CN109406353B - 一种无人机、空气污染监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机，包括无人机本体、安装在所述无人机本体底部的全向采样装置，以及安装在所述无人机本体的内部并与所述全向采样装置相连通的监测装置；所述全向采样装置用于在无人机飞行至高空时，对周围空气进行全向吸气式采样；所述监测装置用于对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测。本发明还公开了一种空气污染监测系统及方法。本发明能够有效提高空气污染检测的准确性。

Description

一种无人机、空气污染监测系统及方法
技术领域
本发明涉及环保空气监测技术领域，尤其涉及一种无人机、空气污染监测系统及方法。
背景技术
随着无人机操作技术的逐步成熟和其独特的工作条件和工作模式，无人机开始逐渐的应用于环保行业当中，例如用于水污染监测行业中定期定点的水样采取，以监测水样品的污染变化情况。无人机独特的高空作业模式，长距离的远程操作，同样为空气监测提供了新的工作平台。
如今中国市场空气传感器监测技术尚未成熟，虽然现有技术通过挂架方式使用微型传感器或小型检测设备直接在高空采样，但是此种检测系统通常采用扩散式采样方式，不能有效控制空气流动的稳定性(流速)以及污染物质分布的均匀性，从而不能保证测量数据的准确性，尤其在污染物垂直分布的研究上。同时，对于传感器在大范围温湿度变化下的数据精度以及颗粒物采样在风速风向影响下的误差都也没有较好的解决技术方式。另外也有市场和学术研究中也有基于大型无人机和系留热气球平台的大型监测系统，但是此种方式的高成本较高、大载荷较大以及高空操作的危险性极大，都限制了无人机在空气监测领域的应用高空监测的应用范围。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种无人机、空气污染监测系统及方法，能够有效提高空气污染检测的准确性。
本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种无人机，包括无人机本体、安装在所述无人机本体底部的全向采样装置，以及安装在所述无人机本体的内部并与所述全向采样装置相连通的监测装置；
所述全向采样装置用于在无人机飞行至高空时，对周围空气进行全向吸气式采样；
所述监测装置用于对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测。
优选地，所述全向采样装置呈渐变缩径喇叭状结构，所述全向采样装置中直径大的一端通过固定件与所述无人机本体连接，所述全向采样装置中直径小的一端通过管道与所述监测装置连通；
所述全向采样装置包括连接板和管道件；所述连接板和所述管道件的相邻处通过固定件可拆卸连接，且相邻处具有间隙以构成风洞口，使所述风洞口、所述管道件和所述管道形成四周进气的全向通路。
优选地，所述全向采样装置为可伸缩的采样装置，用于调节风洞口与无人机本体之间的距离。
进一步地，所述全向采样装置中靠近所述监测装置的一端设置有泵，所述监测装置包括与所述泵电连接的控制器；
所述控制器用于在采样时，控制所述泵吸气，使所采样的空气通过所述全向通路流入所述监测装置。
进一步地，所述控制器具体用于在采样时，根据采样口面积、风洞口高度和风速大小，控制所述泵的吸气流量。
进一步地，所述监测装置还包括传感器组件和颗粒物监测装置；
所述传感器组件包括至少一种气体传感器，每种所述气体传感器用于在温度和湿度恒定的环境中，检测所采样的空气中是否具有对应的污染物，以获取污染物组分；
所述颗粒物监测装置用于分辨所采样的空气中的不同粒径的颗粒物，并对每种粒径的颗粒物进行浓度检测。
进一步地，所述颗粒物监测装置包括切割头组件和颗粒物传感器；
所述切割头组件包括至少一种规格的物理切割头，每种物理切割头用于分辨其对应的粒径的颗粒物；
所述颗粒物传感器用于对每种粒径的颗粒物进行浓度检测。
进一步地，所述监测装置还包括与服务器无线通信的收发器；
所述收发器用于将检测到的污染物组分和颗粒物浓度发送给所述服务器，以供数据显示和分析。
