CN118091055A - 一种无人机双半球采样装置与大气污染源排放定量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机双半球采样装置与大气污染源排放定量方法，所述装置包括在线监测装置、双旋臂采样装置、板载计算机数据传输控制系统；所述装置同时对双点位进行监测采样，尤其适合双球面采样。配合无人机监测路径规划系统，能快速获得排气筒周边烟羽规定点位阵列的大气污染物浓度数据。所述方法基于无人机双球面大气污染物监测结果，计算每个网格的大气污染物排放通量并求和，结合飞行时间，计算得到排气筒整体大气污染物排放量，具有较好的流场闭合性和稳定性，减轻了环境空气小微尺度复杂三维气象场影响以及空气质量模拟方法的不确定性影响。本发明装置与方法能有效提升排气筒烟羽排放定量的有效性、准确性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于污染物监测技术领域，尤其涉及一种无人机双半球采样装置与大气污染源排放定量方法。
背景技术
获取工业企业排气筒大气污染物排放情况是大气环境监管的重要依据，采用无人机进行污染物浓度采样监测是生态环境领域常用方法。已有技术大多采用无人机进行排气筒周边烟羽采样分析，直接以烟羽浓度表征排放情况，或通过高斯扩散模型等模拟手段反演污染物浓度或计算排放量，受环境空气小微尺度平流、湍流及排气筒烟羽排放的复杂三维气象场，以及实测浓度数据代表性和空气质量模型不确定性影响，上述方法难以准确表征排气筒烟羽排放量。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有排气筒大气污染物排放定量技术的不足，提供一种无人机双半球采样装置，包括搭载在无人机上的在线监测装置、双旋臂采样装置、板载计算机数据传输控制系统；
所述双旋臂采样装置用于采集环境样品，实现在一个采样位置同时完成双球面点位大气环境样品采集；
所述板载计算机数据传输控制系统包括基于单片机系统设计的控制板，所述板载控制板中集成有双半球飞行路径建模系统，所述双半球飞行路径建模系统用于产生飞行轨迹与监测点位数据，所述板载计算机数据传输控制系统读取双半球飞行路径建模系统产生的飞行轨迹与监测点位数据，并发送控制飞行所需参数，同时与在线监测装置、双旋臂采样装置联动，将在线监测数据和采样数据传输回地面站。
所述在线监测装置包括高分辨率大气环境六参数仪器、辅助无人机定位的基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位RTK模块；
所述高分辨率大气环境六参数仪器用于同时测量NO2、CO、O3、SO2浓度气体浓度和PM2.5和PM10颗粒物质量浓度，NO2、CO、O3、SO2浓度气体浓度的测量分辨率为1ppb，PM2.5和PM10颗粒物质量浓度的测量分辨率为0.01ug/m3；
所述实时载波相位差分定位RTK模块用于实时获取无人机的GPS坐标和飞行高度（RTK模块采用大疆D-RTK，包括天空端和地面端），测量分辨率为1厘米。
所述双旋臂采样装置包括采样管旋转控制装置和恒流恒温的样品采集控制系统；
所述采样管旋转控制装置包括第一采样管和第二采样管、金属连接件、行星齿轮减速机构；
所述采样管包括石英进样头、石英过滤棉、塑料连接部件、聚四氟采样管、碳纤维管；所述塑料连接部件用于连接聚四氟采样管和石英进样头；所述石英进样头入口处填充石英过滤棉；
所述行星齿轮减速机构包括两组行星减速齿轮组、带旋转编码器的双出轴减速驱动电机、固定座、固定块；所述固定块与采样管固定连接；每组行星减速齿轮组包括一个太阳齿轮、三个行星齿轮和一个外圈齿轮；所述两组行星减速齿轮组、带旋转编码器的双出轴减速驱动电机、固定块和固定座相连接；
所述固定座与无人机的碳纤维板连接，通过旋转编码器对电机实时测量，保证了采样管的精确旋转，对预定空间位置的环境样品实现精确采集；
所述行星减速齿轮组的动力来源为双出轴减速驱动电机，双出轴减速驱动电机与行星减速齿轮组中心的太阳齿轮同轴固定安装；分布在行星减速齿轮组的中间的三个行星齿轮等间距分布，通过齿轮啮合方式，实现将太阳齿轮的动力输入，转换到外圈齿轮输出；
