CN106441633B - 一种低空矩阵化温湿度采样误差标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

一种低空矩阵化温湿度采样误差标定装置及标定方法，属于一种无人机在建筑领域的应用。包括两端被切削成上宽下窄样式的白色圆筒状遮光罩，表面覆盖有反光防辐射层，遮光罩下部为遮光罩底座，遮光罩底座上侧有一竖立的传感头支架，遮光罩底座的侧面有显示屏安放板，遮光罩底座的下侧有孔，长杆通过孔插入遮光罩底座，长杆上有一套管，套管两侧各有一个与长杆等直径的短安装头，短安装头端部设有软洗盘，所述的长杆另一端设有硬底座，硬底座根据测量需要与软吸盘互换。其优点和积极效果：准确标定时滞程度；适用于多种型号的微型无人机平台或电子温湿度计；易于布设，适应各种户外环境、可以现场标定；可用于不同飞行方向的滞后量标定。

Description

一种低空矩阵化温湿度采样误差标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及建筑环境评测，属于一种无人机在建筑领域的应用。

背景技术

1.建筑周边热物理环境采样的内容和价值。

建筑室内温湿度是否适宜，都会受到周边局地热环境的显著影响，因此中国历史上自然村落的选址历来非常重视选择宜居的微地形热环境，以达到“冬暖夏凉”的效果。在建筑遗产保护、乡村建设等科研领域都需要对村落的热环境进行采样，以评估中国古代朴素的节能与生态意识、居民生活质量，并对优秀传统文化、建筑技巧进行科学继承。热环境质量的重要相关因素很多，本专利针对其中最直接相关的建筑外部空气温度、空气湿度两项。

在可持续发展的社会背景下，人们对绿色建筑、节能建筑的需求越来越多，这也逐渐成为城乡规划、建筑设计、施工建造的新标准。现代建筑虽然带有室内热环境调节设备，但其节能效果与周边热环境特征亦密切相关，在设计新建筑之前，要对基地原有空间热环境进行采样，记录热环境参数，评估潜在的宜居程度，而在建筑施工完成并使用之后，还要对新的室内、外热分布现状进行重采样，前后比较以计量新建筑在室内热/冷能量向外损失的速度、范围等多方面的节能指标。因此，对于空气温湿度的采样也越来越普遍，成为现代建筑设计、城乡规划管理中不可或缺的一项工作。

2.目前常见的温湿度采样设备性能、指标及其用法。

目前空气温湿度的测量主要使用电子温湿度计，电子温湿度计一般由显示屏幕、传感头组成，很多类型的产品传感头是分体外置式的，方便放置于需要的位置。从测量速度来说，由于大部分电子温湿度计都尽量保持传感头外露，所以对于空气温湿度变化反应迅速，温度测量速度一般优于1摄氏度/2秒，即在温差突变1摄氏度的情况下，温湿度计需要两秒钟测量出新的温度数值。湿度传感器的反应和温度传感器相比稍慢。

由于一般电子温湿度计不能在空气中漂浮，所以测量空气温度的时候都是置于地面，有的时候为了消除地面热辐射、太阳热辐射对于空气温度测量值的影响，可以将温湿度计置于带有遮阳、通风的浅色容器中放置于桌面、三脚架等测量平台上。

对于需要持续测量并记录空气温湿度的需求，已有成熟的温湿度记录仪产品，将之放置在某一位置后可以自动间隔一段时间采集一次温湿度数据，并存储在内存储器中，测量完成后所有数据再一次性下载到计算机上，并可以转换为温湿度变化曲线图。此种微型的温湿度记录仪一般用于数小时至数天的温湿度记录，带有外置电源的微型气象站一般用于固定点常年监测，因此目前空气温湿度采样技术在空间某个固定位置的测量数据具有很好的时间延续性。

上述方法(除了气象站)既可以应用在室外空气温湿度采样，也可以应用在室内环境。建筑室内外热环境的分析需要内外空间不同位置中的数据，所以为了能够同时多点测量，一般都需要准备大量的温湿度计，在现场分头布置。虽然机载红外成像仪实现了大面积热环境的快速采样，但其只能反映地物表面的热辐射情况，间接体现地表热度分布，仍不能获得空气温湿度值。目前针对空气的温湿度仍然主要使用电子温湿度计。

