CN110208468A - 一种基于无人飞行器的空气检测系统及其污染源检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人飞行器的空气检测系统及其污染源检测方法，属于空气污染检测领域。包括：无人机飞行器、实时监测模块、陆地控制台三部分。其中，实时监测模块又包括空气检测装置、气体收集瓶、GPS定位系统、风向传感器和风速传感器。本发明，通过无人飞行器机对指定区域的空气进行实时检测，无人机飞行器不仅能够实现该区域的空气质量进行快速的检测，能够大大节省人工检测所耗费的人工成本；对于检测区域内空气的异常情况，能够进行及时进行实地采样，作为下一步检测的依据；通过对污染物浓度的变化和无人机飞行器的位置变化情况，规划无人机飞行器飞行路径，实现对污染源的快速锁定。

Description

一种基于无人飞行器的空气检测系统及其污染源检测方法

技术领域

本发明属于空气污染检测领域，尤其是一种基于无人飞行器的空气检测系统及其污染源检测方法。

背景技术

环境中的空气中的污染物来源主要有以下几个：工业排放，在工业生产过程中会产生的各种有害气体。例如颗粒物质(PM)、烟雾、一氧化物(CO)、氮氧化物(NO_X)、碳氢化合物(HC)、挥发性有机物等，都是工业排放物中出现的成分。生物质燃烧，在日常生活中生活炉灶和采暖锅炉需要消耗大量煤炭或者秸秆，煤炭或者秸秆在燃烧过程中要释放大量的硫化物(SO_X)、氮化物（NO_X)、可吸入颗粒物。交通运输，汽车、火车、飞机等运输工具，产生的废气也是重要的污染物。特别是在城市，不仅有大量的货物运输车辆，个人出行的私家车也越来越多，车辆多而集中，汽车排放的废气是城市空气主要的污染

其中，工业排放中是化工企业无组织排放的特征污染物(废气)，具有瞬时性、偶然性和突发性等特点，严重影响局部地区的空气质量。现有的监测手段主要来自于人工投诉、检举，监控手段单一，而且当环境监测人员接到投诉后，再赶往现场时，也往往捕捉不到污染物排放的瞬时最大浓度，缺少时效性，导致使环境管理部门对企业的管理缺少充足的证据，不能够进行相应的行政处罚和管理。这不仅增加了环境监测人员的工作量，同时也增大了环境管理的难度。目前，我国对工厂无组织排放的废气的监测，还没有一个连续化的实时检测监控仪工具。

发明内容

发明目的：提供一种基于无人飞行器的空气检测系统及其污染源检测方法，以解决上述背景技术中所涉及的问题。

技术方案：一种基于无人飞行器的空气检测系统，包括：无人机飞行器、实时监测模块、陆地控制台三部分。

无人机飞行器，包括基于惯性导航的APM控制器的飞行控制系统、基于无线通讯器与陆地控制台采用无线通讯的飞行指令传输系统、基于电子调速器的调速系统、和采用以无刷电机作为主体的动力系统。

实时监测模块，包括设置在无人机飞行器底部的旋转云台，与所述旋转云台相连接的安装支架，安装在所述安装支架上的用于实时检测空气质量的便携式空气检测装置，固定安装在所述安装支架上的多组气体收集瓶，以及设置在所述安装支架上的GPS定位系统、风向传感器和风速传感器。

陆地控制台，为电脑终端，通过无线通讯与无人机飞行器保持通讯连接，可由人工远程控制为人机飞行器。

在进一步实施过程中，所述无人机飞行器为六旋翼无人机。

在进一步实施过程中，所述气体收集瓶为真空管，在其瓶口处设置有橡皮活塞，可旋转的悬挂在所述安装支架上，在所述气体收集瓶一侧的安装支架上设置有自动泄压装置。

在进一步实施过程中，所述气体收集瓶固定安装在固定于安装支架上的旋转机构上，所述旋转机构包括：固定安装在所述固定安装支架上的微型电机，与所述微型电机输出轴固定连接的旋转圆盘，以圆盘轴线为中心等角度等距离的设置在所述旋转圆盘上的多个固定孔；气体收集瓶放置于所述固定孔内。

