟气排放源的方法包括使用便携式烟气分析仪和在线式连续烟气分析仪，两者均需要在现场进行抽气，如发电厂烟囱特定位置进行钻孔取气，如图1所示，前期需要部署实施，无法实现对烟气排放源的快速、机动监测。

采用无人机进行环保监测技术也有公开，典型的中国发明专利（名称：污染气体无人机监测系统，申请号：201210528041.9），其实现的是常温常压浓度低的常规环保监测，无法满足环保部门对固定污染源高温高湿高浓度、强腐蚀烟气的监测需要。

发明内容

本发明的目的在于克服烟气监测现有技术对固定污染源现场条件的要求，提出一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法，一种不需要人员亲临现场的无人机技术，实现对固定污染源高温高湿烟气排放情况进行监测，满足我国环保部门对固定污染源烟气排放情况进行机动、快速监测的需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，包括飞行于固定污染源烟气排放位置附近的且与地面工作站通过无线通讯网进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱舱体采用耐高温高湿耐腐蚀的碳纤板，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱内部采用耐高温高湿强腐蚀的碳纤板作为隔板分为两个区：高温高湿强腐蚀区和常温区，其中直接接触待测量烟气的高温高湿强腐蚀区内设有烟气检测模块，常温区内设有无线传输模块、飞行控制模块和导航模块；所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱周边均匀安装若干旋臂，所述旋臂末端设有旋翼，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱顶端还设有导航天线，所述支架上还设有若干液晶显示屏，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱的烟气检测模块将检测到的数据分别传输给无线传输模块和飞行控制器，所述飞行控制器分别与无线传输模块和导航模块通信，所述无线传输模块与地面工作站通信，所述导航模块与导航天线连接。

所述烟气检测模块包括：依次串联连接的采样软管、温湿度传感器、汽水分离器、过滤器、单向阀、抽气泵和传感器腔，所述传感器腔上设有若干传感器，所述传感器腔与清洗泵连接。

所述烟气检测模块，能够在烟道温度0-650℃范围内正常工作；气泵采用德国THOMAS微型真空泵，能够在高温、高湿及强腐蚀气体环境中工作，泵流量能达到0.6升/分钟的恒定控制。

所述导航模块由高度计和GPS模块组成，高度计和GPS模块均与飞行控制模块连接，所述高度计采用测量气压方式，换算成无人机所处的高度值，满足无人机保持恒定高度飞行的需要。所述无人机通过GPS模块实时获取经纬度、高度、航迹方向、地速（指无人机相对于地面物体的速度）等信息。

一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统的监测方法，无人机通过飞行控制飞行到设定的高度及二维水平位置信息后，无人机保持飞行的高度不变，启动抽气泵，烟气检测模块开始工作，进行烟气信息的采集，采集的数据存储到无人机上和/或通过无线传输模块发射到地面工作站，无人机飞行的水平位置的调整由无人机上隔热隔湿耐腐蚀密封舱内的烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据确定，无人机飞行的垂直位置通过导航模块内部的高度计保持恒定高度，始终在设定的水平位置范围内朝高温及烟气浓度最高的位置飞行；无人机返回时，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作。

无人机的飞行控制有手工控制和自主飞行两种方式：

1）手工控制方式，由地面工作站进行遥控，无人机通过无线传输模块接收到遥控信号后，进行起飞，无人机到达设定高度后，保持此高度进行水平面飞行，寻找监测的中心点，如果监测发电厂的烟气排放情况，以烟囱口的中心位置作为无人机水平飞行的中心位置，在该中心位置附近，操作人员根据机载烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据，调整无人机朝温度及烟气浓度较高处飞行，测试完成后，通过遥控，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机按照收到的遥控指令进行返航；

2）自主飞行方式，无人机在起飞前，设定飞行的轨迹以及飞行后到达的高度及水平面中心点位置，地面工作站发出起飞指令后，无人机根据设定的轨迹进行飞行，抵达设定的高度及水平面中心点位置后，抽气泵及烟气检测模块开始工作，无人机根据机载烟气检测模块测得的温湿度及烟气浓度数据，飞行控制模块保持恒定的高度调整无人机朝高温及烟气浓度较高处进行水平飞行，测试完成后，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机根据设定的飞行轨迹进行返航。

在手工控制方式飞行中，烟气监测得到的烟气浓度及温湿度数据及无人机飞行的实时位置信息数据需要通过无线的方式传送回地面工作站，通过这些数据，人为判断后，再发出飞行指令。自主飞行的方式，烟气监测得到的数据设定存储于机载的存储设备上，也能够通过无线的方式传送回地面工作站。

所述无人机的飞行控制方法，依据需要的俯仰角、油门、滚转角，结合飞机当前的姿态和飞行控制方法公式解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的偏航角、俯仰角、滚转角。

