CN107588804A - 一种基于无人机的气体环境监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于无人机的气体环境监测系统，其包括通过网络链接的无人机和控制终端，所述无人机包括无人机控制系统，所述无人机控制系统至少包括用于测量环境中的各种气体浓度、粉尘含量、温度和/或湿度的测量子系统、导航定位子系统、通信子系统和处理器，导航定位子系统用于确定无人机的位置，并将位置信息提供给处理器，其特征在于，所述测量子系统包括多个传感器、多路复用器、放大器和反相器，其中，多个传感器并行连接于多路复用器，而后依次经过放大器和反相器与处理器相连；处理器通过通信子系统将获得的数据通过经网络发送给控制终端；控制终端至少安装了将环境检测应用程序，所述应用程序将从无人机获取的数据绘制成粉尘浓度、温度、湿度和气体含量曲线。本发明提供的系统能够对任何环境进行智能化、自动化、信息化的全方位监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无人机的气体环境监测系统，属于环境监测领域。
背景技术
众所周知，环境污染已成为现代社会在工业化进程中显现出的重要问题之一，尤其是大气污染问题，雾霾的加剧，酸雨的形成，臭氧的富集等等，无一不影响人们的身心健康。我国目前的大气环境监测主要采取网格划分固定点式监测手段，不能对监测区域进行大面积、多种高度的空间整体检测。另外，当出现突发性事故如工厂爆炸、污染泄漏等情况时，采用人工进行测量，容易发生二次事故。
发明内容
为克服现有技术中存在的技术问题，本发明的发明目的是提供一种无人机环境检测系统，其能够对任何环境进行智能化、自动化、信息化的全方位监测。
为实现所述发明目的，本发明提供一种基于无人机的气体环境监测系统，其包括通过网络链接的无人机和控制终端，所述无人机包括无人机控制系统，所述无人机控制系统至少包括用于测量环境中的各种气体浓度、粉尘含量、温度和/或湿度的测量子系统、导航定位子系统、通信子系统和处理器，导航定位子系统用于确定无人机的位置，并将位置信息提供给处理器，其特征在于，所述测量子系统包括多个传感器、多路复用器、放大器和反相器，其中，多个传感器并行连接于多路复用器，而后依次经过放大器和反相器与处理器相连；处理器通过通信子系统将获得的数据通过经网络发送给控制终端；控制终端至少安装了将环境检测应用程序，所述应用程序将从无人机获取的数据绘制成粉尘浓度、温度、湿度和气体含量曲线。
优选地，多个传感器包括：气体传感器、粉尘传感器、温度传感器和/或湿度传感器。
优选地，气体传感器选自下列传感器中的一种或者几种：二氧化硫传感器、二氧化氮传感器、一氧化氮传感器、一氧化碳传感器、挥发性有机物传感器、臭氧传感器、二氧化氯2传感器、氟化氢传感器、氟气传感器、光气传感器、硅烷传感器、过氧化氢传感器、环氧乙烷传感器、甲硫醇传感器、甲醛传感器、磷化氢传感器、硫化氢传感器、氯化氢传感器、氯气传感器、氢气传感器、氰化氢传感器、四氢噻吩传感器、溴化氢传感器、溴气传感器、氧气传感器、乙烯传感器及可燃性气体传感器。
优选地，环境监测系统还包括气泵，所述气泵通过吸气口抽取环境中待测气体，再通过排气口排给气体传感器以进行检测。
优选地，无人机控制系统还包括摄像子系统，其用于获取被测环境的图像信息，并将图像信息传送给处理器。
优选地，无线网络至少包括设置在被测环境一定区域内的无人机基站。
优选地，无人机基站至少包括多个电机及多个电机的驱动电路，其中每个电机至少包括定子和转子，所述定子至少包括交错且与中心轴呈等角设置的多个第一定子线圈和多个第二定子线圈，所述转子包括极性呈N极性和S极性且交错布置的永久磁铁。
优选地，控制终端选包括：手机、电脑、PAD和/或个人数字助理，用户可在控制终端上给无人机发送指令，无人机根据指令飞机。
优选地，气体环境监测系统还包括通过网络链接的服务器，无人机可将飞行过程中的三维立体监测数据通过网络传送至服务器，进而对测量区域的环境气体建立基于诸如GIS平台的大数据平台。
