CN106872645A - 一种基于太阳能‑电力混动子母无人机的空气质量检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能‑电力混动子母无人机的空气质量检测装置,包括无人机载机、太阳能电池板发电模块、锂电池、太阳能充放电智能管理器、空气质量采集装置、空气质量检测模块、远程数据传输模块、自动驾驶仪、动力模块、2.4g通信模块、数传电台、气体采样泵和无人子机部分。本发明填补了在空气应急事件中,产生的机载传感器中无法检测到的未知气体的缺陷,解决了传统检测方法存在的移动性差,受时空限制严重,成本高,检测不够全面等问题。本发明可将检测数据通过通信模块与服务器远程连接,传输至网上开放平台,对数据进行的实时的分析、处理以及公示,以便使用者可在多台地面终端的客户端实时查看检测数据。
Description
技术领域
本发明涉及应急空气质量检测领域,具体是一种基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置。
背景技术
随着社会的发展,环境污染问题日趋严重,尤其突发事件的发生,往往是环境污染的一大致命源头,一旦发生如化工泄露、大型爆炸、森林火灾、火山爆发等灾害的时候,现有的空气质量检测模块就显得无能为力了。天津化工厂仓库大爆炸就是一个典型的例子,据悉,天津化工厂滨海新区有5个环保自动监测站,距离地面最大不超过30米。由于爆炸产生的高温高压气体含有的甲苯二异氰酸酯燃烧会产生剧毒氰化物,但往往会随着高温高压气体向空中垂直扩散,对地面而言反而可能造成“灯下黑”的现象。另外,燃烧产生的污染物很多,检测仪器不一定都能捕捉到,再加上检测点未必能覆盖灾害周边所有地区,使得检测范围受限。
据相关文献资料显示,现有空气质量检测模块主要分为四类:第一类监测站可以全天候,24小时不间断监测,工作状态受天气影响小,但是监测站为固定站点,移动性几乎为零,覆盖地区小,不可用于应急检测;第二类氦气球可以检测一定高度范围内的空气质量,体积庞大,失去了应急检测该有的便捷性、快速性,短时间内检测范围有限;第三类应急空气质量检测车,地面移动性相对较好,受天气因素影响小,检测范围相对监测站、氦气球广,但无法检测不同高度的空气质量参数,且检测站点数量有限,并且造价昂贵,生产成本高;第四类传统无人机采集-后台检测空气系统,该类无人机采用单一锂电池提供动力驱动技术,其采用非环保能源且飞行时间短,同时只负责实时采集气体,其气体检测须转送到其他后台系统完成,则缺乏耦合实现采集与检测气体功能的多动力子母式无人机,进而浪费应急处理和提出解决问题的措施时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够打破人工采样、传统设备检测的时空限制,在突发事件及重污染区域展开应急空气质量检测工作的基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,包括无人机载机、太阳能电池板发电模块、锂电池、太阳能充放电智能管理器、空气质量采集装置、空气质量检测模块、远程数据传输模块、自动驾驶仪、动力模块、2.4g通信模块、数传电台、气体采样泵和无人子机部分,所述太阳能电池板发电模块由多个太阳能电池片组成,太阳能电池片安装在无人机载机的表面,太阳能电池片的输出端和锂电池分别连接太阳能充放电智能管理器,所述空气质量检测模块、2.4g通信模块、数传电台、自动驾驶仪、动力模块和阳能充放电智能管理器的另一端均连接所述无人机载机,所述无人子机部分通过气体采样泵连接无人机载机,所述远程数据传输模块和空气质量采集装置均连接所述空气质量检测模块的另一端。
作为本发明进一步的方案:所述太阳能充放电智能管理器包括电池平衡保护模块、主控单元、光控模块、存储单元、PWM功率输出模块、设置模块、功率输出模块和负载。
作为本发明进一步的方案:所述远程数据传输模块包括SIM808模块、GPS模块、GPRS模块、GSM模块。
作为本发明进一步的方案:所述无人机载机和无人子机部分的材料均为巴尔沙轻木。
作为本发明进一步的方案:所述空气质量采集装置包括ZPH01-PM2.5粉尘传感器、DHT11温湿度传感器、MQ135空气质量传感器、MH-Z19二氧化碳传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MICS-6814氮氧化合物传感器、MQ131臭氧传感器、GY-BMP280-3.3气压传感器。
作为本发明进一步的方案:所述无人子机部分上设置有空气采样装置,所述空气采样装置包括气泵和铝箔采样空气袋。