另一方面，本发明提供一种空气污染监测系统，包括上述无人机，以及与所述无人机无线连接的服务器；
所述无人机用于将检测到的污染物组分和颗粒物浓度发送给所述服务器；
所述服务器用于将所述污染物组分和所述颗粒物浓度保存到数据库，以供数据显示和分析。
另一方面，本发明提供一种空气污染监测方法，应用于上述无人机中，所述方法包括：
在无人机飞行至高空时，全向采样装置对周围空气进行全向吸气式采样；所述全向采样装置安装在无人机本体的底部；
监测装置对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测；所述监测装置安装在所述无人机本体的内部并与所述全向采样装置相连通。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
在无人机飞行至高空时，通过全向采样装置对周围空气进行全向吸气式采样，实现对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测，在高空不同风向条件下采用全向吸气式采样，保证采集空气分布的均匀性及气流稳定性，提高采样质量，进而提高检测准确性；在温度和湿度恒定的环境中，采用至少一种气体传感器进行检测，提高传感器检测精准度，且同时对多种污染物同时进行检测，提高检测效率；采用至少一种物理切割头分辨不同颗粒物，提高颗粒物分辨的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的无人机的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的无人机中的全向采样装置的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的无人机中的全向采样装置的结构分布示意图；
图4是本发明实施例一提供的无人机的具体结构示意图；
图5是本发明实施例二提供的空气污染监测系统的结构示意图；
图6是本发明实施例三提供的空气污染监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术在无人机中存在的采样误差大、检测不准确等技术问题，本发明旨在提供一种无人机，其核心思想是：包括无人机本体、安装在所述无人机本体底部的全向采样装置，以及安装在所述无人机本体的内部并与所述全向采样装置相连通的监测装置，在无人机飞行至高空时，通过全向采样装置对周围空气进行全向吸气式采样，实现对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测。本发明所提供的无人机在高空不同风向条件下采用全向吸气式采样，保证采集空气分布的均匀性及气流稳定性，提高采样质量，进而提高检测准确性。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种无人机，参见图1，该无人机包括无人机本体1、安装在所述无人机本体1底部的全向采样装置2，以及安装在所述无人机本体1的内部并与所述全向采样装置2相连通的监测装置3；
所述全向采样装置2用于在无人机飞行至高空后，对周围空气进行全向吸气式采样；
所述监测装置3用于对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测。
需要说明的是，针对高空风速风向的快速变化导致的颗粒物采样误差问题，本发明提供一个可用于高空气体采样的小型紧凑360°全向等速采样装置，即全向采样装置，该全向采样装置采用标准接头尺寸可灵活安装于监测不同颗粒物和气体的监测装置上。
在无人机飞行至高空后，由于无人机飞行的旋浆搅动周围的空气以及高空条件下不能预测不同的风向条件对测量点周围污染物的浓度、颗粒物的分布以及空气的流速造成的影响，因此全向采样装置对周围空气进行全向吸气式采样，全向360°的采集范围，尽可能的保证采集空气分布的均匀性及气流稳定性。在采集空气后，监测装置对采样的空气进行污染物组分和颗粒物浓度的检测，为日后对空气污染物研究测量提供宝贵的测量数据来源。