优选地，气体环境监测系统，其特征在于，无人机可为多旋翼、固定翼、复合翼或倾转翼无人机。
优选地，至少包括GPS接收器，其用于获取无人机的位置信息，所述处理器还将无人机的位置信息叠加到图像信息中，并通过通信子系统实时发送给控制终端，控制终端能实时显示包括无人机的位置信息的图像信息。
与现有技术相比，本发明提供的无人机环境检测系统能够对任何环境进行智能化、自动化、信息化的全方位监测。
附图说明
图1是本发明提供的无人机基站的控制系统的组成示意图；
图2是本发明提供的无人机基站的动力部分的组成电路图；
图3是本发明提供的用于执行测量任务的无人机的控制系统的组成框图；
图4是本发明提供的测量子系统的组成框图；
图5是本明的提供的通信子系统的组成框图；
图6是本发明提供的通信子系统中的高频功率放大电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明，相同的附图标记表示相同的部件。
根据本发明一个实施例提供的基于无人机的气体环境检测系统包括通过网络链接的无人机、控制终端和服务器，所述网络至少包括基站、用于控制基站的基站控制中心和用于数据切换中心，所述网络可以包括现有技术中的固定电话网络、移动电话网络、数据网络等。数据切换中心（MSC）至少包括交换机，所述交换机可以将接收的一种格式信号转换为另一种格式的信号，便于在不同的网络中传输。所述无人机包括无人机控制系统，所述无人机控制系统至少包括用于测量环境中的各种气体浓度、粉尘含量、温度和/或湿度的测量子系统、导航定位子系统、通信子系统和处理器，导航定位子系统用于确定无人机的位置，并将位置信息提供给处理器，处理器通过通信子系统将获得的数据通过经网络发送给控制终端；控制终端至少安装了环境检测应用程序，所述应用程序将从无人机获取的数据绘制成粉尘浓度、温度、湿度和气体含量曲线。控制终端选包括：手机、电脑、PAD和/或个人数字助理，用户可在控制终端上给无人机发送指令，无人机根据指令飞机。无人机可将飞行过程中的监测数据通过网络传送至服务器，进而对测量区域的环境气体建立基于诸如GIS平台的大数据平台。无人机可为多旋翼、固定翼、复合翼或倾转翼无人机等。
发明的一个实施例提供的网络至少包括无人机基站，下面结合附图1-2说明无人机基站。
在一个示例性实施方式中，无线网络中，每个基站均发送导频信号，所述导频信号可由基站覆盖空间中的所有无线电通信系统接收。为避免基站所覆盖区域的边界处的导频干扰，可以采时分复用方式，即相邻基站在在不同时隙中发送导频信号，以便避免相邻小区边界处的干扰。还可以采用频分复用方式，即，即相邻基站发送的导频信号的频率不同。
根据本发明的一个实施例，本发明提供的无人机基站包括机架、动力系统和控制系统，结合图1详细说明本发明提供的无人机基站的控制系统。
如图1所示，根据本发明一个实施例，无人机基站的控制系统包括处理器405、MEMS402、存储器401、存储器408和飞控器406，飞控器406被配置给无人机的伺服机构提供控制信号，无人机的伺服机构示例性地包括四个驱动器和四个电机，如驱动器DR1、驱动器DR2、驱动器DR3、驱动器DR4，如电机M1、电机M2、电机M3、电机M4，四个驱动器分别驱动四个电机。存储器408用于存储控制电机的运行程序及数据。MEMS402用于获取无人机的航向信息并提供给处理器405，航向信息包括俯仰角、横滚角、侧倾角等。
根据本发明一个实施例，无人机基站的控制系统还包括导航定位子系统403，其通过天线A1接收导航定位卫星的关于无人机基站的位置信息及时间信息，并将数据传送给处理器405。控制系统还包括确定无人机基站的位置的其它传感器设备。导航定位子系统403例如为GPS接收器、北斗定位授时接收器等。
根据本发明一个实施例，无人机基站由旋翼飞行器携带无线电子系统并旋停在空中上大致恒定位置而形成。无线电子系统包括无线电子系统包括发信机TX、收信机RX、切换开关405和天线设备A2、所述天线备A2被配置为向一定区域提供电磁信号覆盖，其将接收的电磁波转换为电信号经切换开关404传送给收信机RX；收信机RX被配置成接收天线设备A2传送来的第一射频的电信号，并进行解调，而后传送给处理器405，处理器对接收的信号进行处理而后再通过发信机TX调制到第二射频上，经切换开关404再通过天线设备A2发送出去；第二射频被天线辅射覆盖下另一无线电子系统接收。