作为本发明再进一步的方案:所述太阳能电池片为单晶硅电池片。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明利用太阳能作为系统的主要能源,锂电池作为备用电源,很大程度增加了无人机的续航时间,为长时间对环境进行应急检测提供强有力的保障,采用固定翼滑翔机作为可靠的空中平台,可弯曲的太阳能电池片与机翼蒙皮紧密贴合,保证无人机强度的同时不影响机翼气动性。无人机机载空气检测设备,子母无人机设计,无人子机部分携带无人母机采集气体返回至返航点,填补了在空气应急事件中,产生的机载传感器中无法检测到的未知气体的缺陷,解决了传统检测方法存在的移动性差,受时空限制严重,成本高,检测不够全面等问题。本发明可将检测数据通过通信模块与服务器远程连接,传输至网上开放平台,对数据进行的实时的分析、处理以及公示,以便使用者可在多台地面终端的客户端实时查看检测数据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的系统结构组成示意图。
图3为本发明中太阳能充放电智能管理器的原理图。
图4为本发明的工作示意图。
图5为本发明中检测数据远程传输过程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-5,一种基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,包括无人机载机、太阳能电池板发电模块、锂电池、太阳能充放电智能管理器、空气质量采集装置、空气质量检测模块、远程数据传输模块、自动驾驶仪、动力模块、2.4g通信模块、数传电台、气体采样泵和无人子机部分,所述太阳能电池板发电模块由多个太阳能电池片组成,太阳能电池片安装在无人机载机的表面,太阳能电池片的输出端和锂电池分别连接太阳能充放电智能管理器,所述空气质量检测模块、2.4g通信模块、数传电台、自动驾驶仪、动力模块和阳能充放电智能管理器的另一端均连接所述无人机载机,所述无人子机部分通过气体采样泵连接无人机载机,所述远程数据传输模块和空气质量采集装置均连接所述空气质量检测模块的另一端。
所述太阳能充放电智能管理器包括电池平衡保护模块、主控单元、光控模块、存储单元、PWM功率输出模块、设置模块、功率输出模块和负载;所述远程数据传输模块包括SIM808模块、GPS模块、GPRS模块、GSM模块;所述无人机载机和无人子机部分的材料均为巴尔沙轻木;所述空气质量采集装置包括ZPH01-PM2.5粉尘传感器、DHT11温湿度传感器、MQ135空气质量传感器、MH-Z19二氧化碳传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MICS-6814氮氧化合物传感器、MQ131臭氧传感器、GY-BMP280-3.3气压传感器;所述无人子机部分上设置有空气采样装置,所述空气采样装置包括气泵和铝箔采样空气袋;所述太阳能电池片为单晶硅电池片。
所述基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置主要由太阳能无人机平台、空气质量检测模块和空气采样设备组成,使用太阳能作为主要能源,锂电池作为备用电源,通过设计智能的供电方案,太阳能、备用电源相结合,很大程度增加了无人机的续航,实现长时间进行应急检测工作;通过自动驾驶仪设置飞行航线,可完成多站点、不同高度的自动检测任务。模块化智能机载空气质量检测模块,多种传感器相结合,通信模块与服务器平台连接,将数据发送至地面移动设备,实现实时数据采集与处理。远程检测常规数据的同时,系统可采集不同站点、不同高度的空气样本,由无人子机部分将采集到的气体带回至地面,进行下一步针对性检测,以提升检测的目的性和全面性,无人机母机则继续执行多站点循环检测任务。
所述的太阳能充放电智能管理器还可以实现电池的充放电智能管理,稳定电流电压,电路过载、短路自动保护,保证给系统提供稳定的能源;所述的自动驾驶仪能够控制飞机按设计的航线和高度飞行,实现自动驾驶;所述的空气质量检测模块可以检测出相应检测对象的参数,并且可以根据检测的气体对象进行更换,每种传感器对应相应的污染物;所述的无人子机部分是通过伺服舵机控制与无人母机的分离,当无人子机气体采集完成,搭载在无人母机上的气体采样泵关闭,在距离起飞点的最近点与母机分离,携带气体返回至起飞点(起到进一步分析和样品存储作用),无人母机则继续执行空气检测任务,以实现多次不同时间段的实时监测空域气体质量问题。