优选地，如图2所示，所述全向采样装置2呈渐变缩径喇叭状结构，所述全向采样装置2中直径大的一端通过固定件25与所述无人机本体1连接，所述全向采样装置中直径小的一端通过管道23与所述监测装置3连通。
如图3所示，所述全向采样装置2包括连接板21和管道件22；所述连接板21和所述管道件22的相邻处通过固定件可拆卸连接，且相邻处具有间隙以构成风洞口24，使所述风洞口24、所述管道件22和所述管道23形成四周进气的全向通路。
其中，连接板和管道件之间通过螺丝可拆卸连接，且连接板和管道件的相邻处设置360°的风洞口，以在采样时，空气从风洞口进入，并通过管道件22、管道23流入监测装置。另外，全向采样装置使用的材料为铝，不锈钢等。全向采样装置基于气动力学原理进行设计，保证风洞口360°全方面的采样均匀，尽可能的保证采集空气分布的均匀性及气流稳定性，将采样误差降低到最小，从而提高采样精准度。
优选地，所述全向采样装置为可伸缩的采样装置，用于调节风洞口与无人机本体之间的距离。
需要说明的是，全向采样装置中还设置有可伸缩的采样管，通过调节伸缩大小可调节风洞口与无人机本体的距离，例如0.2至1米。在无人机悬停时，一般控制风洞口距离无人机本体高度1m处采样，从而避免了无人机旋翼搅动对污染物浓度和流量大小等环境因素的影响。
进一步地，所述全向采样装置中靠近所述监测装置的一端设置有泵，所述监测装置包括与所述泵电连接的控制器；
所述控制器用于在采样时，控制所述泵抽气，使所采样的空气通过所述全向通路流入所述监测装置。
需要说明的是，全向采样装置采用微型气泵实现全向吸气式采样。采样时，控制器控制泵工作，泵进行抽气，以使空气通过风洞口、管道件和管道吸入到监测装置进行监测。
进一步地，如图3和图4所示，所述控制器35具体用于在采样时，根据采样口面积、风洞口高度和风速大小，控制所述泵的吸气流量。
泵的吸气流量的计算公式如下：
Q/u＝H×π×D
其中，泵的吸气流量为Q；风洞口高度为H；等速采样口的顶端直径为D，平均风速为u。
其中，无人机高空作业，容易受到大气环境以及风速的影响，使得大气监测过程中气体颗粒物的损失。采样装置采用流线型弯曲管道结构，根据采样口面积S、风洞口高度H，确定应用不同风速大小u的测量环境，计算泵吸流量，从而最小化采样颗粒损失及最大化传输效率。
进一步地，如图4所示，所述监测装置3还包括传感器组件31和颗粒物监测装置；
所述传感器组件31包括至少一种气体传感器，每种所述气体传感器用于在温度和湿度恒定的环境中，检测所采样的空气中是否具有对应的污染物，以获取污染物组分；
所述颗粒物监测装置用于分辨所采样的空气中的不同粒径的颗粒物，并对每种粒径的颗粒物进行浓度检测。
进一步地，如图4所示，所述颗粒物监测装置包括切割头组件32和颗粒物传感器33；
所述切割头组件32包括至少一种规格的物理切割头，每种物理切割头用于分辨其对应的粒径的颗粒物；
所述颗粒物传感器33用于对每种粒径的颗粒物进行浓度检测。
需要说明的是，传感器组件中一般设有多个气体传感器，每个气体传感器对应检测一种污染物，例如气体传感器包括一氧化氮传感器，二氧化氮传感器等等，其中，一氧化氮传感器检测空气中的一氧化氮，二氧化氮传感器检测空气中的二氧化氮。通过传感器组件可同时检测出常规大气污染物，如一氧化氮，二氧化氮，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫，臭氧等，也可检测出工业污染气体，如硫化氢，氨气，挥发性有机物等。另外，微型气体传感器的稳定性很大的程度上会受到外界环境条件的影响，尤其是外界环境温度和湿度的变化。为了保证高空环境条件下气体传感器的稳定测量，需要尽可能降低外界环境中温湿度对气体传感器性能的影响。本发明将气体传感器为超薄的均匀加热的恒温系统中，在空气流入传感器组件时，保证气体所处温度的同时也控制了气体的相对湿度，使得气体传感器测量稳定且精准。其中，气体传感器采用高效快速温度控制，即采用电化学、光学或金属氧化物传感器操作模式，通过PWM，PID等实现温度控制，从而极大降低高空监测在不同高度的短时间温差剧变对气体传感器工作性能的影响。