在进一步实施过程中，所述自动泄压装置包括：与所述气体收集瓶对齐的泄压针，与所述泄压针固定连接的连接杆，以及由伺服电机带动的滑台模组。

在进一步实施过程中，所述空气检测装置中设置于无人机基体外部的检测杆，所述检测杆上包括采用EC805-CO传感器的CO浓度检测单元，采用S-100微型传感器的CO₂浓度检测单元，采用MS5100传感器的烟雾浓度检测单元，采用ES4-SO2传感的硫化物浓度检测的单元，采用NO2-AE传感器的氮化物浓度检测单元。

另一方面，根据一种基于无人飞行器的空气检测系统而设定的污染源检测方法，包括如下步骤：

S1、无人机以预定的速度、离地表面预定高度和预定的行进路线进行正常的飞行巡逻和空气质量数据采集；

S2、当空气检测装置检测某一项污染物浓度超过阈值后，无人机悬停，通过空气收集瓶收集该处空气，陆地控制台对该标号空气收集瓶进行记录，用于后期更精准的空气检测；

S3、地面控制台根据风向传感器确定下来的风向和风速，控制无人机沿风向垂直的任一方向飞行预定距离，并实时获得数据检测，尤其是超标污染物浓度的采集，并通过空气收集瓶进行取样；

S4、若污染物浓度变高，沿着飞行方向继续飞行；反之，若超标污染物浓度变低，则沿相反方向飞行，寻找到沿风向垂直方向上超标污染物浓度最高点；

S5、寻找到沿风向垂直方向上污染物浓度最高点后，通过空气收集瓶进行取样；然后逆风飞行，同步骤S4，寻找到沿风向方向上超标污染物浓度最高点；同时，每隔飞行5km左右进行一次空气采集；

S6、步骤S5中获得的超标污染物浓度最高的点即为污染源的大致位置，通过空气收集瓶进行取样；并将地理位置发送至地面控制台，进行实地检测。

在进一步实施过程中，所述空气收集瓶收集空气的具体方法如下：

S201、通过风向传感器检测风向，调整旋转云台，使空气收集瓶瓶口朝向上风向；

S202、微型电机带动旋转转盘旋转预定角度，至固定孔内的空气收集瓶瓶口与泄压针线对齐；

S203、滑台模组带动泄压针扎穿空气收集瓶上的橡皮活塞，并保持穿透状态1~2min，然后拔出泄压针，穿孔自动封闭；

S204、陆地控制台自动根据收集瓶标号匹配相关的地理信息、时间信息；然后等待下一周期的采集指令。

有益效果：本发明涉及一种基于无人飞行器的空气检测系统，与现有设备和方法相比具有如下优点：

1、通过无人飞行器机对指定区域的空气进行实时检测，无人机飞行器不仅能够实现该区域的空气质量进行快速的检测，能够大大节省人工检测所耗费的人工成本；

2、相较与陆地上固定、车载的空气检测器，无人机飞行器所携带的空气检测装置受到人为干扰因素更少，更贴近真实；

3、对于检测区域内空气的异常情况，能够进行及时进行实地采样，作为下一步检测的依据；

4、通过对污染物浓度的变化和无人机飞行器的位置变化情况，规划无人机飞行器飞行路径，实现对污染源的快速锁定，及时进行整改。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中无人机的结构示意图。

图3是本发明中气体采集机构的结构示意图。

图4是本发明中旋转机构的结构示意图。

图5是本发明的自动泄压装置的结构示意图。

附图标记为：六旋翼无人机1、旋转云台2、安装支架3、气体收集瓶4、自动泄压装置5、旋转机构6、壳体101、支架102、支撑臂103、无刷电机104、旋翼105、真空管401、橡皮活塞402、泄压针501、连接杆502、滑台模组503、伺服电机504、微型电机601、旋转圆盘602、固定孔603、减速机604。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一方面，如附图1~3所示，一种基于无人飞行器的空气检测系统，包括：包括：无人机飞行器、实时监测模块、陆地控制台三部分