本发明中采用固定翼滑翔机作为无人机载机的空中载体,结合续航和载重的要求,整机以巴尔沙轻木为材料,减轻整机重量,采用NACA4412翼型设计,翼弦长度为3500mm,该翼型最大厚度12.02%在30.0%翼弦,最大曲面4.00%在40.0%翼弦,属于中等厚度翼型,具有较高的升阻比,以保证无人机载机具有良好的滑翔性能,翼展3600mm,机身长度2400mm;无人机载机机翼与机身之间采用快拆方式连接,机翼采用三段式设计,很大程度提高了便携性,无人机载机可根据起飞场地的具体情况,采用滑跑起飞或弹射起飞方式。飞行控制系统采用STM32为主控芯片的自动驾驶仪,该自动驾驶仪内建三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴电子罗盘以及气压计等传感器,通过数传电台与地面站连接,划定空气监测航线,自动巡航;本发明采用太阳能作为主要电力能源,锂电池作为备用电源,使用太阳能充放电智能管理器,合理管理充放电任务,以提高能源使用效率,保证无人机的续航时间。
本发明无人机载机的机身正面整体覆盖使用转换率25%,额定功率3.3W,尺寸为125mm*125mm的A级太阳能光伏片,数量共60片,通过大量电池片焊接形成一个高效率,低衰减,可靠性强的太阳能电源。单个电池片有序的贴合在机身正面,充分利用电池片的可弯曲性将其与机翼蒙皮紧密贴合,以免影响飞机气动性,在阳光充足的时候,整个太阳能面板能够持续为系统提供150W的功率,可以满足系统要求。电池片具体参数:化学类型:单晶硅太阳电池,结构类型:复合结太阳电池,使用状态:聚光太阳电池,输出功率:3.0-3.5W,工作电压:0.62V,转化效率:22.2%,填充因子:80%,工作电流:5.8A,并联电阻:0欧姆,串联电阻:0欧姆。
太阳能充放电智能管理器作为太阳能电源的管理中心,太阳能电池板属于光伏设备(主要部分为半导体材料),它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性,其生成的电流也是具有波动性的曲线,如果将所生成的电流直接充入锂电池内或直接给负载供电,则容易造成蓄电池和负载的损坏,严重减小了他们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能充放电智能管理器,采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节,并加入多级充放电保护,确保电池和负载的运行安全和使用寿命。对负载供电时,也是让蓄电池的电流先流入太阳能充放电智能管理器,经过它的调节后,再把电流送入负载。这样做的目的:一是为了稳定放电电流;二是为了保证蓄电池不被过放电;三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。
空气采样装置主要有小型气泵和铝箔采样空气袋两部分,在接收到采集信号时,小型气泵开始工作,收集当前经度纬度高度的空气,将一部分气体通过软管传送到气体检测系统,检测其主要成分,一部分气体通过输送管道充入采样空气袋,保留气体样本。
所述空气质量检测模块设计主要包括硬件设计、焊接和软件程序设计三方面。硬件设计包括单片机最小系统设计、液晶显示设计、传感器的数据采集传输设计、控制按键设计。软件设计包括A/D转换程序、传感器预加热程序、采集信息的发送接收程序、按键可控制程序等;空气质量检测模块以Arduino作为开发平台,选用ATmega2560为主控芯片,ATmega2560处理器核心,同时具有54路数字输入/输出口(其中16路可作为PWM输出),16路模拟输入,4路UART接口,可允许多传感器同时接入。IO脚直流电流40mA,3.3V脚直流电流50mA,FlashMemory256KB(ATmega328,其中8KB用于bootloader),SRAM8KB,EEPROM4KB,工作时钟16MHz,工作电压5V。以Arduino作为编程语言,通过设计程序,使用ZPH01PM2.5粉尘传感器、DHT11温湿度传感器、MQ135空气质量传感器、MH-Z19二氧化碳传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MICS-6814氮氧化合物传感器、MQ131臭氧传感器、GY-BMP280-3.3气压传感器等,实现PM2.5、温湿度、空气质量、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物、臭氧、大气压等基本数据的采集,通过定制不同的模块化传感器来对污染物项目进行采集和检测。
