CN113687033A - 一种基于无人机的有害气体监测系统 - Google Patents

一种基于无人机的有害气体监测系统 Download PDF

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韩超
肖仁杰
杨信林
廖学燕
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卢学辉
时婷
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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的有害气体监测系统，涉及无人机技术领域，包括无人机和用于确定坐标以及传输交互信息的地面控制站，无人机和地面控制站均设有数据交互模块，无人机和地面控制站通过数据交互模块相互连接。在对气体监测时，能够进行即时性的气体监测并传输信息的同时，还能够利用物理结构，实现气体内杂质的留存和收集，无人机可以通过不同的地面控制站，实现任意地面控制站的相对位置确定，并可以重复飞行轨迹，可避免无人机每次起飞都需要重新设置参数，在单个点起飞只能回到原来位置的情况，使用更加灵活，并能够多个无人机同时运行，或者多个人一同操作，而不会产生飞行混乱。

Description

一种基于无人机的有害气体监测系统
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于无人机的有害气体监测系统。
背景技术
无人驾驶飞机简称“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，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作，目前，利用无人机搭载拍摄装置进行航拍是应用较为广泛的技术，在警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业的无人机拍摄技术已经有了极大的发展。目前，无人机也广泛的应用在环境监测方面。
根据中国专利文献，公布号为CN109828598A，所公开的一种基于无人机的有害气体监测系统，其可实现快速大范围的监测，弥补现有环境应急监测体系在复杂地形环境下应急监测车和人力难以到达的不足，其所实现的大范围监测，主要是利用无人机的飞行能力，并通过摄像头生成影响来实现大范围的检测。
根据中国专利文献，公告号为CN201707324U，所公开的一种有毒有害气体应急监测无人机系统，其可有效的检测各个位置的有毒有害气体浓度,为大气污染事件应急响应提供依据，其主要利用气体检测仪和气象参数监测仪采集到的型号进行处理后，通过传输信息机坐标，确定气体分布情况实现监测。
无人机在对环境进行监测时，多为携带气象监测模块进行即时性的监测，并将信息传输，如此一来，在无人机回归后，操作人员只能通过传输的信息来进行判断和确定监测情况，气体内部所含有的杂质无法监测，光靠飞行中所进行的收集监测数据并不十分准确，并且也没有标本信息来为此次的飞行监测提供信息标本对比，而且，无人机一般在地面站一定范围内进行飞行，如若想监测其它范围气体或者扩大监测范围，则没有更好的手段，无法对区域内各个位置的有害气体的参数进行无人机监测，无人机检测的轨迹和范围无法复刻和延伸，无法精准的进行范围覆盖监测和控制飞行轨迹。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种基于无人机的有害气体监测系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：包括无人机和用于确定坐标以及传输交互信息的地面控制站，所述无人机和所述地面控制站均设有数据交互模块，所述无人机和所述地面控制站通过数据交互模块相互连接。
优选的，所述无人机还包括用于辅助测量的感应器模块、用于对气体成分和浓度检测的气体检测模块、气象参数检测模块、检测信息确定模块和信息比对模块，所述气体检测模块通过所述气体收集贴片与所述检测信息确定模块相连接，所述检测信息确定模块通过所述信息比对模块与所述气象参数监测模块相连接。
优选的，所述无人机的底部设有与所述气体检测模块相连接的气体收集杆，所述收集杆的外壁设有气体收集贴片。
优选的，所述气体收集杆的内部开设有与所述气体检测模块相连接的存储腔，所述存储腔的内部设有收集气体内部杂质的标本收集棉条，所述标本收集棉条为合成纤维过滤棉。
优选的，所述地面控制站还包括坐标系统模块、初始位置比对模块、飞行轨迹记录控制模块、历史坐标对比模块、历史坐标复位模块、历史坐标确定模块和执行命令发送模块，其中，所述初始位置比对模块通过所述飞行轨迹记录控制模块与所述历史坐标对比模块相连接，所述历史坐标对比模块通过所述历史坐标复位模块与所述历史坐标确定模块相连接，所述历史坐标确定模块与所述执行命令发送模块相连接，所述飞行轨迹记录控制模块和所述执行命令发送模块均与所述坐标系统模块相连接。
优选的，所述坐标系统模块包括原点差异感知模块、轴向坐标比对计算模块、距离计算模块、信息存储模块和坐标归零模块，其中，所述原点差异感知模块和所述轴向坐标比对计算模块均通过距离计算模块与所述信息存储模块相连接，所述信息储存模块分别连接所述信息发送模块和所述坐标归零复位模块。
