CN107422747A - 用于大气环境在线监测及大气受控采样的无人机系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于大气环境在线监测及大气受控采样的无人机系统，包括：环境监测及采样装置、无人机和地面站装置，其中：环境监测及采样装置设置于无人机上，在监测区域内监测大气环境质量，向地面站装置发送监测信息，并接收地面站装置发送来的无人机控制命令和采样控制命令，在监测区域内进行受控大气样本的采集和大气环境污染物排放源的溯源；环境监测及采样装置包括：信息处理单元、与信息处理单元相连的飞行控制单元、定位单元、数据传输单元、障碍物监测单元、图像采集单元、采样单元和大气环境传感器组；本发明能够精确绘制检测区域内的大气环境质量三维立体分布图，同时可以完成对监测区域内的大气样本采集和大气环境污染物排放源的追溯工作。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种无人机控制领域的技术，具体是一种用于大气环境在线监测及大气受控采样的无人机系统。
背景技术
大气环境质量与人类的生存健康及安全具有非常密切的联系，大气环境监测则是进行环境保护，预防大气污染的前提。精准有效的大气环境监测数据可以帮助揭示大气中的主要污染物成分和含量，以及这些污染物的迁移和转化过程。同时，监测数据和大气样本的分析结果还可以辅助相应环境保护措施的制定和施行，促进社会的可持续发展。
得益于低成本和高灵活性，无人机可以搭载小型大气环境监测设备进行全地形飞行，相较于超级站、自动站、系留气球、飞艇、民用航空器、卫星遥感和高塔高楼等方式，无人机解决了近地面精确大气环境监测难以进行的问题，同时监测安全也大大提高，填补了目前大气环境在线监测和大气受控采样平台的空白。
发明内容
本发明针对现有技术在规划路线中出现偶发障碍物时无法主动处理、无法实现对大气环境污染物排放源的追溯等缺陷，提出一种用于大气环境在线监测及大气受控采样的无人机系统，通过在无人机上搭载环境监测及采样装置，与地面站装置进行双向数据传输，可对大气环境进行自动连续监测和大气样本受控采集，并进行大气污染排放源的溯源。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：环境监测及采样装置、无人机和地面站装置，其中：环境监测及采样装置设置于无人机上，在监测区域内监测大气环境质量，向地面站装置发送监测信息，并接收地面站装置发送来的无人机控制命令和采样控制命令，在监测区域内进行受控大气样本的采集和大气环境污染物排放源的溯源。
所述的环境监测及采样装置包括：信息处理单元、与信息处理单元相连的飞行控制单元、定位单元、数据传输单元、障碍物监测单元、图像采集单元、采样单元和大气环境传感器组，其中：飞行控制单元接收信息处理单元发送的所述的无人机的飞行路径；定位单元自动实时监测无人机的地理位置信息，并将监测结果发送至信息处理单元；障碍物监测单元自动实时监测无人机附近的障碍物和距障碍物的距离信息，并将监测结果发送至信息处理单元；图像采集单元实时获取监测区域内部的视频影像信息，存储的同时发送至信息处理单元；采样单元根据接收到的信息处理单元的控制命令进行大气样本的获取；大气环境传感器组自动实时监测所处区域内的大气环境质量，并向信息处理单元发送大气环境监测信息和监测结果；数据传输单元接收信息处理单元发送来的无人机的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息，同时向信息处理单元发送无人机控制命令和采样控制命令；信息处理单元根据监测区域的类型和大小自主规划所述的无人机的飞行路径并下载至飞行控制单元，根据接收到的大气环境监测信息和地理位置信息生成大气环境质量三维立体分布图，并结合相应的溯源算法实现对大气环境污染物排放源的追溯。
所述的地理位置信息包括：无人机的GPS坐标、经纬度和海拔高度。
所述的状态信息包括但不限于：飞行速度、飞行海拔高度、飞行姿态和所处的经纬度。
所述的飞行控制单元控制无人机按飞行路径在监测区域内部巡航，并控制无人机在重点监测区域悬停。
所述的数据传输单元将信息处理单元发来的信息发送至地面站装置，并接收地面站装置反馈的无人机控制命令和采样控制命令。