所述无人机的飞行控制方法公式是：

其中，ψ的参数含义是偏航角，θ的参数含义是俯仰角，的参数含义是滚转角，x、y、z分别表示无人机飞行过程中的三维坐标。

无线传输模块，以RS232串口的方式与飞行控制模块相连，以无线的方式传输数据和视频。

本发明的有益效果：

1、可以满足环保部门对固定污染源烟气排放情况进行机动、快速监测需要，是对采用便携式烟气分析仪和在线式连续烟气分析仪（CEMS）进行常规烟气监测的有益补充；

2、基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，是专门为实现对固定污染源烟气排放情况的机动、快速监测而设计的，是对常规烟气监测手段的有益补充；

3、隔热隔湿耐腐蚀密封舱可以将高温高湿强腐蚀性的烟气气体流经烟气检测模块的同时，不对机载的包含导航模块、飞行控制模块、无线传输模块在内的电子器件以及其它诸如电机、旋翼等材料造成腐蚀。

4、所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱舱体采用耐高温高湿耐腐蚀的碳纤板，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱内部采用耐高温高湿强腐蚀的碳纤板作为隔板分为两个区：高温高湿强腐蚀区和常温区，可将烟气检测模块所涉及的可耐高温高湿耐腐蚀的气路与其它不能耐高温高湿腐蚀性气体的导航模块、飞行控制模块、无线传输模块隔离开，防止气路中高温高湿强腐蚀的烟气对此三模块正常工作的影响，保护模块中电子器件以及其它材料的安全。

附图说明

图1是固定污染源常规烟气分析仪检测示意图，采样探头深入到烟气排放源如发电厂烟囱内部；

图2是本发明基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统示意图，无人机在烟囱口上方所排出的烟气中进行检测；

图3是本发明的组成框图；

图4是烟气传感器模块组成框图；

图5是本发明涉及的隔热隔湿耐腐蚀密封舱设计图。

其中，1、采样软管；2、温湿度传感器；3、汽水分离器；4、过滤器；5、单向阀；6、抽气泵；7、传感器腔；8、O₂传感器；9、2号位传感器；10、3号位传感器；11、4号位传感器；12、5号位传感器；13、清洗泵；14、旋翼；15、支架；16、密封舱；17、导航天线；18、液晶显示屏；19、旋臂；20、烟气检测模块；21、无线传输模块；22、飞行控制模块；23、导航模块；24、无线通讯网；25、地面工作站；26、高温高湿强腐蚀区；27、常温区。

具体实施方式。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图2-5所示，一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，包括飞行于固定污染源烟气排放位置附近的且与地面工作站25通过无线通讯网24进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架15搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱16，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱16内部分为两个区：高温高湿强腐蚀区26和常温区27，其中高温高湿强腐蚀区26内设有烟气检测模块20，常温区27内设有无线传输模块21、飞行控制模块22和导航模块23；所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱16周边均匀安装若干旋臂19，所述旋臂19末端设有旋翼14，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱16顶端还设有导航天线17，所述支架15上还设有若干液晶显示屏18，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱16的烟气检测模块20将检测到的数据分别传输给无线传输模块21和飞行控制器，所述飞行控制器分别与无线传输模块21和导航模块23通信，所述无线传输模块21与地面工作站通信，所述导航模块23与导航天线17连接。

所述烟气检测模块20包括：依次串联连接的采样软管1、温湿度传感器2、汽水分离器3、过滤器4、单向阀5、抽气泵6和传感器腔7，所述传感器腔7上设有O₂传感器8；2号位传感器9；3号位传感器10；4号位传感器11；5号位传感器12，所述传感器腔与清洗泵13连接。

所述烟气检测模块20，能够在烟道温度0-650℃范围内正常工作；气泵采用德国THOMAS微型真空泵，能够在高温、高湿及强腐蚀气体环境中工作，泵流量能达到0.6升/分钟的恒定控制。

所述导航模块23由高度计和GPS模块组成，高度计和GPS模块均与飞行控制模块连接，所述高度计采用测量气压方式，换算成无人机所处的高度值，满足无人机保持恒定高度飞行的需要。所述无人机通过GPS模块实时获取经纬度、高度、航迹方向、地速（指无人机相对于地面物体的速度）等信息。

系统由飞行于空中的无人机以及部署于地面的工作站组成，无人机上搭载有导航模块23（含高度计）、烟气检测模块20（含抽气泵、温湿度传感器2，可检测一个及一个以上的烟气典型参数，如CO、SO2、NO等）、飞行控制模块22、隔热隔湿耐腐蚀密封舱16以及进行数据通信的无线传输模块21，以上所述模块除隔热隔湿耐腐蚀密封舱16外通过电路彼此相连，实现数据的交互、飞行的控制以及监测数据的采集和传输。待检测的气体通过气泵从舱外吸收到舱内。