所述旋转编码器提供高精度位置信号，从而实现多级减速下的采样管转动角度的控制；
所述双旋臂采样装置通过行星齿轮减速机构实现采样管精确旋转，所述行星齿轮减速机构通过太阳齿轮输入，实现前向0~90°正转和后向0~负90°的旋转；所述双旋臂采样分析装置通过旋转采样管实现前后两个不同半径球面的取样。
所述双出轴减速驱动电机采样直流为12V，减速箱减速比为12：1；所述行星齿轮的内齿圈齿数为30，外齿圈齿数为60，行星齿轮传动比为3；所述双旋臂采样装置中双出轴减速驱动电机到采样管旋转的减速比为36：1。
所述恒流恒温的样品采集控制系统包括恒温控制系统和恒流控制系统；
所述恒温控制系统实现两个温控通道，分别对每根采样管进行温度控制；每个温控通道包括独立的温度传感器、聚酰亚胺薄膜加热套和保温材料；
所述恒流控制系统实现恒流样品采集，包括样品电磁阀、质量流量控制器、直流采样泵；
所述恒流恒温的样品采集控制系统用于采集排气筒周边的环境气体样本，降低采样管壁低温对样品气体的吸附和冷凝，对采集流量进行恒流控制；
所述采样管采用碳纤维管作为外套管，外径10mm，内径8mm，采样管长度可根据监测要求设计，所述外套管内嵌1/4英寸聚四氟采样管；
所述聚四氟采样管穿过金属连接件，通过样品电磁阀，最后再与在线监测装置连接；
所述采样管的外壁缠绕聚酰亚胺薄膜加热套和酚醛树脂保温套；所述聚酰亚胺薄膜加热套采用直流12VDC加热，电流小于2A；可实现飞行采样期间采样管恒温50摄氏度。
无人机飞控实时返回目标点位的RTK坐标数据给板载计算机数据传输控制系统进行核对坐标，到达坐标位置后通知在线监测装置进行采样分析。
设定监测排气筒污染物排放时，监测点位周边大气达到平衡状态，则污染物的输送主要由边界层内湍流造成。无人机在两个半球面中间位置飞行，通过监测排气筒外围同一球心的两个半球面上大气污染物浓度阵列，计算每个网格内的大气污染物排放通量，得到固定污染源大气污染物排放强度；
所述双半球飞行路径建模系统基于无人机飞行路径建模算法，生成双半球监测所需的点位与路径，基于监测球面半径、采样管长度、水平与垂直方向监测点位间隔，以飞行时间与距离最短为约束条件，通过双半球飞行路径建模系统进行航迹规划，生成航迹点和停留时间，完成无人机飞行与采样监测所有参数设置，所述参数包括飞行参数和采样参数，所述飞行参数包括空间点位坐标序列、飞行高度、飞行速度，航向角；所述采样参数包括采样温度、采样流量、采样时间、两个采样管角度；每个点位均对应飞行参数和采样参数。
所述恒流恒温的样品采集控制系统通过板载质量流量控制器对采样流量进行稳定控制和精确测量，对采样管外壁的聚酰亚胺薄膜加热套进行加热，由靠近保温层的PT100（铂电阻传感器，温度测量精度1摄氏度）传感器反馈温度信号，实现恒温控制；
所述恒流恒温的样品采集控制系统在采样开始前手动设置参数，或者在飞行中进行远程控制。
所述装置将获取的实时流量、实时温度、采样时间、RTK坐标通过数据发送模块实时传输至地面站，方便地面人员监控。
所述板载计算机数据传输控制系统接收基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位模块提供的高精度GPS信号，并执行导航计算以实现准确定位和航迹规划。
本发明还提供了一种大气污染源排放定量方法，包括如下步骤：
步骤1，所述双半球飞行路径建模系统通过三维建模计算排气筒周边烟羽监测的双半球坐标；
通过双半球监测路径建模系统，得到飞行任务规划文件，起飞前将飞行任务规划文件上传至板载计算机数据传输控制系统，所述飞行任务规划文件包括飞行参数和序列的采样参数；
步骤2，所述实时载波相位差分定位RTK模块通过RTK高精度双定位方式，确定飞行坐标与飞行轨迹，读取离线规划好的监测数据，参照无人机飞控格式要求，将飞行轨迹数据实时传输至板载计算机数据传输控制系统；无人机按照规定飞行路径与监测点位完成双球面大气污染物浓度监测；