所述的图像采集单元为高清云台摄像头，并带有存储装置。
所述的采样单元包括：采样罐、电磁阀和节流阀，其中：电磁阀控制采样罐的开启和关闭，节流阀控制大气样本流入采样罐的速度。
所述的大气环境传感器组包括：气溶胶浓度传感器、温湿度传感器和气体传感器。
所述的地面站装置包括：地面站信息处理单元、地面站数据传输单元和人机交互单元，其中：地面站数据传输单元将接收到的无人机的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息发送至地面站信息处理单元解码后通过人机交互单元向监测人员显示，并接收人机交互单元发送来的无人机控制命令和采样控制命令；人机交互单元接收监测人员输入的无人机控制命令和采样控制命令，通过地面站信息处理单元编码后发送至地面站数据传输单元。
所述的地面站数据传输单元与环境监测及采样装置的数据传输单元相连。
所述的环境监测及采样装置通过云台设置在无人机上。
所述的云台设有用于吸入无人机周围空气的进气管，通过该进气管同时控制云台内部温湿度，使其在大气环境传感器组的最佳工作温湿度范围内。
技术效果
与现有技术相比，本发明可对监测区域内部的大气环境质量进行自动巡航监测，并根据大气环境监测结果自动绘制大气环境质量三维立体分布图；基于大气环境质量分布图进行进一步分析，可控制无人机在特定位置或区域结合大气采样罐进行受控大气样本采集，并且无人机可根据基于精确地理位置的大气环境质量监测结果结合相应的溯源算法完成对监测区域内大气环境污染物排放源的追溯；在提高大气监测效率和监测精度的同时最大程度降低监测人员的参与度，保障监测人员的安全。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为环境监测及采样装置示意图；
图3为地面站装置示意图；
图4为用于大气环境在线监测及大气受控采样的无人机系统实物图；
图5为大气污染物垂直监测结果示意图；
图6为VOCs垂直采样结果示意图；
图中：1无人机、2环境监测及采样装置、3地面站装置、200信息处理单元、201飞行控制单元、202定位单元、203障碍物监测单元、204大气环境传感器组、205图像采集单元、206采样单元、207数据传输单元、300地面站信息处理单元、301人机交互单元、302地面站数据传输单元。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：环境监测及采样装置2、无人机1和地面站装置3，其中：环境监测及采样装置2设置于无人机1上，在监测区域内监测大气环境质量，向地面站装置3发送监测信息，并接收地面站装置3发送来的无人机控制命令和采样控制命令，在监测区域内进行受控大气样本的采集和大气环境污染物排放源的溯源。
如图2所示，所述的环境监测及采样装置2包括：信息处理单元200、与信息处理单元 200相连的飞行控制单元201、定位单元202、数据传输单元207、障碍物监测单元203、图像采集单元205、采样单元206和大气环境传感器组204，其中：飞行控制单元201接收信息处理单元200发送的所述的无人机1的飞行路径；定位单元202自动实时监测无人机1的地理位置信息，并将监测结果发送至信息处理单元200；障碍物监测单元203自动实时监测无人机1附近的障碍物和距障碍物的距离信息，并将监测结果发送至信息处理单元200；图像采集单元205实时获取监测区域内部的视频影像信息，存储的同时发送至信息处理单元200；采样单元206根据接收到的信息处理单元200的控制命令进行大气样本的获取；大气环境传感器组 204自动实时监测所处区域内的大气环境质量，并向信息处理单元200发送大气环境监测信息和监测结果；数据传输单元207接收信息处理单元200发送来的无人机1的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息，同时向信息处理单元200发送无人机控制命令和采样控制命令；信息处理单元200根据监测区域的类型和大小自主规划所述的无人机1的飞行路径并下载至飞行控制单元201，根据接收到的大气环境监测信息和地理位置信息生成大气环境质量三维立体分布图，并结合相应的溯源算法实现对大气环境污染物排放源的追溯。