要充分了解温湿度分布情况，除了室内外水平布置各个采样点，还需要测量不同高度上的温湿度。传统的气象采样是释放气球到高空，但它一般无法用于近地面的持续采样，对于低空目前主流的做法是使用系留气球挂载温湿度计进行采样，这样能够摆脱地面条件束缚，通过调节绳索长度，可以在同一水平位置的不同高度采样，但并非可以多点自由测量，还需要人工拉拽气球到新的位置。而且受气流影响，气球的位置飘忽不定，也是其采样定位精度低的缺点。

3.微型垂直起降无人机平台发展现状。

在环境采样应用领域，常见的空中平台除了气球，目前无人机也大量应用，例如特制的无人机携带污染物检测装置，测定空气中的二氧化硫、细颗粒物等。普通微型多旋翼无人机的大多数用途是空中拍摄，因此一般装配有机载摄像头、GPS接收机，在按照预设航线飞行的同时(飞行速度一般可在0-60公里/小时之间调整)，能够根据机载GPS接收机提供的实时位置数据，自动化的按照一定距离间隔拍摄照片，并在拍照的同时记录下当时的位置坐标，并存储于图像文件的EXIF信息中，能够被很多种计算机软件读取。若使用具有多个文件批量抽取坐标功能的软件就可以将航线中拍摄的所有照片的坐标汇总，并输入到多种三维软件中重现对应的空间位置。

对某些并不内置摄像头的微型无人机来说，一般由用户自行购买运动型微型摄像机进行空中拍摄，目前市面上已普及的运动型微型摄像机体积小巧，只有几十克重，内置电池和存储卡，按下录像键之后便可以自动拍摄直至再次人工按键后停止。

4.基于低空无人机平台的空间矩阵化温湿度采样问题分析

以往空气温湿度采样虽然数据的时间连续性普遍好，但都只能限制于地面固定点(气象站)或少量、零星采样点(掌上型电子温湿度计)，若使用系留气球则能获得空中少量的采样点温湿度数据。还没有一种方法能够快速、便捷地在近地面低空中按照固定的位置间隔、精确的位置坐标获取矩阵化分布的空气温湿度数据，所有数据若在同一高度层上，获取的数据矩阵是均匀二维化的；若在此基础上于等间隔多个高度层上采样，数据是三维矩阵；如果以同样的方法、在相同位置，但在不同时间多次进行作业，则可以获得四维矩阵化的数据。

空间矩阵化分布的空气温湿度采样数据和以往零星获取的温湿度数据不同，零星温湿度数据分布不够密集、不够均匀，只能在个别建筑比较典型的位置采样，对整个微地形环境内低空热分布的情况只能靠人工推测或计算机模拟，没有实测数据的佐证。矩阵化的温湿度数据可以覆盖全区域，数据分布密集、均匀，且三维矩阵还可以表现微地形环境下不同高度层的空气热分布状况，因此数据更全局化，能够准确总结场地内热分布规律、发现场地内不同位置细微的热差别。

但在空中用气球悬吊成百上千个的气球对于一般建筑热环境研究是不现实的，若移动气球或飞艇，移动速度过于缓慢，要完成一定面积的作业，数据前后的等时性不佳。

发明内容

本发明的主要目的是：提供一套用于无人机低空矩阵化温湿度采样误差标定的装置，主要用于准确标定各种微型无人机承载不同型号的电子温湿度计在水平或竖向连续飞行过程中进行采样所产生的温湿度测量滞后的程度，也可以用于标定无人机快速飞行对机载温湿度计测量值的轻微影响。标定结果用于在最终数据矩阵成果中对采样位置和测量值进行修正。在这种需求背景下，本方案拟利用微型多旋翼无人机不仅小巧灵活而且可以快速飞行的特点，承载电子温湿度计，在短时间内按照规则的U型往复航线飞越并均匀覆盖目标区域，以一定间隔不断对经过位置的空气进行温湿度采样，生成矩阵化的空气温湿度数据。

