CN109911229A - 一种环保监测无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环保监测无人飞行器，包括无人机主体、气体监测模块、无线网络收发模块、控制系统，所述无人机主体包括机体、旋翼、云台组件、飞行模块，所述飞行模块包括GPS导航系统、航姿控制系统、高度计，其特征在于：所述机体的云台组件枢装连接云台机架，所述云台机架上设置升降装置，所述气体监测模块放置在升降装置上。本发明通过设置气体监测模块，可利用无人机进行特殊区域的气体排放监测，由于无人机处于高位，对排放气体监测，有较大的优势，而气体监测模块带有挂绳绕盘，使监测仪器与无人机主体保持适当距离，避免无人机桨叶扰动气流而影响监测结果。

Description

一种环保监测无人飞行器

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体涉及用于环保监测的飞行器。

背景技术

无人飞行器简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。在环保领域中，常需要用探测模块在特定的场合下及时的做好监测工作，例如，针对工厂的污染物排放监测多为在烟囱出口处使用监测仪监测排放气体，采用无人飞行器可以较好地实现环保监测的目的，对于避免由工业污染引发的雾霾，防止出现危害人类健康的因素具有重要意义。然而，由于无人机的旋翼转动使周围空气产生严重扰动，因此，极大地影响了监测的结果，这是长期困扰环保无人机监测业界的难题。有些专家采用系统补偿算法来弥补空气扰动对监测结果的影响，通过建立数学模型，模拟无人机桨叶的空气流动进行仿真计算，从而对检测数据进行补偿。但目前看，其效果并不理想。

随着工业技术的发展，污染排放也日益严重，环境恶化已经是目前人类面临的最严重的问题，因此，在环保监测领域开发一款能够准确地对废气排放进行有效监测的无人机，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环保监测无人飞行器，它能避免受到旋翼转动对检测结果所带来的干扰，从而准确地对气体排放进行有效监测，以克服现有技术的不足。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种环保监测无人飞行器，包括无人机主体、气体监测模块、无线网络收发模块、控制系统，所述无人机主体包括机体、旋翼、云台组件、飞行模块，所述飞行模块包括GPS导航系统、航姿控制系统、高度计，其特征在于：所述机体的云台组件枢装连接云台机架，所述云台机架上设置升降装置，所述气体监测模块放置在升降装置上。

所述气体监测模块内置用于贮存监测数据的存贮器。

所述气体监测模块还包括无线数据链路，从而将污染物浓度信息实时传输至地面站的分析软件。

所述升降装置包括电动绕盘、设备挂架，所述电动绕盘由电机驱动，所述电动绕盘包括绕线轮、主轴、牵引绳，所述牵引绳缠绕在绕线轮上，所述绕线轮与主轴同步转动，所述牵引绳的末端连接设备挂架，所述气体监测模块以可拆卸方式放置在设备挂架上。

所述主轴与电机通过离合器连接。

所述牵引绳的长度L与无人机的旋翼数量N、旋翼转速ω、旋翼桨叶的长度A存在以下关系：L＝3+ω÷6000+N÷1.75+A÷15。

所述云台组件的竖杆上设置万向接头，使所述云台机架在无人机主体飞行时保持自重垂直吊挂状态。

所述设备挂架上设置底座，所述气体监测模块放置在底座上，设备挂架上还安装若干引线，引线的末端通过快速接头与所述气体监测模块相连接。

所述牵引绳的长度L在4-12米范围内。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种环保监测无人飞行器，通过设置气体监测模块，可利用无人机进行特殊区域的气体排放监测，由于无人机处于高位，对排放气体监测，有较大的优势，而气体监测模块带有挂绳绕盘，使监测仪器与无人机主体保持适当距离，避免无人机桨叶扰动气流而影响监测结果。

附图说明

图1是本发明环保监测无人飞行器的结构示意图。

图2是本发明环保监测无人飞行器的云台机架结构示意图。

图3是本发明环保监测无人飞行器的云台机架结构零件拆分示意图。

图4是本发明环保监测无人飞行器的升降装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接。也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