天线装置A2可包括多种滤波器、复用器、双工器等。不同频率的无线电信号可能需要不同类型的天线及用于处理不同频率的无线电信号的电子电路。 本发明中的收信机RX和发信机TX可采用现有无线电技术来实现。例如采用基于但不限于蜂窝无线电技术或卫星通信技术来实现。蜂窝无线电技术的常见实例包括但不限于：通用移动电信系统(UMTS)、CDMA 2000等。在给出本发明的内容的情况下，相关领域普通技术人员容易了解可适用于所描述应用的多种可能无线电技术。
本发明中，无人机是指被配置根据设定程序或者地面控制终端发送来的指令自主操作且能在空中旋停较长时间的任何无人操纵的旋翼无人机，该旋翼无人机在空中能够利用太阳能进行供电。无人机基站可在比卫星显著更低的高度处运行，优选地；无人机基站大致旋停几千米至若干千米处。与卫星相比，无人机基站更接近于地面上或者低空，因此无人机所携带的天线要比卫星所携带的天线小得多，无人机基站构造成本和维护成本也比通信卫星低得多。下面结合附图2详细说明根据本发明一个实施例提供的无人机基站的动力部分。
图2是本发明提供的无人机基站中的动力部分的组成电路图，如图2所示，根据一个实施例，发明提供的无人机基站可通过太阳能提供能源，以驱动电机旋转，从而带动旋翼旋转。所述太阳能电源电路包括：光伏电池SE、充电器CH1、电池组E1和MPPT控制模块，光伏电池SE用于将光能转换为电能，光伏电池膜可贴附于天线有上表面或者携带一块光伏板，光伏电池SE的正极输出端连接于充电器的第一输入端，负极输出端经电阻R3连接于充电器的第二输入端；电阻R1和R2相串联而后并联到光伏电池SE两端，其中间节点用于取出光伏电池的取样电压； R3为电流采样电阻，MPPT控制模块根据采样电压和采样电流的值给充电器CH1提供控制信号；依据光伏电池SE输出电压、输出电流的采样值，调节充电器功率，在环境温度、光强发生变化时，使太阳能电池总处于最大功率输出状态，提高太阳能电池的使用效率。无人机基站中的动力部分还包括直馈开关K1，开关K1 的第一端连接于SE的正极输出端，第二端连接于二极管D1的正端，二极管D1的负端向外提供电能，MPPT控制模块还根据太光伏电池输出电压、输出电流的采样值控制直馈开关K1的通断。充电器的第一端出端连接于二极管D2的正极端，二极管D2的负极端连接于电池组E1的正极端，电池组E1的负极端连接于充电器的第二输出端，即共公端，本发明如此设置电路，是为了在阳光充足够时，利用光伏电池SE直接给电机的驱动电路提供电能并给蓄电池充电，在阳光不充足时，利用畜电池给电机的驱动电路提供电能。
根据本发明一个实施例，无人机基站包括四个电机及四个电机的驱动电路，它们的组成相同，以第一个电机M1及其驱动电路为例进行说明，电机M1包括外壳、置于外壳内的定子和转子，还包括与转子的轴一同旋转的速度编码器和整流编码器，速度编码器如VS1，整流编码器如CD1，电机控制电路包括电机驱动器，如DR1，还包括极性控制单元PC1、速度控制单元VC1以及脉宽调制控制单元PWM1，电机驱动器DR1为响应于控制信号而进行开关控制的半导体装置，以将电力传输到定子的第一定子线圈。在这里，由于电机驱动单元DR1设置成向定子的第一定子线圈（电动机线圈）绕组M供应直流电，因此其结构可以根据电动机的类型(定子绕组的相数)而改变。为了驱动一相，需要6个开关元件。这六个开关元件组成桥形结构，可以使用晶体管、IGBT、MOSFET、以及FET作为开关元件。
极性控制单元PC1接收来自电机的整流编码器CD1的光传感器信号，并向电机驱动单元DR1发送用于实现电整流器的控制信号，从而实现电整流器。速度控制单元VC1接收来自电机的速度编码器的编码器VS1信号，并向脉宽调制控制单元PWM1发送速度控制信号。飞控器406根据处理器405发送的指令向脉宽调制控制单元PWM1发送转速的控制信号。脉宽调制控制单元PWM1向电机驱动器DR1发送用于根据控制信号对电机M1的转速进行控制的PWM信号。