无人机飞行器的控制模块包括：基于惯性导航的APM控制器的飞行控制系统、基于无线通讯器与陆地控制台采用无线通讯的飞行指令传输系统、基于电子调速器的调速系统、和采用以无刷电机104作为主体的动力系统。

作为一个优选方案，所述无人机飞行器的执行模块为六旋翼无人机1。本设计中选取六旋翼无人机1作为设计主体，相较于四旋翼无人机而言，由于六旋翼无人机1新增加了多个旋翼105，其动力提升效果有明显的加强，更重要的是，六旋翼无人机1的旋翼105的旋转平面非共面，可以在空中保持相对静止或原有的飞行速度不变的情况下，调整飞行姿态，因此为自动检测组件提供了更加平稳的飞行环境。

六旋翼无人机1的包括：壳体101、支架102、支撑臂103、无刷电机104、旋翼105。壳体101根据实际负载和设计为方形、多边形、圆形，在本实施例中为设计为六边形的结构，在其内部设置有控制模块和电源模块，电源模块与所述控制模块相连接；支架102固定安装在所述机架底部，由若干型材组成；沿着所述机架中轴线等角度的对称设置有六个支撑臂103，在每个支撑臂103上端面上安装有无刷电机104，所述伺服电机504的输出轴通过固定螺母与旋翼105固定连。控制模块将飞行信息传送至无刷电机104，通无刷电机104带动旋翼105旋转，产生升力，带动无人机飞行。

实时监测模块包括：旋转云台2、安装支架3、空气检测装置、气体收集瓶4、GPS定位系统、风向传感器和风速传感器。旋转云台2设置在无人机飞行器底部，安装支架3与所述旋转云台2相连接，便携式空气检测装置安装在所述安装支架3上的用于实时检测空气质量，多组气体收集瓶4固定安装在所述安装支架3上，在所述安装支架3上还设置有GPS定位系统、风向传感器和风速传感器。

作为一个优选方案，如附图4所示，所述气体收集瓶4为真空管401，在其瓶口处设置有橡皮活塞402，可旋转的悬挂在所述安装支架3上，在所述气体收集瓶4一侧的安装支架3上设置有自动泄压装置5。更具体的，所述气体收集瓶4固定安装在固定于安装支架3上的旋转机构6上，所述旋转机构6包括：固定安装在所述固定安装支架3上的微型电机601，与所述微型电机601输出轴固定连接的旋转圆盘602，以圆盘轴线为中心等角度等距离的设置在所述旋转圆盘602上的多个固定孔603；气体收集瓶4放置于所述固定孔603内。微型电机601可带动旋转转盘和放置在固定孔603内的气体收集瓶4旋转预定角度。如附图5所示，所述自动泄压装置5包括：与所述气体收集瓶4对齐的泄压针501，与所述泄压针501固定连接的连接杆502，以及由伺服电机504和减速机604带动的滑台模组503。所述滑动模组运动过程为：伺服电机504由锥齿轮改变传动方向，进而带动滚珠丝杆转动，套装在所述滚珠丝杆上的滚珠轴承带动输出轴做往复直线运动。在伺服电机504的驱动下，滑台模组503输出轴带动泄压针501扎穿空气收集瓶上的橡皮活塞402，并保持穿透状态1~2min，由于空气收集瓶中为真空，大气中的空气会通过泄压针501的针孔进入空气收集瓶中，然后拔出泄压针501，由于活塞弹性，穿孔自动封闭。在具体实施过程中，由于完全真空的真空管401制备较为困难，故在制备空气收集瓶时，可选在纯度为99.99%的氮气作为保护气体，然后抽真空至0.1个标准大气压。在后期对样品进行检测时，只需根据空气收集瓶收集前后的真空度对检测数据进行简单转换，即可得到实际检测数据。上述结构无需大体积空气压缩机，重量较轻，更适合与远距离飞行。

作为一个优选方案，所述空气检测装置中设置于无人机基体外部的检测杆，所述检测杆上包括：CO浓度检测单元、CO₂浓度检测单元、烟雾浓度检测单元、硫化物浓度检测的单元、氮化物浓度检测单元。但不限于上述检测单元，可根据检测区域的主要污染物选择合适的类型浓度检测单元。其中，CO浓度检测单元采用EC805-CO传感器，CO₂浓度检测单元采用S-100微型传感器，烟雾浓度检测单元采用MS5100传感器，硫化物浓度检测的单元采用ES4-SO2传感，氮化物浓度检测单元采用NO2-AE传感器。