本发明技术方案是：

一种低空矩阵化温湿度采样误差标定装置，包括两端被切削成上宽下窄样式的白色圆筒状遮光罩，其表面覆盖有反光防辐射层，遮光罩下部为遮光罩底座，遮光罩底座上侧有一竖立的传感头支架，传感头支架顶部有一用于夹住标定装置用温湿度计传感头的小夹子，遮光罩底座的侧面有可以转动角度的用于固定标定装置用温湿度计显示屏的显示屏安放板，遮光罩底座的下侧有孔，长杆通过孔插入遮光罩底座，长杆上有一长杆套管，长杆套管两侧各有一个与长杆等直径的短安装头，短安装头端部设有软吸盘，所述的长杆另一端设有硬底座，硬底座安放于地面，使得整个装置竖立于地面之上一定高度。

进一步的，所述的硬底座与软吸盘互换，当长杆另一端设有软吸盘时，长杆横置，软吸盘吸附在建筑每层的窗玻璃室外侧，长杆套管上与长杆等直径的短安装头插入硬底座并放置于窗台上表面，整个装置悬置于建筑外立面上。

进一步的，该装置需要有多个，每一个装置都需要配有一个分体式的电子温湿度计，将标定装置用温湿度计传感头用小夹子固定在遮光罩内部，再将电子标定装置用温湿度计显示屏用双面胶固定在可旋转的显示屏安放板上，用于观看显示屏并易于记录温湿度数据。

进一步的，还包括安放于微型多旋翼无人机上的另一个温湿度计，机载温湿度计传感头同样外罩微型温湿度计遮光罩，并放置于无人机机身中央下侧，机载温湿度计显示屏固定于机载摄像头可以拍到的位置。

进一步的，还包括无人机外侧固定的一个运动型微型摄像机，其镜头方向应按照实验情况，朝向数个标定装置上的标定装置用温湿度计显示屏，使之录像时可以记录下标定装置上温湿度计的显示数值。

一种低空矩阵化温湿度采样误差标定方法，利用标定装置进行两种标定实验，一种是对无人机水平前飞状态下滞后量的标定，另一种是对无人机竖向飞行状态下的滞后量的标定，所述的竖向飞行状态包括上升状态和下降状态。

进一步的，所述的无人机水平前飞状态下滞后量的标定，首先应选择具有明显温差的实验场地将所有标定装置沿一条虚拟的直线等间距连续放置于水平地面，假定按照先后顺序排列为a、b、c、d、e…，每一个装置都距离这条虚拟直线约2米的距离。这条虚拟直线应穿过选择好的有明显温差的场地，并且它也是无人机在实验过程中将要飞越的航线，放置好所有标定装置后开启其上的电子温湿度计，此时启动无人机并将这一航线输入到无人机导航软件中，无人机航线相对地面的高度与标定装置的高度一致，飞行速度与将来要实施矩阵化温湿度采样的飞行速度一致，导航软件同样也要控制机载摄像头的每一次拍摄，应在飞行器前飞过程中距离每一个标定装置最近时进行拍摄，在起飞之前还需要打开机载的温湿度计和已固定好的运动型微型摄像机，并按下录像按键，之后通过导航软件起飞无人机并沿着设定好的航线、既定速度向前飞行，在无人机到达每一个标定装置在航线上的投影点时，机载摄像头就会拍摄一张机载温湿度计的显示屏照片，记录下当时机载温湿度计的显示数值，同时一直在录像的运动型微型摄像机也会录下那一个标定装置上温湿度计的显示数值，在完成这一航线拍摄之后，按照正常的程序降落，关闭无人机以及机载温湿度计、运动型微型摄像机和所有标定装置上的温湿度计电源，就完成了整个标定外业。

进一步的，所述的无人机竖向飞行状态下的滞后量的标定，将多个标定装置的硬底座和软吸盘进行互换，将长杆横置，用硬底座放置在建筑外墙常见的窗台或其他突出物上，软吸盘则与窗玻璃吸附，按照此方法将所有的标定装置固定于建筑物每一层的窗台上，并调整好温湿度计显示屏的角度，在导航软件中设定好适宜的竖向航线，控制无人机完成飞行并记录下机载温湿度显示数值和标定装置上各个温湿度计的显示数值，完成外业后用同样的方法即可获得机载温湿度计在该竖向飞行速度下的滞后量。