电机控制电路DR1还直流整流器H1，该直流整流器对从电机的第二定子绕组（发电机线圈）G产生的交流电进行整流并产生脉动直流电，所述直流电经滤波器C1 滤波产生直流电。同理，在M2的第二定子绕组产生感应电能，该感应电能经整流器H2并经滤波电容C2滤波在产生直流电压；在M3的第二定子绕组产生感应电能，该感应电能经整流器H3并经滤波电容C3滤波在产生直流电压；在M4的第二定子绕组产生感应电能，该感应电能经整流器H3并经滤波电容C3滤波在产生直流电压，将所有产生的直流电压累加并连接到充电器CH2的输入端，充电器CH2将由于电机产生的电能存储蓄电池E1中。
根据本发明一个实施例，电机的定子还包括多个彼此叠置的环形硅片、多个发电机绕组槽、多个电动机绕组槽、多个磁通分割槽、多个抵消消除槽、缠绕在相应发电机绕组槽周围的多个发电机绕组、以及缠绕在相应电动机绕组槽周围的多个电动机绕组。
电动机绕组M用作通过接收来电机电路的电力而使转子旋转的电动机。发电机绕组用作利用由转子旋转感应出的电流而产生电力。 在该实施例中，绕组槽和绕组的总数是6，被分在3个区域中。沿定子周向按如下方式布置M、G、M、G、M和G(即，3个电动机绕组M和3个发电机绕组G)。 电动机绕组M被连接到电机驱动器。发电机绕组G被连接到相应的直流整流器。 当各个相的绕组并联缠绕时，这些绕组通过相位和极性进行分布和缠绕并连接到相应的导线上，彼此之间没有任何连接。
此外，由于在电动机绕组槽与发电机绕组槽之间设有宽度均等相对较窄的磁通分割槽，因此磁通被分割，从而阻断了可供电动机绕组M的磁通流向发电机绕组G的路径，使得电动机绕组M的磁通只可流向定子的磁场，从而使电动机能更有效地驱动。此外，磁通分割槽使电动机绕组槽周围的励磁宽度保持不变，从而使电动机绕组槽可以在驱动期间不影响相邻绕组槽或不受相邻绕组槽影响地进行操作。
在发电机绕组槽与相邻发电机绕组槽之间设有宽度均等且相对较窄的抵消消除槽，以消除磁通相抵，从而提高了发电效率。
转子包括多个彼此叠置的硅片以及多个平坦的永磁体，这些永磁体沿径向埋设在叠置的硅片中。就此而言，永磁体被设计成具有强磁力，以致于可形成相对较宽的磁场表面，因此可使磁通聚集在该磁场表面上，增大磁场表面的磁通密度。转子的极数根据定子的极数而定。
下面详细介绍转子，六个永磁体等距离地彼此间隔开并埋设在叠置的圆形硅片中，且极性呈N极性和S极交错布置的。在叠置的圆形硅片的中心上设有非磁芯，以支撑永磁体和硅片，并且穿过非磁芯的中心设有轴。永磁体形成为平坦形状，并且在永磁体之间形成有空置空间。
使用永磁体的电动机被设计成具有通过转子的被动能量和定子的主动能量相结合而形成的旋转力。为了实现电动机中的超效率，增强转子的被动能量是非常重要的。因此，在本实施例中使用“钕(钕、铁、硼)”磁体。这些磁体增大了磁场表面并使磁通能聚集到转子的磁场上，从而增大了磁场的磁通密度。
与此同时，设置整流编码器和速度编码器来控制电机的旋转。整流编码器CD1和速度编码器VS1被安装在电动机主体外壳的外侧凹部上，以与转子的旋转轴一同旋转。
本发明中提供的无人机基站中的动力部分，有阳光的情况下，将光伏能补充存储于蓄电池E1中，在旋翼旋转时，回收部分电能，该电能也补到蓄电池中，从而提高了蓄电池的使用时长，如此，可使无人机基站较长时间旋停在空中大致的位置，从而使无人机基站实现通信中继成为可能。
图3是本发明提供的用于执行测量任务的无人机的控制系统的组成框图。如图3示，根据本发明一个实施例，执行测量任务的无人机的控制系统包括处理器515、MEMS506、用于插入控制卡513的插入槽513、存储器509、飞行控制器507和伺服机构508，飞行控制控器507被配置给无人机的伺服机构508提供控制信号，无人机的伺服机构508驱动无人机的旋转翼或螺旋浆旋转从而无人机在空中进行飞行，存储器509用于存储运行程序及数据。MEMS506用于获取无人机的航向信息并提供给处理器515，航向信息包括俯仰、横摆、侧倾。根据本发明一个实施例，无人机的控制系统还包括导航定位子系统505，其通过天线接收导航定位卫星的关于自身的位置信息及时间信息，并将数据传送给处理器515。导航系统可包括确定无人机定位的传感器设备。