参见图1-4，一种环保监测无人飞行器，包括无人机主体1、气体监测模块2、无线网络收发模块、中央控制系统、云台机架3、升降装置4，气体监测模块用于监测特定区域排放的气体状况，监测的数据通过所述无线网络收发模块发送至中央控制系统，中央控制系统包括遥控及遥测通讯设备、数据接收模块、数据处理模块、报警触发模块。无人机主体由机体、旋翼6、云台组件5、控制模块等构成，其中，控制模块包括GPS导航系统、航姿控制系统、高度计等。气体监测模块内置用于贮存监测数据的存贮器，使监测数据得以保存。同时，气体监测模块还可以通过加密的无线或有线数据链路，将带有地理信息标记的污染物浓度信息实时(1Hz)传输至地面站分析软件，实时生成可决策信息：二维网格污染物浓度分布热力图、二维等值线污染物浓度分布热力图、三维点云污染物浓度分布热力图，实时检测排气是否达标，报警触发模块的启动根据监测的结果进行，废气排放超标即启动报警，报警装置可以通过声音警报或光电闪烁报警。而且，中央控制系统采用数据追回算法：通信中断时采集到的任务数据会在连接重新建立后自动追回，保障了任务数据的完整性。

气体监测模块具有抗电磁干扰碳纤维外壳、内部减震机构设计、主动式新风系统，以适应不同移动载具的高度兼容性。

云台组件5的下方挂接云台机架3，云台机架与云台组件枢装连接。升降装置安装在无人机主体的云台机架上，升降装置包括电动绕盘6、设备挂架7，电动绕盘由绕线轮61、主轴62、牵引绳63、电机65构成，主轴连接电机的输出轴，主轴与绕线轮同步转动，电机正转时，牵引绳收紧，电机反转时，牵引绳放松。牵引绳的一端固定在绕线轮上，另一端连接设备挂架。气体监测模块包括多种常用的大气监测仪，从而完成不同的监测项目，在任务过程中，可以同时采集多种污染物的浓度信息并实时传输至分析软件，包括但不限于PM2.5、PM10、PM1.0、CO、NO2、O3、SO2、VOCs、CH4、H2S、HCL，气体传感器精度1ppb～10ppm,可以根据不同场景选择不同一种到多种检测项目。大气监测仪以可拆卸方式安装在设备挂架上。具体是，设备挂架上设置底座，大气监测仪9放置在底座上，设备挂架上还安装若干引线，引线的末端连接快速接头，大气监测仪上也连接配套的快速接头8，公母接头对接，从而可快速完成大气监测仪的连接与拆卸。

无人机的牵引绳63可伸出的长度，是根据无人机桨叶转动所产生的气流冲击可覆盖的范围宽广来设定的。桨叶跟无人机的负载能力是固定的配比关系，同理，桨叶越小，空气影响越小。为使气体监测模块准确地完成大气监测的工作，不同大小的无人机配置不同牵引绳长度的电动绕盘。另一方面，无人机旋翼数量、转速、和旋翼形状共同决定了升力的大小，因此，旋翼数、转速、旋翼形状共同决定了牵引绳的最佳长度。通过建立仿真模型，确定牵引绳的最佳长度L与的无人机旋翼数N、转速ω、旋翼形状和旋翼间距的关系式，在仿真模型中，采取对称四旋翼结构：

L＝3+ω÷6000+N÷1.75+A÷15，其中，ω的单位是转/分钟，A是正向旋翼桨叶的长度。

实际验证，牵引绳的长度L在4-12米范围内是合适的。

作为一种改进，设计人员考虑在无人机的搭载系统上增设摄像设备10(相机)，在检测大气的工作中可记录现场情况，将检测点的现状作拍照记录。云台机架3由两平行设置的支撑板31、以及连接两支撑板的若干横板30组成，为了减重，支撑板、横板均作去重镂空处理。在云台机架的内框设置相机安装架32，使相机以一定斜角安装在云台机架上。升降装置(电动绕盘和设备挂架)、相机分别在云台机架的两侧设置，通过两者的自重使云台机架处于平衡状态。