本发明的优点和积极效果：(a)准确标定时滞程度。(b)适用于多种型号的微型无人机平台或电子温湿度计。(c)易于布设，适应各种户外环境、可以现场标定。(d)可用于不同飞行方向的滞后量标定。

附图说明

图1为本发明标定装置结构示意图。

图2为本发明标定装置侧向示意图。

图3为本发明标定装置安装温湿度计传感头后的局部示意图。

图4为本发明机载温湿度计、运动型微型摄像机在多旋翼机上的安装示意图。

图5为本发明图3的侧向示意图。

图6为本发明多个标定装置在典型标定场地中的排列方式。

图7为本发明微型多旋翼无人机与标定装置的位置关系示意图。

图8为本发明地面、机载温湿度计获得的两组温湿度数据变化曲线的相位和绝对值比较示意图。

图9为多个标定装置在典型建筑外立面上的布置方式示意图。

图中，1遮光罩底座，2遮光罩，3反光防辐射层，4传感头支架，5小夹子，6显示屏安放板，7长杆，8硬底座，9长杆套管，10软吸盘，11窗玻璃，12短安装头，13墙，14窗台，15机载温湿度计传感头，16温湿度计遮光罩，17机载温湿度计显示屏，18机载摄像头，19运动型微型摄像机，20标定装置用温湿度计显示屏，21标定装置用温湿度计传感头。

具体实施方式

参见附图1、附图2和附图3，本发明标定装置包括：遮光罩2本身是两端被切削成上宽下窄样式的白色圆筒，表面覆盖有反光防辐射层3，这样就可以避免阳光直射或地物反射对传感头测温造成的偏差。为了便于固定，遮光罩2下部为遮光罩底座1，遮光罩底座1上侧有一竖立的传感头支架4，传感头支架4顶部有一小夹子5，用于实验时夹住标定装置用温湿度计传感头21。遮光罩2底座的侧面有可以转动角度的显示屏安放板6，用于固定标定装置用温湿度计显示屏20。遮光罩底座1的下侧有孔，长杆7通过孔插入遮光罩底座1，长杆7上有一长杆套管9，长杆套管9两侧各有一个与长杆7等直径的短安装头12。在标定水平前飞状态下的滞后量时长杆7另一端插入硬底座8顶部的孔，硬底座8安放于地面，使得整个装置竖立于地面之上一定高度；在标定上升、下降飞行状态下的滞后量时，应将长杆7横置，此时硬底座8和软吸盘10互换，原来插入硬底座8的端部改为插入软吸盘10(参见附图9)，并吸附在建筑每层的窗玻璃11室外侧，长杆套管9上与长杆等直径的短安装头12插入硬底座8并放置于窗台14上表面，这样整个装置便可以悬置于建筑外立面上。

在实际标定实验中，这样的装置需要有多个(数量可根据使用者需要自主选择，数量越多标定精度越高，一般为10个左右)，此外每一个装置都需要配有一个分体式的电子温湿度计(因标定时静止使用，因此对反应速度无要求)，将机载温湿度计传感头15用小夹子5固定在遮光罩2内部，再将电子机载温湿度计显示屏17用双面胶固定在可旋转的显示屏安放板6上，根据需要调整角度便于观看显示屏并易于记录温湿度数据(参见附图7、附图9)。

参见附图4和附图5，除此标定装置，标定实验时还需要将另一个温湿度计(必须外露传感器以保证尽可能快的反应速度)安放于微型多旋翼无人机上，机载温湿度计传感头15同样外罩微型机载温湿度计遮光罩16，并放置于无人机机身中央下侧，以利用机身起到一定的辅助遮阳效果，机载温湿度计显示屏17则可根据实际情况，固定于机载摄像头18可以拍到的位置。

在无人机外侧还需固定一个运动型微型摄像机19，其镜头方向应按照实验情况，朝向数个标定装置上的标定装置用温湿度计显示屏20，使之录像时可以记录下标定装置上温湿度计的显示数值。