根据本发明一个实施例，执行测量任务的无人机的控制系统还包括无线电子系统，其包括数字基带单元510、模拟基带单元511、天线和通信卡槽512，天线用于将待发射的电信号转换为电磁波并向一定空间辐射，也用于将空间电磁波转换为电信号而后提供给模拟基带单元511；通信卡槽用于插入通信卡，通信卡存储了所述无人机通信识别号与其使用者一一对应地注册在管理平台中；。
根据本发明一个实施例，通信卡可以采用电信部门的电话卡。发信时，数字基带单元510用于将处理器要发送的数据、源地址、目标地址、校验码等打包成数据帧调并进行信源编码和信道编码形成数字基带信号，而后发送给模拟基带单元511，模拟基带单元511将数字基带信号调制到射频并进行功率放大而后传送给天线；收信时，模拟基带单元将天线传送来的电信号进行小信号放大，而后进行解调取出数字基带信号，并传送给数字基带单元510，数字基带510对数字基带信号进行信道解码、信源解码并解帧取出指令数据，而后将指令数据传送给处理器515，处理器515根据无线通信子系统接收的控制终端的指令调用飞控程序并在能够飞行区域内执行飞行任务。
根据本发明一个实施例，执行测量任务的无人机的控制系统还包障碍物检测器501，其用于获取无人机与障碍物的距离，处理器也根据无人机与障碍物的距离给飞行控制器提供指令，以改变无人机的飞行路线。根据本发明的一个实施例，无线网络中的基站可定期广播其位置信息，便于无人机对其飞行路线进行规划。
根据本发明一个实施例，，执行测量任务的无人机包括GPS接收器，其用于获取无人机的位置信息，所述处理器还将无人机的位置信息叠加到图像信息中，并通过通信子系统实时发送给控制终端，控制终端能实时显示包括无人机的位置信息的图像信息。
本发明中，对于无人机，可经由无线网络与控制终端进行通信，控制终端可以是连接于互联网上的用户，用户可以在任何地方来对无人机进行监控，并获取无人机获取的信息，例如控制终端为计算机，用户通过输入指令经网络向无人机发送指令。也可以通过移动通信网的进行通信的手机，用户通过手机以语音或输入指令的方式经网络向无人机发送指令。
在一个实施方式中，无人机的无线电子系统将其天线波束指向“最佳”基站，并且测量由基站传输的导频信号的强度。无人机选择导频信号最强的基站进行通信。
当无人机沿着其路线行进时，其无线电子系统定期测量来自基站的导频信号。如上所述，每个基站将其覆盖空间中的覆盖区域划分成小区并且在每个小区中定期传输导频信号。无人机定期搜索每个基站导频信号。并对来自不同基站的导频信号的强度排序，基于不同基站导频信号的相对强度来确定是否需要切换至另一基站。切换主要包括如下步骤：首先，无人机的无线电子系统获得其位置坐标并测量对于无人机可见的基站的导频强度。对导频强度进行排序，以确定是否需要切换至另一基站。如果需要切换，无人机将切换发起消息和切换时间发送至与它通信的当前基站以及要切换的基站；当前基站和要切换的基站通知网关切换事件和切换发生时间。 虽然前述切换过程相对于无人机发起程序来描述，但是相关领域普通技术人员容易理解移交过程可由基站、地面控制终端来发起，前述仅仅是例示性的。
根据本发明一个实施例的基于无人机的气体环境监测系统还包括无人机控制系统，所述无人机控制系统至少包括用于测量环境中的各种气体浓度、粉尘含量、湿度及温度的测量子系统514，控制终端至少安装了将环境检测应用程序，所述应用程序将从无人机获取的数据绘制成粉尘浓度、湿度、温度和气体含量梯度曲线。
根据本发明一个实施例的执行测量任务的无人机的控制系统还包括气泵513和用于驱动气泵513的驱动器516，处理器给驱动器发送指令，以使所述气泵通过吸气口抽取环境中待测气体，再通过排气口排给气体传感器以进行检测。