切割头组件中一般设有多种规格的物理切割头，且可根据需求更换切割头，相对于现有技术中的光学检测仪来说，真实物理切割头(空气动力学中粒径小于或等于10微米，小于或等于2.5微米及小于或等于1微米的金属切割器)可以准确的分辨测量不同粒径的颗粒物，例如可吸入颗粒物PM10(颗粒直径小于10微米)，细颗粒物PM2.5(颗粒直径小于2.5微米)，以及极细颗粒物PM1(颗粒直径小于1微米)。采用切割头组件可细化测量颗粒物的总类，同时在复杂的高空监测环境下保证数据精准，对日后人类对颗粒污染物研究测量上，提供了宝贵的测量数据来源。
在具体实施过程中，空气在通过全向采样装置流入监测装置后，空气分别流向各个气体传感器和各个物理切割头，各个气体传感器在温度和湿度恒定的环境中，检测空气中是否具有其所能检测的污染物，若检测到，则说明空气中具有其所检测的污染物，统计各个气体传感器的检测结果即可获取空气中的污染物组分。各个物理切割头对空气中不同粒径的颗粒物进行无损采样，进而使颗粒物传感器对每种粒径颗粒物的浓度进行检测，如颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、超细颗粒物(PM1)的浓度监测等，另外还可搭载小型检测设备用于黑碳等其他颗粒物的组分监测。本实施例搭配多种气体传感器，实现多种空气污染物的同时测量，且配合不同粒径大小的物理切割器，实现多种颗粒污染物的同时测量。
进一步地，如图4所示，所述监测装置3还包括与服务器52无线通信的收发器34；
所述收发器34用于将检测到的污染物组分和颗粒物浓度发送给所述服务器4，以供数据显示和分析。
需要说明的是，数据稳定的传输是系统高性能的有效保证。无人机选用独立的主芯片操作系统，可实现多种模式的无线传输，最高远程传输距离可达到1000m。监测装置中的控制器35还分别与传感器组件31、颗粒物传感器33和收发器34连接，在控制器35获取传感器组件31和颗粒传感器33检测到的空气中的污染物组分和颗粒物浓度后，通过收发器34将数据传输给地面服务器52平台，使得监控人员可直接通过服务器4从数据库调用测量数据，以进行在线显示和浓度数据分析等。
本发明实施例采用全向吸气式采样颗粒物和气体，较传统的扩散式采样相比，可以提高系统反应速度，高速运行条件下实现高分辨和高质量采样。采用微型传感器配合紧凑型的结构件，组合成一套高集成的微型监测装置用于无人机搭载监测，解决了在无人机搭载监测领域中测量种类单一以及精度不准确、误差较大的问题，有效提高采样精准度，进而提高监测准确性。
实施例二
本发明实施例提供了一种空气污染监测系统，如图5所示，包括实施例一种的无人机51，以及与所述无人机51无线连接的服务器52；
所述无人机51用于将检测到的污染物组分和颗粒物浓度发送给所述服务器52；
所述服务器52用于将所述污染物组分和所述颗粒物浓度保存到数据库，以供数据显示和分析。
无人机系统采用独立主芯片可采用多种无线传输模式实现与服务器进行通信，地面工作台通过数据库方式接收显示分析数据。
实施例三
本发明实施例提供了一种空气污染监测方法，如图6所示，能够应用于实施例一的无人机中，所述方法包括：
S1、在无人机飞行至高空时，全向采样装置对周围空气进行全向吸气式采样；所述全向采样装置安装在无人机本体的底部；
S2、监测装置对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测；所述监测装置安装在所述无人机本体的内部并与所述全向采样装置相连通。
本发明实施例在无人机飞行至高空时，通过全向采样装置对周围空气进行全向吸气式采样，实现对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测，在高空不同风向条件下采用全向吸气式采样，保证采集空气分布的均匀性及气流稳定性，提高采样质量，进而提高检测准确性；在温度和湿度恒定的环境中，采用至少一种气体传感器进行检测，提高传感器检测精准度，且同时对多种污染物同时进行检测，提高检测效率；采用至少一种物理切割头分辨不同颗粒物，提高颗粒物分辨的准确性。
