CN113532962B - 一种基于无人机的污染气体采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的污染气体采集装置，涉及气体采集技术领域。所述装置利用主副无人机下洗气流碰撞所形成的喷泉流对污染气体进行快速准确地采集，减小了下洗气流对气体空间分布的影响，提高了样本的可靠性；本装置采用可调速的气泵进行采气，并且搭配伺服电机中控旋转平台和多个储气盒，支持全方位多次数的采样任务；采气和储气材料均采用聚四氟乙烯，减少材料本身对气体样本的干扰。本发明检测快速，实用价值高，数据准确，性能稳定，适用范围广。

Description

一种基于无人机的污染气体采集装置
技术领域
本发明涉及气体采集技术领域，特别涉及一种基于无人机的污染气体采集装置。
背景技术
近年来，随着我国国民经济持续快速发展，人类生产经营活动所带来的大气环境风险不断加剧，频繁发生的大气污染事件均造成了严重的环境和社会影响，人们对于大气环境保护的观念也日益加强，虽然这几年我国城市空气环境质量有了明显得改善，但城市周边垃圾处理厂通过填埋、焚烧以及堆肥等方式产生的污染气体仍严重超标，其中有些气体例如二氧化碳和甲烷具有温室效应，硫化氢、氨气会产生刺激性臭味，以及二氧化硫、氮氧化物、粉尘等都会影响城市的空气质量。因此，对垃圾处理厂多个位置的污染气体进行采集检测，研究污染气体的排放量以及气体扩散规律能为城市的大气环境治理提供可靠得理论依据。
为了防止废气对检测人员的健康造成影响，在过去的十几年里，多用移动机器人进行气体采集工作，但轮式或腿式地面机器人仍有在坑洼不平、障碍物多或泥泞的地面上不易移动的缺点。无人机的出现提供了机动、灵活和快速的采样工具，利用无人机进行气体采集不受地形因素的限制，大大减少了时间成本。然而在利用无人机进行检测时，为了获得足够的升力，保持一定的飞行高度，其桨叶旋转产生的下洗气流会对污染气体的空间分布产生扰动，影响气体输送，如果气体释放发生在地面，当它到达空中飞行的无人机时，气体的浓度将被大大稀释，导致测量值与实际值会有较大的偏差，从而影响对污染气体的检测和气体扩散规律的研究。因此，研制出能够准确检测并快速采集污染气体的相关装置，对于提高城市大气环境治理能力具有重要的现实意义。
无人机在悬停状态下，旋翼产生的下洗气流撞击地面后呈放射状扩散形成壁面射流，此时在一定范围内增加一架无人机，使两架无人机产生的壁面射流碰撞，在两架无人机连线中心的地面撞击形成喷泉流上升(附图3)，不仅能减少下洗气流对气体分布的影响，而且有效提高对污染气体的采集和检测的效率。
通过筛选无人机气体采集装置，目前相关专利有《一种无人机气体采样装置及其使用方法》(发明(设计)人：南京禾谱航空科技有限公司，公开号：CN109238787A)、《无人机气体采集防干扰装置》(发明(设计)人：深圳市智璟科技有限公司，公开号：CN208143649U)。上述专利均没有考虑无人机产生的下洗气流对气体的影响，且受装置限制，功能比较单一，无法进行全方位多次的污染气体采集。因此现有的无人机气体采集技术仍然存在破坏气体分布和样品采集不准确等问题，而利用两架无人机产生的喷泉流进行污染气体采集可以有效的提高检测的效率和准确率。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种基于无人机的污染气体采集装置，利用主副无人机下洗气流碰撞所形成的喷泉流对污染气体进行快速准确地采集，并且搭配360°旋转平台和多个储气盒，支持全方位多次数的采样工作。此装置不仅解决了移动机器人受地形限制的问题，而且减小了下洗气流对气体空间分布的影响，提高了样本的准确率。
为实现上述目的，实现对污染气体的快速准确采样。本发明采用的技术方案为：一种基于无人机的污染气体采集装置，所述装置主要包括主无人机(1)、副无人机(2)、滤网(3)、进气口(4)、进气管(5)、电动推杆(6)、电动推杆电机(7)、气泵(8)、储气盒阀门(9)、储气盒(10)、伺服电机中控旋转平台(11)、单片机控制端(12)、气压表(13)、上部圆台(14)、下部圆台(15)和地面站。
优选的，所述副无人机(2)跟随主无人机(1)调整自身位置，利用两架无人下洗气流对撞形成的喷泉流进行污染气体采集工作，无人机机身安装高清摄像头，可在地面站上实时观察无人机周边环境信息。
优选的，所述电动推杆(6)顶部与进气管(5)固定连接，电动推杆(6)由电动推杆电机(7)驱动，通过电动推杆电机(7)的正反转控制电动推杆(6)动作，从而带动进气管(7)的伸缩。
优选的，污染气体经滤网(3)和进气口(4)进入进气管(5)，所述进气管(5)与气泵(8)固定连接，通过气泵(8)的开关实现对气体的快速过滤采集，排除颗粒物的干扰。
优选的，所述伺服电机中控旋转平台(11)与下部圆台(15)固定连接，其中间的转盘为中空结构，可以带动与之连接的进气管(5)旋转。
优选的，所述的单片机控制端(12)可对电动推杆电机(7)的转动、伺服电机中控旋转平台(11)的旋转、气泵(8)采气速度的快慢以及储气盒阀门(9)的开关进行控制。
优选的，所述的上部圆台(14)和下部圆台(15)与无人机支撑杆固定连接，所述储气盒(10)通过导向槽与下部圆台(15)连接，便于拆卸。