根据本发明一个实施例的执行测量任务的无人机的控制系统还包括摄像子系统，其用于获取被测环境的图像信息，并将图像信息传送给处理器。
本发明中的处理器可包括数字信号处理器(DSP)、微处理器、可编程序逻辑装置(PLD)、门阵列或多个处理组件以及电源管理子系统。处理器还可包括内部高速缓存存储器，所述内部高速缓存存储器被配置成存储从存储器或者控制卡中取得的用于执行的计算机可读指令。 所述存储器包括非暂态计算机介质，所述介质例如包括SRAM、快闪、SDRAM和/或硬盘驱动器(HDD)等。存储器被配置成存储计算机可读指令以便由处理器来执行。
图4是本发明提供的测量子系统的组成框图。如图4所示，多测量子系统包括多种传感器、多路复用器517、放大器518、A/D转换器519和反相器520、其中，多种传感器包括：气体传感器、粉尘传感器和/或温湿度传感器。气体传感器选自下列传感器中的一种或者几种：二氧化硫（SO2）传感器、二氧化氮（NO2）传感器、一氧化氮（NO）传感器、一氧化碳（CO）传感器、挥发性有机物（VOC）传感器、臭氧（O3）传感器、二氧化氯（ClO2）传感器、氟化氢（HF）传感器、氟气（F2）传感器、光气（COCl2）传感器、硅烷（SiH4）传感器、过氧化氢（H2O2）传感器、环氧乙烷（ETO）传感器、甲硫醇（CH3SH）传感器、甲醛（CH2O）传感器、磷化氢（PH3）传感器、硫化氢（H2S）传感器、氯化氢（HCl）传感器、氯气（Cl2）传感器、氢气（H2）传感器、氰化氢（HCN）传感器、四氢噻吩（C4H8S）传感器、溴化氢（HBr）传感器、溴气（Br2）传感器、氧气（O2）传感器、乙烯（C2H4）传感器及可燃性气体传感器。多路复用器517用于将多个传感器中的一个传感器提供的电信号传送给放大器518进行放大，而后经A/D转换器519转换为数字信号，而后经反相器520提供给处理器以供处理器515进行数据处理。
根据本发明一个实施例，无人机控制系统至少包括无线电子系统，处理器515通过无线电子系统与控制终端进行通信。下面结给图5-6详细说明本发明提供的无线电子系统。
图5是本发明提供的无线电子系统的组成框图，如图5所示，无线电子系统包括数字基带电路510、OFDM产生器527、调制器523、载波产生器524、高频功率放大电路525和功放电源526，OFDM产生器527用于将数字基带序列串并变换并调制到N个子载波上，接着进行IFFT变换形成并行的时域数据，即并行的OFDM符号，将所述并行的时域数据进行并串变换形成串行的OFDM符号，而后在每个串行的OFDM符号间插入保护间隔形成串行的插入了保护间隔的OFDM符号数据流；所述调制器523用于将OFDM产生器527所提供的信号调制到振荡器524所产生的载波以产生调制波，所述高频功率放大电路525用于对调制器产生的调制波进行功率放大并提供给天线，本发明提供的无线电子还包括延迟器522和幅度检测器521，所述延迟器522用于将OFDM产生器527所产生的调制信号进行延迟而后提供给调制器523；所述幅度检波器521用于提取数字基带产生器510所产生的调制信号的幅值并提供给处理器515，所述处理器515根据该幅值控制功放电源526的输出电压，以供给高频功率放大电路525。
所述功放电源526包括n级直流电压单元，各直流电压单元经电子开关相串联，每个直流电压单元包括一个电池组（如E1、E2和En）、一个续流二极管（如D1、D2和Dn）和一个电子开关（如T1、T2和Tn），电池组的正极连接到续流二极管的负极；续流二极管的正极连接到电子开关的第一端，电子开关的第二端连接到电池组的负极，电子开关的控制端连接到处理器，处理器根据幅度检测器提供的信号控制电子开关的通断, 所述n为大于或者等于2的整数。