当无人机飞行时，其俯仰角度是会变化的，为了减小飞行姿态对升降装置、相机位置的影响，使电动绕盘、相机在无人机飞行过程均保持相对地面稳定的角度，因此，在云台组件5的竖杆51上设置万向接头(万向联轴器)52，即使无人机在俯冲、转弯的姿态时，云台机架均保持姿态不变。

如图4所示，作为另一种改进，电动绕盘的主轴与电机通过离合器64连接，当离合器断开时，绕线轮的主轴与电机分离，升降装置在自重作用下往下移动，牵引绳被下拉，绕线轮和主轴空转直至绕线轮上的牵引绳全部释放。当检测完成，需要将升降装置拉回到云台机架上时，控制系统使离合器闭合，绕线轮的主轴与电机连接，驱动电机转动使绕线轮旋转，从而将牵引绳向上收。

采用环保监测无人机监测空气污染，空间分辨率高，可以精确到街区、街道、小区、每栋楼、甚至每个高度。可以体现出小范围(比如市、区、工业园、厂区等)内空气污染的精确分布特点及差异性。无人机支持GPS、北斗与GLONASS，为每一组空气污染数据提供时间与地理信息标记，典型水平定位精度为±2米。监测自带温度、湿度与压力传感器，量程：-20～80℃，0～99％RH，为每一组空气污染数据提供温、湿度与基于气压的高度信息。还可配置激光粉尘传感模块，检测PM1.0、2.5、10三种数值，内置专属16MHz数据处理芯片。理论分辨率：1ug/m3，量程0～500ug/m3。高精度O3+NO2传感模块，采用电化学检测法，内置专属温、湿度与气压传感器与16MHz数据处理芯片，具有零偏与温度补偿电路与算法。量程：0～10ppm，理论分辨率：0.5ppb，出厂前标定。预期使用寿命：约24个月。等等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同替换所限定，在未经创造性劳动所作的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环保监测无人飞行器，包括无人机主体、气体监测模块、无线网络收发模块、控制系统，所述无人机主体包括机体、旋翼、云台组件、飞行模块，所述飞行模块包括GPS导航系统、航姿控制系统、高度计，其特征在于：所述机体的云台组件枢装连接云台机架，所述云台机架上设置升降装置，所述气体监测模块放置在升降装置上。

2.根据权利要求1所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述气体监测模块内置用于贮存监测数据的存贮器。

3.根据权利要求1所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述气体监测模块还包括无线数据链路，从而将污染物浓度信息实时传输至地面站的分析软件。

4.根据权利要求1所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述升降装置包括电动绕盘、设备挂架，所述电动绕盘由电机驱动，所述电动绕盘包括绕线轮、主轴、牵引绳，所述牵引绳缠绕在绕线轮上，所述绕线轮与主轴同步转动，所述牵引绳的末端连接设备挂架，所述气体监测模块以可拆卸方式放置在设备挂架上。

5.根据权利要求4所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述主轴与电机通过离合器连接。

6.根据权利要求4所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述牵引绳的长度L与无人机的旋翼数量N、旋翼转速ω、旋翼桨叶的长度A存在以下关系：

L＝3+ω÷6000+N÷1.75+A÷15。

7.根据权利要求4所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述云台组件的竖杆上设置万向接头，使所述云台机架在无人机主体飞行时保持自重垂直吊挂状态。

8.根据权利要求7所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述设备挂架上设置底座，所述气体监测模块放置在底座上，设备挂架上还安装若干引线，引线的末端通过快速接头与所述气体监测模块相连接。

9.根据权利要求4所述环保监测无人飞行器，其特征在于：所述牵引绳的长度L在4-12米范围内。