优选的，所述进气口(4)、进气管(5)和储气盒(10)均采用聚四氟乙烯材料，减少材料本身对气体样本的干扰。
优选的，所述储气盒阀门(9)分为第一储气盒阀门、第二储气盒阀门、第三储气盒阀门和第四储气盒阀门，储气盒(10)同理，用于进行一次飞行的多次气体采样。
采用上述方案后，本基于无人机的污染气体采集装置的有益效果为：采样快速，实用价值高，性能可靠；降低了下洗气流对气体分布的影响，样本准确度高；支持360°采样，样本选择范围广；并使用特殊材料，排除材料本身对气体样本的影响；适用场景多，可用于室外污染气体的多点采样。
附图说明
图1为本发明的主无人机结构示意图。
图2为本发明的采气装置结构示意图。
图3为本发明主副无人机利用喷泉流进行采气的示意图。
图4为本发明污染气体采集装置进行气体采样的流程图。。
其中：主无人机(1)、副无人机(2)、滤网(3)、进气口(4)、进气管(5)、电动推杆(6)、电动推杆电机(7)、气泵(8)、储气盒阀门(9)、储气盒(10)、伺服电机中控旋转平台(11)、单片机控制端(12)、气压表(13)、上部圆台(14)、下部圆台(15)。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1～图4所示提供了一种基于无人机的污染气体采集装置，按照以下步骤实现污染气体的采样工作：
步骤1：一种基于无人机的污染气体采集装置，首先打开主副无人机，无人机与地面站连接，并自动校准。
步骤2：主副无人机飞至污染气体采集区域，副无人机(2)根据采集点的位置调整自身与主无人机(1)的距离。
步骤3：当主副无人机平稳悬停后，单片机控制端(12)控制伺服电机中控旋转平台(11)旋转，通过机身安装的高清摄像头观察，使主无人机(1)上的进气管(5)指向副无人机(2)，接着单片机控制端(12)控制电动推杆电机(7)转动，迫使电动推杆(6)动作，伸长进气管(5)。
步骤4：采气开始，单片机控制端(12)根据气压表(13)测量气压值控制气泵(8)打开，以稳定的采气速率进行污染气体采样工作。同时打开第一储气盒阀门(9)，使污染气体样本经滤网(3)、进气口(4)和进气管(5)进入至第一储气盒(10)中。
步骤5：采气结束，单片机控制端(12)控制第一储气盒阀门(9)关闭，并控制电动推杆电机(7)转动，收缩进气管(5)。
步骤6：判断是否需要进行第二次的采气，如有需要则重复以上操作，并且控制第二储气盒阀门(9)打开，使第二次污染气体样本进入第二储气盒(10)中。
步骤7：气体采集任务结束，地面站控制主副无人机返航。通过无人机底部安装的摄像头进行监控，可在显示屏上实时观察无人机周边环境信息。
上述技术方案中，通过主副无人机下洗气流碰撞所形成的喷泉流对污染气体进行快速准确地采集，并且搭配360°旋转平台和多个储气盒，支持全方位多次数的采样工作。此装置不仅解决了移动机器人受地形限制的问题，而且减小了下洗气流对气体空间分布的影响，提高了样本的准确率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案以及发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于无人机的污染气体采集装置，所述装置主要包括主无人机(1)、副无人机(2)、滤网(3)、进气口(4)、进气管(5)、电动推杆(6)、电动推杆电机(7)、气泵(8)、储气盒阀门(9)、储气盒(10)、伺服电机中控旋转平台(11)、单片机控制端(12)、气压表(13)、上部圆台(14)、下部圆台(15)和地面站，电动推杆(6)位于主无人机(1)下方，其顶部与进气管(5)固定连接，电动推杆(6)由电动推杆电机(7)驱动，通过电动推杆电机(7)的正反转控制电动推杆(6)动作，从而带动进气管(5)的伸缩；所述进气管(5)左侧与气泵(8)固定连接，右侧的进气口(4)内设有滤网(3)；所述伺服电机中控旋转平台(11)与上部圆台(14)旋转连接，可以带动与之连接的进气管(5)绕中轴旋转；所述的上部圆台(14)和下部圆台(15)与无人机支撑杆固定连接，储气盒(10)位于所述下部圆台(15)上方，通过导向槽与下部圆台(15)连接；无人机机身安装高清摄像头，副无人机(2)跟随主无人机(1)调整自身位置，利用主副无人机产生的壁面射流在两架无人机连线中心的地面发生撞击，从而形成上升的喷泉流，减少下洗气流对气体分布的影响，实现对污染气体的多点快速准确采样；
污染气体经滤网(3)和进气口(4)进入进气管(5)，通过气泵(8)的开关实现对气体的快速过滤采集，排除颗粒物的干扰；
单片机控制端(12)可对电动推杆电机(7)的转动、伺服电机中控旋转平台(11)的旋转、气泵(8)采气速度的快慢以及储气盒阀门(9)的开关进行控制；
进气口(4)、进气管(5)和储气盒(10)均采用聚四氟乙烯材料，减少材料本身对气体样本的干扰；
储气盒阀门(9)分为第一储气盒阀门、第二储气盒阀门、第三储气盒阀门和第四储气盒阀门，储气盒(10)同理，用于进行一次飞行的多次气体采样。
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