更具体地，第一个直流电压单元包括一个电池组E1、一个续流二极管D81和一个电子开关T1，电子开关为CMOS管，所述电池组E1的正极连接于续流二极管D81的负极；续流二极管D81的正极连接到CMOS管T1的漏极，CMOS管T1的源极连接到所述电池组E1的负极，CMOS管T1的栅极连接到处理器515的一个输出端，处理器515控制CMOS管T1通断。CMOS管T1工作于开关状态，当CMOS管T1的栅极输入一个高电位时，CMOS管T1导通，电池组E1的负极相当于接到续流二极管D81的正极。续流二极管D1两端的电压为E1，上端为正，下端为负。当CMOS管T1的栅极输入一个低电位时，CMOS管T1截止。续流二极管D81两端的电压为二极管结电压。
第二个直流电压单元包括一个电池组E2、一个续流二极管D82和一个电子开关T2，电子开关为CMOS管，所述电池组E2的正极连接于续流二极管D2的负极；续流二极管D82的正极连接到CMOS管T2的漏极，CMOS管T2的源极连接到所述电池组E2的负极，CMOS管T2的栅极连接到处理器515的一个输出端，处理器515控制CMOS管T2通断。CMOS管T2工作于开关状态，当CMOS管T2的栅极输入一个高电位时，CMOS管T2导通，电池组E2的负极相当于接到续流二极管D2的正极。续流二极管D82两端的电压为E2，上端为正，下端为负。当CMOS管T2的栅极输入一个低电位时，CMOS管T2截止。续流二极管D82两端的电压为二极管结电压。
依次类推，第n个直流电压单元包括一个电池组En、一个续流二极管D8n和一个电子开关Tn，电子开关为CMOS管，所述电池组En的正极连接于续流二极管Dn的负极；续流二极管Dn的正极连接到CMOS管Tn的漏极，CMOS管Tn的源极连接到所述电池组En的负极，CMOS管Tn的栅极连接到处理器700的一个输出端，处理器515控制CMOS管Tn通断。CMOS管Tn工作于开关状态，当CMOS管Tn的栅极输入一个高电位时，CMOS管Tn导通，电池组En的负极相当于接到续流二极管D8n的正极。续流二极管Dn两端的电压为En，上端为正，下端为负。当CMOS管Tn的栅极输入一个低电位时，CMOS管Tn截止。续流二极管D8n两端的电压为二极管结电压。
如此，如果每个直流电压单元的电子开关均同时导通的情况下，直流调制电源总的输出总电压为Vcc1=E1+E2+…+En。本发明中各个直流电压单元输出的电压值相同。
本发明中，处理器515根据幅度检波器提供的信号控制各个电子开关的通断，当幅度大时，使多个电子开关导通，给功率放大器提供高的供电电源，当幅度小时，使其中的几个电子开关导通，给功率放大器提供小的共电电源。只要使相应个的输出电源之和略大于所检测的幅度值就可，如此配置功放电源大大节省了能源，从而进一步延长了无人机的飞行时长。
图6是本发明提供的通信子系统中的高频功率放大器的电路图，如图6所示，本发明提供的高频功率放大电路包括高频信号输入端IN、输入匹配网络300、放大器、输出匹配网络400、高频信号输出端OUT及偏置电路，放大器由高功放管T44组成，高频信号输入端IN经输入匹配网络300进行阻抗匹配，而将信号输入到高功放管T44的基极，高功放管T44的集电极输出的信号经输出匹配网络与天线回路进行阻抗匹配而后将信号输入到天线回路，偏置电路由晶体管T43和电阻R47组成，晶体管T43的基极连接于电阻R42的第一端，电阻R42的第二端经电阻R41连接于控制电压Vcon，晶体管T43的集电极连接于电源Vcc1,发射极经电阻R47给高功放管T44的基极提供电流。
优选地，高频功率放大电路还包括温度补偿电路，温度补偿电路包括晶体管T41、晶体管T42、电阻R42、电阻R43、电阻R44、二极管D41、二极管D42和电容C42组成，其中，晶体管T42的基极连接于电阻R42的第二端，集电极经电阻R43连接于电源Vcc1，发射级经电阻R44连接于地。晶体管T41的集电极连接于电阻R42的第一端，发射极连接于地，基极连接于晶体管T42的发射极。二极管D41的负极连接于晶体管T42的基极，正极连接于二极管D42的正极；二极管D42的负极连接于晶体管T41的集电极，正极经电容C42连接于地。本发明由于采用了如此结构的温度补偿电路，使得高频功率放大电路的温度补偿能力大大提高。