在进行烟气监测时，烟气检测模块20采集的数据可以进行本地保存或通过无线传输模块21传输到部署于地面的基站进行保存分析及后期处理。

无人机的飞行控制有手工控制和自主飞行两种方式：1）手工控制方式，采用地面工作站遥控的方式对无人机的飞行轨迹进行控制，从起飞点向设定的三维坐标进行飞行，飞行过程涉及的位置信息由高度计以及GPS或北斗导航系统反馈到地面工作站，再由地面工作站对无人机进行手工控制；2）自主飞行方式，对无人机设定高度坐标以及二维水平位置坐标，飞行过程中无人机实时所处的高度和二维水平位置信息分别由机载高度计提供和GPS（或北斗）系统提供。

根据本发明的设计目标和准备实现的功能，结合附图3对本发明的具体实施方式进行详细说明。

系统由部署于地面的工作站以及飞行于空中的无人机组成。其中地面工作站包含地面无线传输模块21、展示模块和遥控模块，采用军用安全箱，接收、显示、保存飞行器的信息，规划飞行航线，并可以遥控方式对无人机的飞行及烟气采集进行控制。机载各模块组成如下：

无人机采用多旋翼机型，自重1200g，巡航速度及爬升速度分别为15m/s和10m/s，满载情况下能够持续飞行30分钟。导航模块23中，高度计采用测量气压方式，换算成无人机所处的高度值，满足无人机保持恒定高度飞行的需要。无人机通过GPS实时获取经纬度、高度、航迹方向、地速（指无人机相对于地面物体的速度）等信息导航模块23获取。另外还配有惯性测量单元(三轴陀螺，三轴加速度计)，测量三轴角速度、三轴加速度、配合三轴磁力计或GPS测得的方向数据进行校正，计算出飞机姿态。

烟气检测模块20如图4所示，其中箭头表示烟气的流动方向，烟气检测模块20可在烟道温度0-650℃范围内正常工作，其中抽气泵采用德国THOMAS微型真空泵，可以在高温、高湿及强腐蚀气体环境中工作，泵流量能达到0.6升/分钟的恒定控制，典型的烟气气体如NO气体浓度测量范围达到0～1000ppm，SO2气体浓度测量范围达到0～5000ppm，烟尘浓度测量范围0～4000mg/m3。

飞行控制模块22，采用两级PID控制方式，第一级是导航级，第二级是控制级。导航级PID控制解决飞机如何以预定空速飞行在预定高度的问题，以及如何转弯飞往目标问题，通过算法给出飞机需要的俯仰角、油门和横滚角，然后交给控制级进行控制解算。控制级的任务就是依据需要的俯仰角、油门、横滚角，结合飞机当前的姿态解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的俯仰角，横滚角和偏航角。

无人机的飞行控制有手工控制和自主飞行两种方式：1）手工控制方式，由地面工作站进行遥控，无人机通过无线模块接收到遥控信号后，进行起飞，无人机到达设定高度后，保持此高度进行水平面飞行，寻找监测的中心点，如果监测发电厂的烟气排放情况，以烟囱口的中心位置作为无人机水平飞行的中心位置，在该中心位置附近，操作人员根据机机载烟气检测模块测得的烟气浓度（烟尘、SO2、NO三浓度参数）以及温湿度数据，调整无人机朝温度及烟气浓度较高处飞行，测试完成后，通过遥控，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机按照收到的遥控指令进行返航。2）自主飞行方式，无人机在起飞前，设定飞行的轨迹以及飞行后到达的高度及水平面中心点位置，地面工作站发出起飞指令后，无人机根据设定的轨迹进行飞行，抵达设定的高度及水平面中心点位置后，抽气泵及烟气检测模块开始工作，无人机根据机载烟气检测模块测得的温湿度及烟气浓度数据，飞行控制模块保持恒定的高度调整无人机朝高温及烟气浓度较高处进行水平飞行，测试完成后，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机根据设定的飞行轨迹进行返航。

在手工控制飞行中，烟气监测得到的烟气浓度及温湿度数据及无人机飞行的实时位置信息数据需要通过无线的方式传送回地面工作站，通过这些数据，人为判断后，再发出飞行指令。自主飞行的方式，烟气监测得到的数据可以设定存储于机载的存储设备上，也可以通过无线的方式传送回地面工作站。

无线传输模块以RS232串口的方式与飞行控制模块相连。具有超远的无线数据传输距离，户外无遮挡情况下最远可以达到64公里，即使是在室内也可以达到900米的传输距离，工作在ISM900M频段，数据吞吐量达到115.2kbps，另外还具有一个RPSMA天线接口。