实施过程：

有两种典型的标定实验，第一种也是最常用的是对无人机水平前飞状态下滞后量的标定，另一种是对无人机竖向(包括上升和下降)飞行状态下的滞后量的标定。

对于第一种情况的标定实验：首先应选择具有明显温差的实验场地(例如包括了水泥路面、绿地等不同地物，并包括受太阳直射的区域和阴影区，参见图6)，将所有标定装置沿一条虚拟的直线等间距连续放置于水平地面，假定按照先后顺序排列为a、b、c、d、e…，每一个装置都距离这条虚拟直线约2米的距离。这条虚拟直线应穿过选择好的有明显温差的场地，并且它也是无人机在实验过程中将要飞越的航线。放置好所有标定装置后开启其上的电子温湿度计，每个温湿度计因所在位置的空气温度不同而显示出温差数值。此时启动无人机并将这一航线输入到无人机导航软件中，无人机航线相对地面的高度与标定装置的高度一致，飞行速度与将来要实施矩阵化温湿度采样的飞行速度一致，导航软件同样也要控制机载摄像头18的每一次拍摄，应在飞行器前飞过程中距离每一个标定装置最近时进行拍摄(即每一次拍摄时的飞行器坐标与每一个标定装置在航线上的投影点坐标一致)。在起飞之前还需要打开机载的温湿度计和已固定好的运动型微型摄像机19，并按下录像按键，之后通过导航软件起飞无人机并沿着设定好的航线、既定速度向前飞行。在无人机到达每一个标定装置在航线上的投影点时，机载摄像头18就会拍摄一张机载温湿度计的显示屏照片，记录下当时机载温湿度计的显示数值，同时一直在录像的运动型微型摄像机19也会录下那一个标定装置上温湿度计的显示数值，在完成这一航线拍摄之后，按照正常的程序降落，关闭无人机以及机载温湿度计、运动型微型摄像机19和所有标定装置上的温湿度计电源，就完成了整个标定外业。

在标定内业中还需人工查看机载摄像头拍摄的每一张照片，将机载温湿度计的每一个温、湿度数值分别绘制成图表(图8下侧飞机温湿度计数据曲线图)。图表中的横轴与a、b、c、d、e…逐个标定装置的排列顺序对应，横轴上每个点之间的距离就是每个标定装置之间的距离，图表中的纵轴是每张照片中机载温湿度计显示的温度或湿度的数值。

完成上述图表后，还需要按照同样的方法，人工查阅运动型微型摄像机19录像中每一个标定装置上电子温湿度计显示的温、湿度数值，并绘制相同类型的图表(图8上侧地面温湿度计数据曲线图)。

把机载温湿度计和标定装置上温湿度计记录的温度或湿度变化曲线进行比较，度量机载温湿度计采样数值曲线相对于固定装置上温湿度计采样数值曲线在横轴上向右偏移的量，就是使用该类型机载温湿度计、在该水平前飞速度下的采样滞后量。

旋翼气流、前飞气流对机载温湿度计测量值有轻微的影响，导致图8中下侧曲线在纵轴上的高低位置也可能也与上侧曲线(标定装置温湿度计数值曲线)有差别，此时亦以标定装置温湿度计数值为准，即除了标定采样滞后量之外，本装置也用于标定前飞过程中采样导致的度数误差。

对于第二种情况的标定实验：按照图9中的样式，将多个标定装置的硬底座8和软吸盘10进行互换，将长杆横置，用硬底座8放置在建筑外墙13常见的窗台14或其他突出物上，软吸盘10则与窗玻璃11吸附，有助于稳定整个标定装置。按照此方法将所有的标定装置固定于建筑物每一层的窗台上，并调整好标定装置用温湿度计显示屏20的角度，便于运动型微型摄像机19进行录像拍摄。按照与前述类似的方法，在导航软件中设定好适宜的竖向(上升或下降)航线，控制无人机完成飞行并记录下机载温湿度显示数值和标定装置上各个温湿度计的显示数值，完成外业后用同样的内业方法即可获得机载温湿度计在该竖向飞行(上升或下降)速度下的滞后量。竖向航线是比较少见的，在特殊情况下(例如对高层建筑外部空间进行矩阵化的温湿度采样)可能用到，所以本标定装置也设计了这一实验模式。

无人机按照设定好的航线飞行时，因为GPS精度、飞行控制精度、近地面微气流干扰等多种原因，实际飞行有可能偏移1-2米，因此本方案中建议标定装置与航线距离2米，以策安全。而且普通自然环境下空气的温湿度不会在1-2米范围中有明显差别，因此不影响机载温湿度数据和标定装置温湿度数据之间的对照可信度，即不影响本标定实验的精度。同理，GPS天线与机载温湿度计在机身上的安装位置必然有差别，但只有几十厘米，同样是可以忽略的。当然，若天气稳定、无人机飞行定位精度高，可以再适当缩小标定装置与航线之间的距离。