优选的，所述数据交互模块包括用于无线信号传输的无线数据传输模块、用于辅助定位坐标的GPS定位信息交互模块和用于整理分布数据的信息计算处理模块。
本发明相比现有技术具有以下优点：在对气体监测时，能够进行即时性的气体监测并传输信息的同时，还能够利用物理结构，实现气体内杂质的留存和收集，如此可以通过信息的传输对比进行快速的检测反馈，还能够通过物理收集的方式，将气体暂存和收集标本，方便后续的人工检测对比，此外，设备还能够对无人见的飞行轨迹和监测范围进行有效的记录和确定，并重复历史监测轨迹和监测范围，可以实现多次监测相同范围的气体，方便对比，而且，设备复刻的无人机运动轨迹是能够通过信息转化进行传输，可以通过设立不同位置的地面控制站不断的扩大无人机的飞行范围，并不会产生重复的监测范围覆盖，实现监测范围的延伸，也能够通过检测到的飞行范围和飞行速度数据，控制后续监测的重复范围，从而避免无效作业，也能够进行重点的监测分析，且多个地面控制站的地面坐标相互关联和参照，无人机可以通过不同的地面控制站，实现任意地面控制站的相对位置确定，并可以重复飞行轨迹，可避免无人机每次起飞都需要重新设置参数，在单个点起飞只能回到原来位置的情况，使用更加灵活，并能够多个无人机同时运行，或者多个人一同操作，而不会产生飞行轨迹混乱。
附图说明
图1为基于无人机的有害气体监测系统的示意图；
图2为基于无人机的有害气体监测系统的流程示意图；
图3为基于无人机的有害气体监测系统的坐标系统模块的流程示意图；
图4为基于无人机的有害气体监测系统的飞行轨迹记录控制模块的流程示意图；
图5为基于无人机的有害气体监测系统的气体收集杆的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2，包括无人机和用于确定坐标以及传输交互信息的地面控制站，所述无人机和所述地面控制站均设有数据交互模块，所述无人机和所述地面控制站通过数据交互模块相互连接，所述数据交互模块包括用于无线信号传输的无线数据传输模块、用于辅助定位坐标的GPS定位信息交互模块和用于整理分布数据的信息计算处理模块，通过设立数据交互模块可以将信息完整的记录并进行存储，并且利用无线数据传输模块能够将历史的信息和参数与无人机进行交互对比，方便无人机起飞后快速的寻找飞行轨迹以及控制调整飞行监测范围。
实施例2
请参阅图2、图5，所述无人机还包括用于辅助测量的感应器模块、用于对气体成分和浓度检测的气体检测模块、气象参数检测模块、检测信息确定模块和信息比对模块，所述气体检测模块通过所述气体收集贴片与所述检测信息确定模块相连接，所述检测信息确定模块通过所述信息比对模块与所述气象参数监测模块相连接，所述无人机的底部设有与所述气体检测模块相连接的气体收集杆，所述收集杆的外壁设有气体收集贴片，所述气体收集杆的内部开设有与所述气体检测模块相连接的存储腔，所述存储腔的内部设有标本收集棉条，所述标本收集棉条为合成纤维过滤棉，通过设立的气体收集杆能够加强无人机的物理收集能力，能够进行气体内部的杂质收集，并在后续进行物理的检测对比中，能够存留有检测样本。
实施例3
请参阅图2-4，所述地面控制站还包括坐标系统模块、初始位置比对模块、飞行轨迹记录控制模块、历史坐标对比模块、历史坐标复位模块、历史坐标确定模块和执行命令发送模块，其中，所述初始位置比对模块通过所述飞行轨迹记录控制模块与所述历史坐标对比模块相连接，所述历史坐标对比模块通过所述历史坐标复位模块与所述历史坐标确定模块相连接，所述历史坐标确定模块与所述执行命令发送模块相连接，所述飞行轨迹记录控制模块和所述执行命令发送模块均与所述坐标系统模块相连接，所述坐标系统模块包括原点差异感知模块、轴向坐标比对计算模块、距离计算模块、信息存储模块和坐标归零模块，其中，所述原点差异感知模块和所述轴向坐标比对计算模块均通过距离计算模块与所述信息存储模块相连接，所述信息储存模块分别连接所述信息发送模块和所述坐标归零复位模块，所述飞行轨迹记录控制模块包括飞行速度监测模块、飞行速度控制模块、反馈信息计算模块和控制参数确定模块，其中，所述飞行速度监测模块、所述飞行速度控制模块、所反馈信息计算模块和所述控制参数确定模块两两相互连接，通过设立的坐标系统模块和飞行轨迹记录控制模块，能够将无人机每次飞行的飞行路线和飞行轨迹进行信息化存储、分析以及交互发送，能够使无人机可以通过不同的地面控制站起飞，并具有不同的检测范围，通过初始位置比对模块和反馈信息计算模块，还能够计算无人机是否产生轨迹偏离以及确保在相同的地面控制站监测时，控制范围和轨迹能够接近相同，方便对气体进行多次的检测，并能方便后续接入多个配套的无人机或者地面控制站进行使用时，无需再进行新的参数调整。
本实施例中：所述气体检测模块包括型号XS-MK/UAV的无人机机载智能气体检测模块，所述气象参数检测模块包括型号MULTI-6P的六要素测量气象传感器。