所述的地理位置信息包括：无人机1的GPS坐标、经纬度和海拔高度。
所述的状态信息包括但不限于：飞行速度、飞行海拔高度、飞行姿态和所处的经纬度。
所述的飞行控制单元201控制无人机1按飞行路径在监测区域内部巡航，并控制无人机 1在重点监测区域悬停。
所述的定位单元202采用差分GPS定位或其他具有定位功能的芯片，能够精确定位无人机1所处的地理位置。
所述的障碍物监测单元203包括超声波测距传感器和深度图像摄像头，可水平360°旋转，垂直180°转动。
所述的超声波测距传感器和深度图像摄像头位于无人机1的前、后、左、右、上和下，在六个方向同时测量。
所述的数据传输单元207将信息处理单元200发来的信息发送至地面站装置3，并接收地面站装置3反馈的无人机控制命令和采样控制命令。
所述的图像采集单元205为三轴云台的高清摄像头，并带有存储装置。
所述的采样单元206包括：采样罐、电磁阀和节流阀，其中：电磁阀控制采样罐的开启和关闭，节流阀控制大气样本流入采样罐的速度。
所述的采样罐为可通过电信号控制开闭、样本流入速度的大气样本采集装置，如苏玛罐。
所述的采样罐为经过特殊处理用于保存大气样本的专用罐，通过控制罐体开闭的装置和进入罐体的大气流速的装置，可在需要采集大气样本的位置进行大气样本的精确可控采集。
所述的信息处理单元200通过电磁阀控制采样罐的开启和关闭，通过节流阀控制大气样本流入采样罐的速度，从而控制采样单元206完成大气样本采样。
所述的大气环境传感器组204包括：气溶胶浓度传感器、温湿度传感器和气体传感器。
所述的大气环境传感器组204可监测大气中的微细颗粒物(如PM2.5、PM10)浓度、臭氧含量、黑碳浓度、温湿度等。
所述的大气环境传感器组204是一种传感器搭载平台，可搭载多种不同种类的大气环境监测传感器，并支持二次开发，实现自定义传感器种类、规格和数据输出格式。
所述的信息处理单元200可为微处理器、处理芯片或具有数据处理功能的微控制器。
所述的信息处理单元200整合定位单元202、障碍物监测单元203、大气环境传感器组 204和图像采集单元205回传的各项信息，将信息打包后通过数据传输单元207发送至地面站装置3。同时，信息处理单元200通过数据传输单元207接收地面站装置3发送的控制命令，将命令解析后通过飞行控制单元201控制无人机1飞行或悬停、通过采样单元206进行对大气样本的采集。
所述的无人机1为无线电遥控设备或者由机载控制板操控的小型无人驾驶飞行器，如固定翼无人机、多旋翼无人机、无人伞翼机或无人机飞艇。
如图3所示，所述的地面站装置3包括：地面站信息处理单元300、地面站数据传输单元302和人机交互单元301，其中：地面站数据传输单元302将接收到的无人机1的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息发送至地面站信息处理单元300解码后通过人机交互单元301向监测人员显示，并接收人机交互单元301发送来的无人机控制命令和采样控制命令；人机交互单元301接收监测人员输入的无人机控制命令和采样控制命令，通过地面站信息处理单元300编码后发送至地面站数据传输单元302。
所述的地面站数据传输单元302与环境监测及采样装置2的数据传输单元207相连。
所述的数据传输单元207和地面站数据传输单元302为可远距离低延迟高带宽传输数据信息的无线通信装，如基于GSM、GPRS、Wi-Fi、MSK或FSK/GFSK等信号调制原理的无线数据传输电台，用于环境监测及采样装置2与地面站装置3之间的双向信息传输。
所述的地面站信息处理单元300可为微处理器、处理芯片或具有数据处理功能的微控制器，将接收到的无人机1的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息解码后显示在人机交互单元301上，供监测人员了解大气环境监测的进度。
所述的人机交互单元301用于系统与监测人员的交互，具有信息输入和输出功能，为具有液晶显示屏幕的触摸屏或支持键盘鼠标的显示系统，配合相应的软件应用，将接收到的无人机1的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息显示在屏幕上。