由于湿度采样的滞后量一般大于温度采样，所以对于湿度采样精度要求高的任务，也可以前后做两次飞行，分别标定温度和湿度采样滞后量，标定湿度采样滞后量时，其他操作是完全一样的，只是无人机的前飞速度更慢，以适合于电子温湿度计更为明显的湿度采样滞后特征。

本方案假定参与实验的所有电子温湿度计之间的温湿度测量误差可以忽略不计，即在相同的温、湿度环境中所有温湿度计显示的温、湿度数值是相同的，或者显示差别小到不影响标定效果，可以忽略不计。若使用者认为这种设备内在的固有差别不可忽略，则应在实验之前首先将所有温湿度计的传感头集中放置于同一位置，使得实际被测温湿度相同，再查看所有显示屏的显示读数，并记录下差值，这样即可在最后的温湿度数据中消除这一内在差值。

面临的主要技术问题分析如下：

(a)多个采样点之间温湿度数据的等时性。由于是在无人机动态前飞过程中逐点采样，若飞行速度慢，花费时间过长，则数据等时性不佳。据此以上图为例分析如下：该水平二维矩阵的U型航线总长度为4千米，若以20千米/小时(约为5.5米/秒)飞行，总共需要12分钟，对于天气条件稳定的环境，数据等时性处于可接受的范围内，和体型庞大、移动缓慢的气球或飞艇相比优势明显，若需要进一步压缩飞行时间，可以增加航线间隔(采样点空间分布更为稀疏)，或者提高飞行速度。若要求获得三维矩阵并且保持同样好的等时性，则可以采用几架飞机在不同高度层同时作业的方式。

(b)飞行器本身造成的气流影响。可承载温湿度计的微型多旋翼无人机重量一般仅为1公斤左右，旋翼尺寸在30厘米以内，都以锂电池为动力源，所以飞行过程中旋翼旋转对室外自然环境的气流以及气流对温湿度数据准确性的影响可以忽略不计，在正确安装电子温湿度计的前提下(和地面采样相同，一般都要有通风、遮阳的导风管保护传感头)，电机、电池的轻微发热在户外条件下应可忽略不计。

在湿度较大的环境中不排除温湿度计上存在少量凝结水，在快速飞行的时候由于蒸发而导致实测温度轻微降低的问题。此外也可能有上述增强的蒸发特点对湿度测量值的轻微影响。

(c)如何记录并匹配大量温湿度数据及每一次采样时对应的飞行器空间坐标。可以请求相关厂商匹配电子温湿度计的数据接口和无人机的数据通讯接口，无人机导航控制芯片按照设定的航线程序发送控制信号给电子温湿度计进行采样，并接收该温湿度数据，和当时的GPS接收机接收的坐标一起存储于机载存储芯片中，降落后下载到计算机上。在不具备器材改造的条件下，也可以利用机载摄像头18对电子机载温湿度计显示屏17的显示数值进行拍照，这样每张照片都记录了当时的温湿度，并在其EXIF信息栏中带有准确的GPS坐标。随后所有的照片可以用人工阅读数值并输入的方式获取全部数据，或者也可以利用图像识别技术，自动识别并读取温湿度数值、EXIF中的位置坐标。据上述分析，此方案的空间坐标、温湿度数值两种数据的对应获取并非难题。

(d)无人机持续前飞过程中，温湿度采样滞后问题分析。温度或湿度传感头都需要一定的反应时间才能准确计量实际数值。微地形环境中不同高度、位置的气温、湿度必然存在轻微的差异，因此当前飞过程中遇到温湿度差异，温湿度计只有滞后一定时间才能反映出温湿度数值的升降，因此每一张照片中记录的温湿度数值对应的空间位置与GPS给出的拍摄点坐标其实并不匹配。该温湿度数值反映的其实是该照片拍摄坐标点之前一定距离(按照航线方向)的空间坐标点上的温湿度。出于数据等时性的要求，飞行器需要快速前飞以尽快完成整个航线，在这样的情况下，若忽略温湿度采样滞后的问题，则温湿度与空间位置对应性出现明显偏差，获取的空间矩阵是不准确的。