工作原理：根据需要进行监测的范围、环境和次数的不同，可以选择在一个位置放置地面控制站直接进行无人机的起飞和监测，或者提前的在不同位置安装多个地面控制站，无人机起飞前，需先将无人机放置在与地面控制站直径0.5米的范围内，将无人机和地面控制站同时启动，通过两者内部的数据交互模块进行初始的信息交互，从而将起飞点定为原始坐标，无人机起飞后，会通过气象参数监测模块、感应器模块和气体检测模块，在移动的过程中不断进行监测，并能够在飞行过程中通过气体收集杆内的气体收集贴片收集并附着气体内部杂质，直接产生检测结果，通过检测信息确定模块和信息对比模块确定检测信息，并交互传至地面控制站，由地面控制站记录检测信息变成变化开始至结束的飞行轨迹，期间，标本收集棉条是可以同样收集并附着气体内部杂质，并能够在最终飞行结束后，人工抽取标本收集棉条然后进行检测、信息比对和样本存储，在飞行期间，地面控制站会以原始目标为原点不断的记录飞行轨迹并存储信息，根据对飞行轨迹的计算，还能够计算出飞行速度，用来调整飞行操作以及可以获得更多的气体收集时无人机参数的变化，配合感应器模块感应出的温湿度，可以判断出无人机在当时气体检测的全面覆盖性以及重点检测区域，此外，因为两两地面控制站之间时能够通过数据交互模块感应出相差的距离和不同的坐标，如此一来，通过确定其中一个地面控制站的坐标，无人机通过其它位置的地面控制站起飞时，便可以到达上次结束的位置，并开始新一轮的覆盖监测，并能够确保每次无人机起飞时，都能记录一个新的原始点的飞行轨迹以及基于历史飞行轨迹进行延伸或者对比，如此一来，在能够进行即时监测和标本收集的情况下，还能够扩大无人机的监测范围，避免出现无人机范围无法覆盖监测气体覆盖范围的情况，此外，收集数据后，因为通过坐标系统模块能够实现GPS定位功能，在进行各类有害气体的浓度检测时，能够通过飞行路径，将有害气体的覆盖范围绘制出来，实现实时飞行时，通过相连接关联的电脑端可以实时绘制气体浓度的分布三维图，如果浓度超标，根据浓度的不同，标注不同的颜色，这样为后续的工作提供精确的数据支撑，在可能出现的危险区域即浓度超标的地方，还可以多架无人机实时监控浓度信息，以防发生危险事件。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于无人机的有害气体监测系统，包括无人机和用于确定坐标以及传输交互信息的地面控制站，其特征在于：所述无人机和所述地面控制站均设有数据交互模块，所述无人机和所述地面控制站通过数据交互模块相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的有害气体监测系统，其特征在于，所述无人机还包括用于辅助测量的感应器模块、用于对气体成分和浓度检测的气体检测模块、气象参数检测模块、检测信息确定模块和信息比对模块，所述气体检测模块通过所述气体收集贴片与所述检测信息确定模块相连接，所述检测信息确定模块通过所述信息比对模块与所述气象参数监测模块相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的有害气体监测系统，其特征在于，所述无人机的底部设有与所述气体检测模块相连接的气体收集杆，所述收集杆的外壁设有气体收集贴片。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的有害气体监测系统，其特征在于，所述气体收集杆的内部开设有与所述气体检测模块相连接的存储腔，所述存储腔的内部设有收集气体内部杂质的标本收集棉条，所述标本收集棉条为合成纤维过滤棉。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的有害气体监测系统，其特征在于，所述地面控制站还包括坐标系统模块、初始位置比对模块、飞行轨迹记录控制模块、历史坐标对比模块、历史坐标复位模块、历史坐标确定模块和执行命令发送模块，其中，所述初始位置比对模块通过所述飞行轨迹记录控制模块与所述历史坐标对比模块相连接，所述历史坐标对比模块通过所述历史坐标复位模块与所述历史坐标确定模块相连接，所述历史坐标确定模块与所述执行命令发送模块相连接，所述飞行轨迹记录控制模块和所述执行命令发送模块均与所述坐标系统模块相连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于无人机的有害气体监测系统，其特征在于，所述坐标系统模块包括原点差异感知模块、轴向坐标比对计算模块、距离计算模块、信息存储模块和坐标归零模块，其中，所述原点差异感知模块和所述轴向坐标比对计算模块均通过距离计算模块与所述信息存储模块相连接，所述信息储存模块分别连接所述信息发送模块和所述坐标归零复位模块。
7.根据权利要求5所述的一种基于无人机的有害气体监测系统，其特征在于，所述飞行轨迹记录控制模块包括飞行速度监测模块、飞行速度控制模块、反馈信息计算模块和控制参数确定模块，其中，所述飞行速度监测模块、所述飞行速度控制模块、所反馈信息计算模块和所述控制参数确定模块两两相互连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于无人机的有害气体监测系统，其特征在于，所述数据交互模块包括用于无线信号传输的无线数据传输模块、用于辅助定位坐标的GPS定位信息交互模块和用于整理分布数据的信息计算处理模块。
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