所述的地面站装置3可为计算机、具有数据处理和显示功能的电子系统或大气环境监测及污染防控应急中心，用于系统的人机交互。
所述的环境监测及采样装置2通过云台设置在无人机1上。
所述的云台恒温且封闭，具有特制的气泵、进气导管和出气导管，用于吸入无人机1周围的空气，避免无人机1的螺旋桨对大气样本产生影响；同时控制...内部温度固定在大气环境传感器组204的最佳工作温度范围内，防止外界温度对设备的精度产生影响。
工作时，在无人机1上安装好环境监测及采样装置2，开启地面站装置3。信息处理单元200即自行规划无人机1在监测区域内的飞行路径，飞行控制单元201按照规划的飞行路径控制无人机1在监测区域内飞行。无人机1搭载的大气环境监测传感器组和定位单元202处于连续工作状态，精确记录监测区域内不同位置的大气环境质量监测数据，并根据监测信息结合相应的地理位置信息绘制精确的大气环境质量三维立体分布图。
同时，障碍物监测单元203也在连续工作以监测在无人机1的飞行路径上的障碍物信息，并将监测结果实时发送至信息处理单元200，如果飞行路径上存在障碍物且威胁到无人机1的飞行安全，信息处理单元200会及时规划闪避路线，并通过飞行控制单元201控制无人机1进行相应的规避动作。
在无人机1飞行过程中，图像采集单元205连续采集无人机1周围的视频影像信息。
所述的信息处理单元200整合定位单元202、障碍物监测单元203、大气环境传感器组 204和图像采集单元205回传的无人机1的地理位置信息、状态信息、障碍物监测的结果、实时视频影像信息和大气环境监测信息打包后通过数据传输单元207发送至地面站装置3的地面站数据传输单元302；地面站信息处理单元300通过地面站数据传输单元302接收到上述信息后，将这些信息解码并显示在人机交互单元301中，供监测人员查看。
如果需要长时间精确监测某一位置的大气环境质量并采集大气样本，人机交互单元301 接收监测人员输入的无人机控制命令和采样控制命令，经地面站信息处理单元300编码后通过地面站数据传输单元302发送至环境监测及采样装置2的数据传输单元207，信息处理单元200 通过数据传输单元207接收地面站装置3发送的控制命令，将命令解析后通过飞行控制单元 201控制无人机1悬停或按规定的飞行路径飞行、通过采样单元206按命令的流速进行对大气样本的采集。
如果需要自动寻找监测区域内的大气环境污染物排放源，在监测人员发送相应的命令后，信息处理单元200根据大气环境传感器组204和定位单元202提供的大气环境质量监测信息和精确地理位置信息，结合相应的溯源算法完成对大气环境污染物排放源的追溯。
本实施例考虑大气环境传感器组204的灵敏度和无人机1的高机动性，通过信息处理单元200分析监测信息和对应的地理位置信息；障碍物监测单元203监测无人机1巡航过程中出现的偶发障碍物，并将监测信息及时反馈给信息处理单元200，以控制无人机1的闪避动作，保障飞行安全；考虑到大气环境传感器组204中传感器的响应时间、监测误差及VOCs(volatile organic compounds,挥发性有机物)的监测，应在传感器监测的同时进行大气样本的采集，以送入实验室进行更加精确的分析。
上海交通大学已经分别与复旦大学和上海市环境科学研究院一同对本发明实例进行了性能测试，性能测试主要针对大气污染物垂直监测和VOCs采样两个部分。垂直监测测试高度为0到500米，主要监测的大气污染物为PM2.5、O3和CO；VOCs采样测试高度为0到400米。
如图4所示为用于大气环境在线监测及大气受控采样的无人机系统实物图。如图5所示为大气污染物垂直监测结果，如图6为VOCs垂直采样结果，总共监测了91种VOCs，此处以异丁烷为例。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种用于大气环境在线监测及大气受控采样的无人机系统，其特征在于，包括：环境监测及采样装置、无人机和地面站装置，其中：环境监测及采样装置设置于无人机上，在监测区域内监测大气环境质量，向地面站装置发送监测信息，并接收地面站装置发送来的无人机控制命令和采样控制命令，在监测区域内进行受控大气样本的采集和大气环境污染物排放源的溯源；