根据上述分析，无人机快速移动过程中进行温湿度逐点采样是可行的，实施的主要障碍在于温湿度采样滞后的问题，需要对滞后的距离进行标定，得到这一滞后量就可以将空间矩阵上所有的采样坐标点按照飞行方向向前移动该距离，从而修正这一问题。

当使用不同型号温湿度计、不同飞行器、在不同的目标区域、采用不同飞行速度时总的滞后量其实都会变化，都需要重新标定，因此标定温湿度滞后量是基于无人机的温湿度矩阵化采样所必需的和常用到的。

湿度传感头的反应速度和温度传感头相比更慢一些，更需要标定滞后量，相应的在进行湿度采样时，飞行速度要更慢，空间中采样点的分布密度更稀疏。不过和空气温度相比，空气湿度在热舒适性评价中的重要性更低，在小尺度空间中的变化也更少，相对湿度也是根据温度变化而相应浮动的，所以属于次要指标。

本方案同时满足以下各项要求：

(a)准确标定时滞程度。由于是实地飞行采样过程中进行标定，与无人机实际执行温湿度采样时的情况是完全一致的，所以不论温度传感器自身的时滞还是其他可能造成采样滞后的因素，都已经包括在校正范围内，所以校正结果准确。同样，因为是实地飞行过程中标定，本方法还可以发现并标定旋翼气流、前飞气流对机载温湿度计读数的轻微影响。

(b)适用于多种型号的微型无人机平台或电子温湿度计。只要安装有微型机载摄像头、GPS接收机，具有自动导航、根据坐标自动控制相机拍摄的无人机；以及具有显示屏的温湿度计，就可以使用本方法进行标定。目前绝大多数电子温湿度计都内置有显示屏，而大多数微型无人机都带有GPS和微型机载摄像头，可以用移动电脑快速编辑和上传预设的航线数据，可以控制相机在航线指定位置拍摄，所以这一方案的实际适用性很好。由于采用照片和录像两种媒介记录温湿度数值，因此并不需要对温湿度计和无人机进行改装。微型无人机和电子温湿度计都是可能经常更新换代或相互替代使用的设备，如果都要改造费时费力，基于拍摄记录GPS坐标以及机载、地面标定装置两组温湿度数据的方案更为简单实用、方便更换不同的设备实施标定实验。

(c)易于布设，适应各种户外环境、可以现场标定。该标定装置便于拆装、携带，可以快速布置并在短时间内完成实验，因此可以用于在实际待采样的场地内进行现场标定，这样在相近的物理环境内能够得到更为准确、针对性强的滞后量数据。

(d)可用于不同飞行方向的滞后量标定。使用同一种标定装置不仅能完成水平前飞状态的滞后量标定，利用普通的多层建筑还可以对竖直方向上的上下移动飞行状态采样滞后量进行标定。

Claims (9)

1.一种低空矩阵化温湿度采样误差标定装置，其特征在于：包括两端被切削成上宽下窄样式的白色圆筒状遮光罩(2)，其表面覆盖有反光防辐射层(3)，遮光罩(2)下部为遮光罩底座(1)，遮光罩底座(1)上侧有一竖立的传感头支架(4)，传感头支架(4)顶部有一用于夹住标定装置用温湿度计传感头(21)的小夹子(5)，遮光罩底座(1)的侧面有可以转动角度的用于固定标定装置用温湿度计显示屏(20)的显示屏安放板(6)，遮光罩底座(1)的下侧有孔，长杆(7)通过孔插入遮光罩底座(1)，长杆(7)上有一长杆套管(9)，长杆套管(9)两侧各有一个与长杆(7)等直径的短安装头(12)，短安装头(12)端部设有软吸盘(10)，所述的长杆(7)另一端设有硬底座(8)，硬底座(8)安放于地面，使得整个装置竖立于地面之上一定高度。