根据一实施例，高频功率放大电路还包括用于稳定偏置晶管基极电位的稳压电路，所述稳压电路包括电容C41和电感L41，电容C41和电感L41相串联而后连接于晶体管43的基极和地之间。
以上结合附图详细说明了本发明的工作原理，但是具体实施方式仅是用于示范地说明本发明。说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于无人机的气体环境监测系统，其包括通过网络链接的无人机和控制终端，所述无人机包括无人机控制系统，所述无人机控制系统至少包括用于测量环境中的各种气体浓度、粉尘含量、温度和/或湿度的测量子系统、导航定位子系统、通信子系统和处理器，导航定位子系统用于确定无人机的位置，并将位置信息提供给处理器，其特征在于，所述测量子系统包括多个传感器、多路复用器、放大器和反相器，其中，多个传感器并行连接于多路复用器，而后依次经过放大器和反相器与处理器相连；处理器通过通信子系统将获得的数据通过经网络发送给控制终端；控制终端至少安装了将环境检测应用程序，所述应用程序将从无人机获取的数据绘制成粉尘浓度、温度、湿度和气体含量曲线。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，多个传感器包括：气体传感器、粉尘传感器、温度传感器和/或湿度传感器。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，气体传感器选自下列传感器中的一种或者几种：二氧化硫传感器、二氧化氮传感器、一氧化氮传感器、一氧化碳传感器、挥发性有机物传感器、臭氧传感器、二氧化氯2传感器、氟化氢传感器、氟气传感器、光气传感器、硅烷传感器、过氧化氢传感器、环氧乙烷传感器、甲硫醇传感器、甲醛传感器、磷化氢传感器、硫化氢传感器、氯化氢传感器、氯气传感器、氢气传感器、氰化氢传感器、四氢噻吩传感器、溴化氢传感器、溴气传感器、氧气传感器、乙烯传感器及可燃性气体传感器。
4.根据权利要求3所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，还包括气泵，所述气泵通过吸气口抽取环境中待测气体，再通过排气口排给气体传感器以进行检测。
5.根据权利要求4所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，其特征在于，无人机控制系统还包括摄像子系统，其用于获取被测环境的图像信息，并将图像信息传送给处理器。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，无线网络至少包括设置在被测环境一定区域内的无人机基站。
7.根据权利要求6所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，无人机基站至少包括多个电机及多个电机的驱动电路，其中每个电机至少包括定子和转子，所述定子至少包括交错且与中心轴呈等角设置的多个第一定子线圈和多个第二定子线圈，所述转子包括极性呈N极性和S极性且交错布置的永久磁铁。
8.根据权利要求7所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，控制终端选包括：手机、电脑、PAD和/或个人数字助理，用户可在控制终端上给无人机发送指令，无人机根据指令飞行。
9.根据权利要求8所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于，还包括通过网络链接的服务器，无人机可将飞行过程中的三维立体监测数据通过网络传送至服务器，进而对测量区域的环境气体建立基于诸如GIS平台的大数据平台。
10.根据权利要求1-9任一所述的基于无人机的气体环境监测系统，其特征在于至少包括GPS接收器，其用于获取无人机的位置信息，所述处理器还将无人机的位置信息叠加到图像信息中，并通过通信子系统实时发送给控制终端，控制终端能实时显示包括无人机的位置信息的图像信息。
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