飞行控制算法是进行姿态解算，姿态解算的核心在于旋转的控制，一般旋转有4种表示方式：矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适合变换向量，欧拉角最直观，轴角表示则适合几何推导，而在组合旋转方面，四元数表示最佳。姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量，因此本发明中采用的飞行控制算法采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。下面介绍一下四元数，然后给出几种旋转表示的转换。

四元数可以理解为一个实数和一个向量的组合，也可以理解为四维的向量。这里用一个圈表示q是一个四元数。

四元数的长度（模）与普通向量相似。

下面是对四元数的单位化，单位化的四元数可以表示一个旋转。

四元数相乘，实现旋转组合实现。

$\left\{\begin{array}{c}{w}_0=w_1{w}_2-x_1{x}_2-y_1{y}_2-z_1{z}_2\\ x_0=w_1{x}_2+x_1{w}_2+y_1{z}_2-z_1{y}_2\\ y_0=w_1{y}_2-x_1{z}_2+y_1{w}_2+z_1{x}_2\\ z_0=w_1{z}_2+x_1{y}_2-y_1{x}_2+z_1{w}_2\end{array}\right.$

旋转的“轴角表示”转“四元数表示”。这里创造一个运算q(w,θ)，用于把绕单位向量w转θ角的旋转表示为四元数。

通过q(w,θ)，引伸出一个更方便的运算q(f,t)。有时需要把向量f的方向转到向量t的方向，这个运算就是生成表示对应旋转的四元数。

然后是“四元数表示”转“矩阵表示”。再次创造运算，用R(q)表示四元数q对应的矩阵。

多个旋转的组合可以用四元数的乘法来实现。

“四元数表示”转“欧拉角表示”。用于显示。

图5是本发明涉及的隔热隔湿耐腐蚀密封舱设计图，图中标号16白色线条为黑色线条延长线。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统的监测方法，

所述系统包括飞行于固定污染源烟气排放位置附近的且与地面工作站通过无线通讯网进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱舱体采用耐高温高湿耐腐蚀的碳纤板，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱内部采用耐高温高湿强腐蚀的碳纤板作为隔板分为两个区：高温高湿强腐蚀区和常温区，其中直接接触待测量烟气的高温高湿强腐蚀区内设有烟气检测模块，常温区内设有无线传输模块、飞行控制模块和导航模块；所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱周边均匀安装若干旋臂，所述旋臂末端设有旋翼，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱顶端还设有导航天线，所述支架上还设有若干液晶显示屏，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱的烟气检测模块将检测到的数据分别传输给无线传输模块和飞行控制器，所述飞行控制器分别与无线传输模块和导航模块通信，所述无线传输模块与地面工作站通信，所述导航模块与导航天线连接；

其特征是，无人机通过飞行控制飞行到设定的高度及二维水平位置信息后，无人机保持飞行的高度不变，启动抽气泵，烟气检测模块开始工作，进行烟气信息的采集，采集的数据存储到无人机上和/或通过无线传输模块发射到地面工作站，无人机飞行的水平位置的调整由无人机上隔热隔湿耐腐蚀密封舱内的烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据确定，无人机飞行的垂直位置通过导航模块内部的高度计保持恒定高度，始终在设定的水平位置范围内朝高温及烟气浓度最高的位置飞行；无人机返回时，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，无人机的飞行控制有手工控制和自主飞行两种方式：

1)手工控制方式，由地面工作站进行遥控，无人机通过无线传输模块接收到遥控信号后，进行起飞，无人机到达设定高度后，保持此高度进行水平面飞行，寻找监测的中心点，在该中心点附近，操作人员根据机载烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据，调整无人机朝温度及烟气浓度较高处飞行，测试完成后，通过遥控，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机按照收到的遥控指令进行返航；

2)自主飞行方式，无人机在起飞前，设定飞行的轨迹以及飞行后到达的高度及水平面中心点位置，地面工作站发出起飞指令后，无人机根据设定的轨迹进行飞行，抵达设定的高度及水平面中心点位置后，抽气泵及烟气检测模块开始工作，无人机根据机载烟气检测模块测得的温湿度及烟气浓度数据，飞行控制模块保持恒定的高度调整无人机朝高温及烟气浓度较高处进行水平飞行，测试完成后，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机根据设定的飞行轨迹进行返航。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，

所述无人机的飞行控制方法，依据需要的俯仰角、油门、滚转角，结合飞机当前的姿态和飞行控制方法公式解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的偏航角、俯仰角、滚转角；

所述无人机的飞行控制方法公式是：

其中，ψ的参数含义是偏航角，θ的参数含义是俯仰角，的参数含义是滚转角，x、y、z分别表示无人机飞行过程中的三维坐标。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述寻找监测的中心点是指如果监测发电厂的烟气排放情况，以烟囱口的中心位置作为无人机水平飞行的中心位置。