步骤3，根据球面参数计算无人机飞行球面面积，基于无人机双球面大气污染物监测结果，计算每个网格的大气污染物排放通量并求和，结合飞行时间，计算得到排气筒整体大气污染物排放量。
步骤1包括：
步骤1-1，确定无人机飞行与采样监测点位：
以监测的排气筒口中心为球心，确定无人机飞行球面半径Radius，采样监测的双半球内圈半径和外圈半径/>，无人机在内外半球中间位置飞行，Radius计算公式如公式（1）所示，第一采样管和第二采样管的采样头之间距离D即为两个半球的半径差/>：
（1）
确定垂直方向监测层数m，内外半球的层数需一致且均匀覆盖半球面；每层以球面横截面圆心为中心，确定每个垂直监测层水平截面监测间隔度数（以横截面圆心为中心的放射状间隔），水平监测点位阵列需要形成闭合圆形，每层采样点数量为n；最终形成封闭的双半球面监测网格；
考虑到通量积分的有效性和达标性，每个球面的垂直层数量不小于5，每层的水平截面监测点位数量不少于10；
步骤1-2，建立采样点位三维坐标并转换为无人机飞行的经纬度坐标。
使用已知的排气筒口中心的GPS坐标（WGS84）和高度信息作为球心，将球心的经纬度转换成弧度，根据给定的内外球半径、和监测层数layer（包括水平和垂直层的监测层数），在球面上生成采样点，根据球心经纬度和高度计算得到每个采样点的球面坐标，再将球面坐标转换成WGS84坐标，最后输出所有坐标的经纬度和高度；
步骤1-3，将半球面采样点经纬度与高度参数输入板载计算机数据传输控制系统，通过双半球飞行路径建模系统规划航迹，生成航迹点和停留时间；完成无人机飞行与采样监测所有参数设置，生成无人机飞行与采样配置文件，上传至无人机的板载计算机数据传输控制系统；
步骤2包括：
步骤2-1，启动高分辨率大气环境六参数仪器、双旋臂采样装置、实时载波相位差分定位RTK模块和板载计算机数据传输控制系统；
步骤2-2，使用实时载波相位差分定位RTK模块提供的高精度GPS信号执行球形网格点导航飞行，无人机飞至每个采样点位调整转向航向角后，由板载计算机数据传输控制系统发送控制命令给双旋臂采样装置，完成样品采集与分析监测，每个悬停点位停留时间为T1（一般为10s），实时获得污染物排放浓度，遍历步骤1中所有采样点位，完成最终任务；
步骤2-3，通过板载计算机数据传输控制系统，将高分辨率大气环境六参数仪器、恒流恒温的样品采集控制系统采集的数据实时传输至地面数据接收系统，同时通过地面控制站对无人机的电池电压、续航时间、飞行状态（飞行速度、航向角、高度、信号强度等等）进行实时监控；
步骤3包括：
步骤3-1，为计算排气筒污染物排放通量，将原经纬度坐标系转换为球面坐标系，连线原点和飞行点位，构建新坐标系；
步骤3-2，进行无人机监测并记录飞行所使用的时间t，单位为s；
步骤3-3，仅考虑湍流通量，则排气筒污染物排放强度为双采样管监测的差值：首先求得无人机飞行坐标系内第i,j个网格对应面积：
（2）
其中，单位为m2；/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为网格的四角坐标；
步骤3-4，根据每个网格监测所得污染物浓度，µg/m3，对半圆进行求和，并求两个球面上的监测浓度差/>，µg/m：
（3）
其中，n和m分别为半球水平方向网格数和垂直方向网格数，代表外半球第i，j网格的污染物浓度，µg/m3；/>代表内半球第i，j网格的污染物浓度，µg/m3，则最终排气筒排放强度I (单位为：µg s-1)为：
。
有益效果：本发明的无人机双旋臂采样监测装置，能同时对双点位进行监测采样，配合无人机监测路径规划系统，能快速获得排气筒周边烟羽规定点位阵列的大气污染物（NO2、CO、O3、SO2、PM2.5和PM10）浓度数据，大大提升了无人机大气环境采样监测的时效性。基于双半球污染物实测浓度的排放通量计算方法，具有较好的流场闭合性和稳定性，规避了环境空气小微尺度平流、湍流及排气筒烟羽排放的复杂三维气象场影响以及空气质量模拟方法的不确定性影响。本发明的采样装置与排放定量方法能有效提升排气筒烟羽排放定量的有效性、准确性和稳定性。
附图说明