空气质量检测模块工作过程中,由气体传感器和灰尘传感器对待测气体和灰尘进行检测,检测到的气体浓度、可吸入颗粒物的密度值转换成电压信号后送入A/D转换程序,A/D转换程序将送入的电压量转换成数字量传送至单片机,单片机通过换算将气体浓度、可吸入颗粒物的密度值经过串行总线显示在LCD上。同时通过键盘输入相应的报警阈值,单片机读取键盘信息,将输入的阈值存储在SD卡模块,方便后期查看数据,另外,该设计还添加了远端检测系统,接入的SIM808GSM/GPRS/GPS通信模块,使系统与服务器通信,将检测的数据通过网络传输至地面终端设备,可在多台地面终端设备上查看检测的数据。
无人子机部分采用四旋翼设计,可实现垂直起降载运,工作电压为14.8V,工作最大电流20A,起飞重量为1200g,电流为续航时间为25分钟,机舱内载有铝箔采样空气袋,配合母机机舱内的气体采样泵工作,可将气体采集至无人子机的铝箔采样空气袋中,无人子机内同样自动驾驶仪,当气体采集完成时,母机飞行至距离起飞点最近处,子机通过控制伺服舵机,与母机脱离,携带采样气体自动返回至起飞点。
本发明利用太阳能作为系统的主要能源,锂电池作为备用电源,很大程度增加了无人机的续航时间,为长时间对环境进行应急检测提供强有力的保障,采用固定翼滑翔机作为可靠的空中平台,可弯曲的太阳能电池片与机翼蒙皮紧密贴合,保证无人机强度的同时不影响机翼气动性。无人机机载空气检测设备,子母无人机设计,无人子机部分携带无人母机采集气体返回至返航点,填补了在空气应急事件中,产生的机载传感器中无法检测到的未知气体的缺陷,解决了传统检测方法存在的移动性差,受时空限制严重,成本高,检测不够全面等问题。本发明可将检测数据通过通信模块与服务器远程连接,传输至网上开放平台,对数据进行的实时的分析、处理以及公示,以便使用者可在多台地面终端的客户端实时查看检测数据。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明,但是本专利并不限于上述实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,其特征在于,包括无人机载机、太阳能电池板发电模块、锂电池、太阳能充放电智能管理器、空气质量采集装置、空气质量检测模块、远程数据传输模块、自动驾驶仪、动力模块、2.4g通信模块、数传电台、气体采样泵和无人子机部分,所述太阳能电池板发电模块由多个太阳能电池片组成,太阳能电池片安装在无人机载机的表面,太阳能电池片的输出端和锂电池分别连接太阳能充放电智能管理器,所述空气质量检测模块、2.4g通信模块、数传电台、自动驾驶仪、动力模块和阳能充放电智能管理器的另一端均连接所述无人机载机,所述无人子机部分通过气体采样泵连接无人机载机,所述远程数据传输模块和空气质量采集装置均连接所述空气质量检测模块的另一端。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,其特征在于,所述太阳能充放电智能管理器包括电池平衡保护模块、主控单元、光控模块、存储单元、PWM功率输出模块、设置模块、功率输出模块和负载。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,其特征在于,所述远程数据传输模块包括SIM808模块、GPS模块、GPRS模块、GSM模块。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,其特征在于,所述无人机载机和无人子机部分的材料均为巴尔沙轻木。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,其特征在于,所述空气质量采集装置包括ZPH01-PM2.5粉尘传感器、DHT11温湿度传感器、MQ135空气质量传感器、MH-Z19二氧化碳传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MICS-6814氮氧化合物传感器、MQ131臭氧传感器、GY-BMP280-3.3气压传感器。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,其特征在于,所述无人子机部分上设置有空气采样装置,所述空气采样装置包括气泵和铝箔采样空气袋。
7.根据权利要求1所述的基于太阳能-电力混动子母无人机的空气质量检测装置,其特征在于,所述太阳能电池片为单晶硅电池片。
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