2.根据权利要求1所述的低空矩阵化温湿度采样误差标定装置，其特征在于：所述的硬底座(8)与软吸盘(10)互换，当长杆(7)另一端设有软吸盘(10)时，长杆(7)横置，软吸盘(10)吸附在建筑每层的窗玻璃(11)室外侧，长杆套管(9)上与长杆等直径的短安装头(12)插入硬底座(8)并放置于窗台(14)上表面，整个装置悬置于建筑外立面上。

3.根据权利要求1或2所述的低空矩阵化温湿度采样误差标定装置，其特征在于：该装置需要有多个，每一个装置都需要配有一个分体式的电子温湿度计，将标定装置用温湿度计传感头(21)用小夹子(5)固定在遮光罩(2)内部，再将标定装置用温湿度计显示屏(20)用双面胶固定在可旋转的显示屏安放板(6)上，用于观看显示屏并易于记录温湿度数据。

4.根据权利要求3所述的低空矩阵化温湿度采样误差标定装置，其特征在于：该装置需要有10个。

5.根据权利要求1、2、4任一项所述的低空矩阵化温湿度采样误差标定装置，其特征在于：还包括安放于微型多旋翼无人机上的另一个温湿度计，机载温湿度计传感头(15)同样外罩微型温湿度计遮光罩(16)，并放置于无人机机身中央下侧，机载温湿度计显示屏(17)固定于机载摄像头(18)可以拍到的位置。

6.根据权利要求1、2、4任一项所述的低空矩阵化温湿度采样误差标定装置，其特征在于：还包括无人机外侧固定的一个运动型微型摄像机(19)，其镜头方向应按照实验情况，朝向数个标定装置上的标定装置用温湿度计显示屏(20)，使之录像时可以记录下标定装置上温湿度计的显示数值。

7.一种低空矩阵化温湿度采样误差标定方法，其特征在于：利用权利要求1所述的标定装置进行两种标定实验，一种是对无人机水平前飞状态下滞后量的标定，另一种是对无人机竖向飞行状态下的滞后量的标定，所述的竖向飞行状态包括上升状态和下降状态。

8.根据权利要求7所述的低空矩阵化温湿度采样误差标定方法，其特征在于：所述的无人机水平前飞状态下滞后量的标定，首先应选择具有明显温差的实验场地将所有标定装置沿一条虚拟的直线等间距连续放置于水平地面，假定按照先后顺序排列为a、b、c、d、e…，每一个装置都距离这条虚拟直线约2米的距离；这条虚拟直线应穿过选择好的有明显温差的场地，并且它也是无人机在实验过程中将要飞越的航线，放置好所有标定装置后开启其上的电子温湿度计，此时启动无人机并将这一航线输入到无人机导航软件中，无人机航线相对地面的高度与标定装置的高度一致，飞行速度与将来要实施矩阵化温湿度采样的飞行速度一致，导航软件同样也要控制机载摄像头的每一次拍摄，应在无人机前飞过程中距离每一个标定装置最近时进行拍摄，在起飞之前还需要打开机载的温湿度计和已固定好的运动型微型摄像机，并按下录像按键，之后通过导航软件起飞无人机并沿着设定好的航线、既定速度向前飞行，在无人机到达每一个标定装置在航线上的投影点时，机载摄像头就会拍摄一张机载温湿度计的显示屏照片，记录下当时机载温湿度计的显示数值，同时一直在录像的运动型微型摄像机也会录下每一个标定装置上温湿度计的显示数值，在完成这一航线拍摄之后，按照正常的程序降落，关闭无人机以及机载温湿度计、运动型微型摄像机和所有标定装置上的温湿度计电源，就完成了整个标定过程。

9.根据权利要求7所述的低空矩阵化温湿度采样误差标定方法，其特征在于：所述的无人机竖向飞行状态下的滞后量的标定，将多个标定装置的硬底座(8)和软吸盘(10)进行互换，将长杆(7)横置，用硬底座(8)放置在建筑外墙(13)常见的窗台(14)或其他突出物上，软吸盘(10)则与窗玻璃(11)吸附，按照此方法将所有的标定装置固定于建筑物每一层的窗台上，并调整好温湿度计显示屏(20)的角度，在导航软件中设定好适宜的竖向航线，控制无人机完成飞行并记录下机载温湿度显示数值和标定装置上各个温湿度计的显示数值，完成标定后用同样的方法即可获得机载温湿度计在该竖向飞行速度下的滞后量。