所述的环境监测及采样装置包括：信息处理单元、与信息处理单元相连的飞行控制单元、定位单元、数据传输单元、障碍物监测单元、图像采集单元、采样单元和大气环境传感器组，其中：飞行控制单元接收信息处理单元发送的所述的无人机的飞行路径；定位单元自动实时监测无人机的地理位置信息，并将监测结果发送至信息处理单元；障碍物监测单元自动实时监测无人机附近的障碍物和距障碍物的距离信息，并将监测结果发送至信息处理单元；图像采集单元实时获取监测区域内部的视频影像信息，存储的同时发送至信息处理单元；采样单元根据接收到的信息处理单元的控制命令进行大气样本的获取；大气环境传感器组自动实时监测所处区域内的大气环境质量，并向信息处理单元发送大气环境监测信息和监测结果；数据传输单元接收信息处理单元发送来的无人机的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息，同时向信息处理单元发送无人机控制命令和采样控制命令；信息处理单元根据监测区域的类型和大小自主规划所述的无人机的飞行路径并下载至飞行控制单元，根据接收到的大气环境监测信息和地理位置信息生成大气环境质量三维立体分布图，并结合相应的溯源算法实现对大气环境污染物排放源的追溯；
所述的地理位置信息包括：无人机所处的经纬度和海拔高度；
所述的状态信息包括：飞行速度、飞行航向角度、飞行姿态、无人机电池电量和采样罐的状态；
所述的地面站装置包括：地面站信息处理单元、地面站数据传输单元和人机交互单元，其中：地面站数据传输单元将接收到的无人机的状态信息、地理位置信息、障碍物和距障碍物的距离信息、监测区域内部的视频影像信息和大气环境监测信息发送至地面站信息处理单元解码后通过人机交互单元向监测人员显示，并接收人机交互单元发送来的无人机控制命令和采样控制命令；人机交互单元接收监测人员输入的无人机控制命令和采样控制命令，通过地面站信息处理单元编码后发送至地面站数据传输单元。
2.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的飞行控制单元控制无人机按飞行路径在监测区域内部飞行或悬停。
3.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的数据传输单元将信息处理单元发来的信息发送至地面站装置，并接收地面站装置反馈的无人机控制命令和采样控制命令。
4.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的图像采集单元为高清云台摄像头，并带有存储装置。
5.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的采样单元包括：采样罐、电磁阀和节流阀，其中：电磁阀控制采样罐的开启和关闭，节流阀控制大气样本流入采样罐的速度。
6.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的大气环境传感器组包括：气溶胶浓度传感器、温湿度传感器和气体传感器。
7.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的障碍物监测单元包括超声波测距传感器和深度图像摄像头，可水平360°旋转，垂直180°转动。
8.根据权利要求7所述的无人机系统，其特征是，所述的超声波测距传感器和深度图像摄像头位于无人机的前、后、左、右、上和下，在六个方向同时测量。
9.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的地面站数据传输单元与环境监测及采样装置的数据传输单元相连。
10.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征是，所述的环境监测及采样装置通过云台设置在无人机上；该云台设有用于吸入无人机周围空气的进气管，通过该进气管同时控制云台内部温湿度，使其在大气环境传感器组的最佳工作温湿度范围内。
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