图1是本发明装置示意图；
图2是双旋臂采样装置示意图；
图3是采样管示意图；
图4是无人机飞行双半球监测点位示意图。
具体实施方式
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明提供了一种无人机双半球采样装置，包括搭载在无人机上的在线监测装置4、双旋臂采样装置7、板载计算机数据传输控制系统；
所述双旋臂采样装置7用于采集环境样品，实现在一个采样位置同时完成双球面点位大气环境样品采集；
所述板载计算机数据传输控制系统包括基于单片机系统设计的控制板，所述板载控制板中集成有双半球飞行路径建模系统，所述双半球飞行路径建模系统用于产生飞行轨迹与监测点位数据，所述板载计算机数据传输控制系统读取双半球飞行路径建模系统产生的飞行轨迹与监测点位数据，并发送控制飞行所需参数，同时与在线监测装置、双旋臂采样装置7联动，将在线监测数据和采样数据传输回地面站。
所述在线监测装置包括高分辨率大气环境六参数仪器、辅助无人机定位的基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位RTK模块；
所述高分辨率大气环境六参数仪器用于同时测量NO2、CO、O3、SO2浓度气体浓度和PM2.5和PM10颗粒物质量浓度，NO2、CO、O3、SO2浓度气体浓度的测量分辨率为1ppb，PM2.5和PM10颗粒物质量浓度的测量分辨率为0.01ug/m3；
所述实时载波相位差分定位RTK模块用于实时获取无人机的GPS坐标和飞行高度（RTK模块采用大疆D-RTK，包括天空端和地面端），测量分辨率为1厘米。
所述双旋臂采样装置7包括采样管旋转控制装置和恒流恒温的样品采集控制系统；
所述采样管旋转控制装置包括第一采样管5和第二采样管6、金属连接件10、行星齿轮减速机构；
所述采样管包括石英进样头17、石英过滤棉18、塑料连接部件19、聚四氟采样管20、碳纤维管21；所述塑料连接部件19用于连接聚四氟采样管20和石英进样头17；所述石英进样头17入口处填充石英过滤棉18；
所述行星齿轮减速机构包括两组行星减速齿轮组、带旋转编码器的双出轴减速驱动电机15、固定座8、固定块9；所述固定块9与采样管固定连接；每组行星减速齿轮组包括一个太阳齿轮16、三个行星齿轮13和一个外圈齿轮12；所述两组行星减速齿轮组、带旋转编码器的双出轴减速驱动电机15、固定块9和固定座8相连接；
所述固定座8与无人机的碳纤维板连接，通过旋转编码器对电机实时测量，保证了采样管的精确旋转，对预定空间位置的环境样品实现精确采集；
所述行星减速齿轮组的动力来源为双出轴减速驱动电机15，双出轴减速驱动电机15与行星减速齿轮组中心的太阳齿轮16同轴固定安装；分布在行星减速齿轮组的中间的三个行星齿轮13等间距分布，通过齿轮啮合方式，实现将太阳齿轮16的动力输入，转换到外圈齿轮12输出；
所述旋转编码器提供高精度位置信号，从而实现多级减速下的采样管转动角度的控制；
所述双旋臂采样装置7通过行星齿轮减速机构实现采样管精确旋转，机构如图2所示，所述行星齿轮减速机构通过太阳齿轮输入，实现前向0~90°正转和后向0~负90°的旋转；所述双旋臂采样分析装置通过旋转采样管实现前后两个不同半径球面的取样。
所述双出轴减速驱动电机采样直流为12V，减速箱减速比为12：1；所述行星齿轮的内齿圈齿数为30，外齿圈齿数为60，行星齿轮传动比为3；所述双旋臂采样装置7中双出轴减速驱动电机到采样管旋转的减速比为36：1。
所述恒流恒温的样品采集控制系统包括恒温控制系统和恒流控制系统；
所述恒温控制系统实现两个温控通道，分别对每根采样管进行温度控制；每个温控通道包括独立的温度传感器、聚酰亚胺薄膜加热套和保温材料；
所述恒流控制系统实现恒流样品采集，包括样品电磁阀、质量流量控制器、直流采样泵；
所述恒流恒温的样品采集控制系统用于采集排气筒周边的环境气体样本，降低采样管壁低温对样品气体的吸附和冷凝，对采集流量进行恒流控制；
所述采样管的构造如图3所示，
所述采样管采用碳纤维管21作为外套管，外径10mm，内径8mm，采样管长度可根据监测要求设计，所述外套管内嵌1/4英寸聚四氟采样管20；