陆地控制台为电脑终端，通过无线通讯与无人机飞行器保持通讯连接，可由人工远程控制为人机飞行器。

为了方便理解基于无人飞行器的空气检测系统的技术方案，对其工作原理做出简要说明：无人机飞行器携带空气检测装置以预定的速度、离地表面预定高度和预定的行进路线进行正常的飞行巡逻和空气质量数据进行采集；当空气检测装置检测某一项污染物浓度超过阈值后，无人机悬停，调整旋转云台2，使空气收集瓶瓶口朝向上风向，微型电机601带动旋转转盘旋转预定角度，至固定孔603内的空气收集瓶瓶口与泄压针501线对齐，滑台模组503带动泄压针501扎穿空气收集瓶上的橡皮活塞402，并保持穿透状态1~2min，然后拔出泄压针501，穿孔自动封闭，完成采集过程。同时，陆地控制台对该标号空气收集瓶进行记录，用于后期更精准的空气检测，作为环境管理部门对企业的管理的依据。

另一方面，根据一种基于无人飞行器的空气检测系统而设定的污染源检测方法，包括如下步骤：

S1、无人机以预定的速度、离地表面预定高度和预定的行进路线进行正常的飞行巡逻和空气质量数据采集；

S2、当空气检测装置检测某一项污染物浓度超过阈值后，无人机悬停，通过空气收集瓶收集该处空气，陆地控制台对该标号空气收集瓶进行记录，用于后期更精准的空气检测；

S3、地面控制台根据风向传感器确定下来的风向和风速，控制无人机沿风向垂直的任一方向飞行预定距离，并实时获得数据检测，尤其是超标污染物浓度的采集，并通过空气收集瓶进行取样；

S4、若污染物浓度变高，沿着飞行方向继续飞行；反之，若超标污染物浓度变低，则沿相反方向飞行，寻找到沿风向垂直方向上超标污染物浓度最高点；

S5、寻找到沿风向垂直方向上污染物浓度最高点后，通过空气收集瓶进行取样；然后逆风飞行，同步骤S4，寻找到沿风向方向上超标污染物浓度最高点；同时，每隔飞行5km左右进行一次空气采集；

S6、步骤S5中获得的超标污染物浓度最高的点即为污染源的大致位置，通过空气收集瓶进行取样；并将地理位置发送至地面控制台，进行实地检测。

在进一步实施过程中，所述空气收集瓶收集空气的具体方法如下：

S201、通过风向传感器检测风向，调整旋转云台2，使空气收集瓶瓶口朝向上风向；

S202、微型电机601带动旋转转盘旋转预定角度，至固定孔603内的空气收集瓶瓶口与泄压针501线对齐；

S203、滑台模组503带动泄压针501扎穿空气收集瓶上的橡皮活塞402，并保持穿透状态1~2min，然后拔出泄压针501，穿孔自动封闭；

S204、陆地控制台自动根据收集瓶标号匹配相关的地理信息、时间信息；然后等待下一周期的采集指令。

上述基于无人飞行器的空气检测系统及其污染源检测方法，与现有设备和方法相比具有如下优点：

1、通过无人飞行器机对指定区域的空气进行实时检测，无人机飞行器不仅能够实现该区域的空气质量进行快速的检测，能够大大节省人工检测所耗费的人工成本；

2、相较与陆地上固定、车载的空气检测器，无人机飞行器所携带的空气检测装置受到人为干扰因素更少，更贴近真实；

3、对于检测区域内空气的异常情况，能够进行及时进行实地采样，作为下一步检测的依据；

4、通过对污染物浓度的变化和无人机飞行器的位置变化情况，规划无人机飞行器飞行路径，实现对污染源的快速锁定，及时进行整改。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (8)