综上所述，本发明提出了一种无人机、空气污染监测系统及方法，其具有较好的实用效果：通过无人机独特的工作条件实现很多较难实现的空气测量，例如：船舶排放监测；化学工厂烟囱排放监测；事故泄漏高浓度污染物应急监测；园区常规地点定期监测；交通运输及道路周边的空气扩散模式；高层建筑污染物浓度垂直分布等。本发明实施例不仅仅可用于工业环保监测、市政环保监测，同样也可以帮助高校实现对多种污染物的大气分布的研究。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人机，其特征在于，包括无人机本体、安装在所述无人机本体底部的全向采样装置，以及安装在所述无人机本体的内部并与所述全向采样装置相连通的监测装置；
所述全向采样装置用于在无人机飞行至高空时，对周围空气进行全向吸气式采样；
所述监测装置用于对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测；
所述全向采样装置呈渐变缩径喇叭状结构，所述全向采样装置中直径大的一端通过固定件与所述无人机本体连接，所述全向采样装置中直径小的一端通过管道与所述监测装置连通；
所述全向采样装置包括连接板和管道件，管道件呈渐变缩径喇叭状结构，连接板呈圆板状面向所述管道件的喇叭口；所述连接板和所述管道件的相邻处通过固定件可拆卸连接，且相邻处具有间隙以构成绕所述全向采样装置的中心轴360 °的风洞口，使所述风洞口、所述管道件和所述管道形成四周进气的全向通路。
2.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述全向采样装置为可伸缩的采样装置，用于调节风洞口与无人机本体之间的距离。
3.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述全向采样装置中靠近所述监测装置的一端设置有泵，所述监测装置包括与所述泵电连接的控制器；
所述控制器用于在采样时，控制所述泵吸气，使所采样的空气通过所述全向通路流入所述监测装置。
4.如权利要求3所述的无人机，其特征在于，所述控制器具体用于在采样时，根据采样口面积、风洞口高度和风速大小，控制所述泵的吸气流量。
5.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述监测装置还包括传感器组件和颗粒物监测装置；
所述传感器组件包括至少一种气体传感器，每种所述气体传感器用于在温度和湿度恒定的环境中，检测所采样的空气中是否具有对应的污染物，以获取污染物组分；
所述颗粒物监测装置用于分辨所采样的空气中的不同粒径的颗粒物，并对每种粒径的颗粒物进行浓度检测。
6.如权利要求5所述的无人机，其特征在于，所述颗粒物监测装置包括切割头组件和颗粒物传感器；
所述切割头组件包括至少一种规格的物理切割头，每种物理切割头用于分辨其对应的粒径的颗粒物；
所述颗粒物传感器用于对每种粒径的颗粒物进行浓度检测。
7.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述监测装置还包括与服务器无线通信的收发器；
所述收发器用于将检测到的污染物组分和颗粒物浓度发送给所述服务器，以供数据显示和分析。
8.一种空气污染监测系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的无人机，以及与所述无人机无线连接的服务器；
所述无人机用于将检测到的污染物组分和颗粒物浓度发送给所述服务器；
所述服务器用于将所述污染物组分和所述颗粒物浓度保存到数据库，以供数据显示和分析。
9.一种空气污染监测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一项所述的无人机中，所述方法包括：
在无人机飞行至高空时，全向采样装置对周围空气进行全向吸气式采样；所述全向采样装置安装在无人机本体的底部；
监测装置对所采样的空气中的污染物组分和颗粒物浓度进行检测；所述监测装置安装在所述无人机本体的内部并与所述全向采样装置相连通。
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