1.一种基于无人飞行器的空气检测系统，其特征在于，无人机飞行器，包括基于惯性导航的APM控制器的飞行控制系统、基于无线通讯器与陆地控制台采用无线通讯的飞行指令传输系统、基于电子调速器的调速系统、和采用以无刷电机作为主体的动力系统；

实时监测模块，包括设置在无人机飞行器底部的旋转云台，与所述旋转云台相连接的安装支架，安装在所述安装支架上的用于实时检测空气质量的便携式空气检测装置，固定安装在所述安装支架上的多组气体收集瓶，以及设置在所述安装支架上的GPS定位系统、风向传感器和风速传感器；

陆地控制台，为电脑终端，通过无线通讯与无人机飞行器保持通讯连接，可由人工远程控制为人机飞行器。

2.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的空气检测系统，其特征在于，所述无人机飞行器为六旋翼无人机。

3.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的空气检测系统，其特征在于，所述气体收集瓶为真空管，在其瓶口处设置有橡皮活塞，可旋转的悬挂在所述安装支架上，在所述气体收集瓶一侧的安装支架上设置有自动泄压装置。

4.根据权利要求3所述的基于无人飞行器的空气检测系统，其特征在于，所述气体收集瓶固定安装在固定于安装支架上的旋转机构上，所述旋转机构包括：固定安装在所述固定安装支架上的微型电机，与所述微型电机输出轴固定连接的旋转圆盘，以圆盘轴线为中心等角度等距离的设置在所述旋转圆盘上的多个固定孔；气体收集瓶放置于所述固定孔内。

5.根据权利要求3所述的基于无人飞行器的空气检测系统，其特征在于，所述自动泄压装置包括：与所述气体收集瓶对齐的泄压针，与所述泄压针固定连接的连接杆，以及由伺服电机带动的滑台模组。

6.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的空气检测系统，其特征在于，所述空气检测装置中设置于无人机基体外部的检测杆，所述检测杆上包括采用EC805-CO传感器的CO浓度检测单元，采用S-100微型传感器的CO₂浓度检测单元，采用MS5100传感器的烟雾浓度检测单元，采用ES4-SO2传感的硫化物浓度检测的单元，采用NO2-AE传感器的氮化物浓度检测单元。

7.一种基于无人飞行器的空气检测系统的污染源检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、无人机以预定的速度、离地表面预定高度和预定的行进路线进行正常的飞行巡逻和空气质量数据采集；

S2、当空气检测装置检测某一项污染物浓度超过阈值后，无人机悬停，通过空气收集瓶收集此处的空气，陆地控制台对空气收集瓶进行标号、记录，用于后期更精准的空气检测；

S3、地面控制台根据风向传感器确定下来的风向和风速，控制无人机沿风向垂直的任一方向飞行预定距离，并实时获得数据检测，尤其是超标污染物浓度的采集，并通过空气收集瓶进行取样；

S4、若污染物浓度变高，沿着飞行方向继续飞行；反之，若超标污染物浓度变低，则沿相反方向飞行，寻找到沿风向垂直方向上超标污染物浓度最高点；

S5、寻找到沿风向垂直方向上污染物浓度最高点后，通过空气收集瓶进行取样；然后逆风飞行，同步骤S4，寻找到沿风向方向上超标污染物浓度最高点；同时，每隔飞行5km左右进行一次空气采集；

S6、步骤S5中获得的超标污染物浓度最高的点即为污染源的大致位置，通过空气收集瓶进行取样；并将地理位置发送至地面控制台，进行实地检测。

8.根据权利要求7所述的基于无人飞行器的空气检测系统的污染源检测方法，其特征在于，所述空气收集瓶收集空气的具体方法如下：

S201、通过风向传感器检测风向，调整旋转云台，使空气收集瓶瓶口朝向上风向；

S202、微型电机带动旋转转盘旋转预定角度，至固定孔内的空气收集瓶瓶口与泄压针线对齐；

S203、滑台模组带动泄压针扎穿空气收集瓶上的橡皮活塞，并保持穿透状态1~2min，然后拔出泄压针，穿孔自动封闭；

S204、陆地控制台自动根据收集瓶标号匹配相关的地理信息、时间信息；然后等待下一周期的采集指令。