所述聚四氟采样管20穿过金属连接件10，通过样品电磁阀，最后再与在线监测装置4连接；
所述采样管的外壁缠绕聚酰亚胺薄膜加热套和酚醛树脂保温套；所述聚酰亚胺薄膜加热套采用直流12VDC加热，电流小于2A；可实现飞行采样期间采样管恒温50摄氏度。
无人机飞控实时返回目标点位的RTK坐标数据给板载计算机数据传输控制系统进行核对坐标，到达坐标位置后通知在线监测装置进行采样分析。
设定监测排气筒污染物排放时，监测点位周边大气达到平衡状态，则污染物的输送主要由边界层内湍流造成。无人机在两个半球面中间位置飞行，通过监测排气筒外围同一球心的两个半球面上大气污染物浓度阵列，计算每个网格内的大气污染物排放通量，得到固定污染源大气污染物排放强度；
所述双半球飞行路径建模系统基于无人机飞行路径建模算法，生成双半球监测所需的点位与路径，基于监测球面半径、采样管长度、水平与垂直方向监测点位间隔，以飞行时间与距离最短为约束条件，通过双半球飞行路径建模系统进行航迹规划，生成航迹点和停留时间，完成无人机飞行与采样监测所有参数设置，所述参数包括飞行参数和采样参数，所述飞行参数包括空间点位坐标序列、飞行高度、飞行速度，航向角；所述采样参数包括采样温度、采样流量、采样时间、两个采样管角度；每个点位均对应飞行参数和采样参数。
所述恒流恒温的样品采集控制系统通过板载质量流量控制器对采样流量进行稳定控制和精确测量，对采样管外壁的聚酰亚胺薄膜加热套进行加热，由靠近保温层的PT100（铂电阻传感器，温度测量精度1摄氏度）传感器反馈温度信号，实现恒温控制；
所述恒流恒温的样品采集控制系统在采样开始前手动设置参数，或者在飞行中进行远程控制。
所述装置将获取的实时流量、实时温度、采样时间、RTK坐标通过数据发送模块实时传输至地面站，方便地面人员监控。
所述板载计算机数据传输控制系统接收基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位模块提供的高精度GPS信号，并执行导航计算以实现准确定位和航迹规划。
本发明还提供了一种大气污染源排放定量方法，包括如下步骤：
步骤1，所述双半球飞行路径建模系统通过三维建模计算排气筒周边烟羽监测的双半球坐标；
通过双半球监测路径建模系统，得到飞行任务规划文件，起飞前将飞行任务规划文件上传至板载计算机数据传输控制系统，所述飞行任务规划文件包括飞行参数和序列的采样参数；
步骤2，所述实时载波相位差分定位RTK模块通过RTK高精度双定位方式，确定飞行坐标与飞行轨迹，读取离线规划好的监测数据，参照无人机飞控格式要求，将飞行轨迹数据实时传输至板载计算机数据传输控制系统；无人机按照规定飞行路径与监测点位完成双球面大气污染物浓度监测；
步骤3，根据球面参数计算无人机飞行球面面积，基于无人机双球面大气污染物监测结果，计算每个网格的大气污染物排放通量并求和，结合飞行时间，计算得到排气筒整体大气污染物排放量。
步骤1包括：
步骤1-1，确定无人机飞行与采样监测点位：
以监测的排气筒口中心为球心，确定无人机飞行球面半径Radius，采样监测的双半球内圈半径和外圈半径/>，无人机在内外半球中间位置飞行，Radius计算公式如公式（1）所示，第一采样管5和第二采样管6的采样头之间距离D即为两个半球的半径差/>：
（1）
确定垂直方向监测层数m，内外半球的层数需一致且均匀覆盖半球面；每层以球面横截面圆心为中心，确定每个垂直监测层水平截面监测间隔度数（以横截面圆心为中心的放射状间隔），水平监测点位阵列需要形成闭合圆形，每层采样点数量为n；最终形成封闭的双半球面监测网格，如图4所示；
考虑到通量积分的有效性和达标性，每个球面的垂直层数量不小于5，每层的水平截面监测点位数量不少于10；
步骤1-2，建立采样点位三维坐标并转换为无人机飞行的经纬度坐标。
使用已知的排气筒口中心的GPS坐标（WGS84）和高度信息作为球心，将球心的经纬度转换成弧度，根据给定的内外球半径、和监测层数layer（包括水平和垂直层的监测层数），在球面上生成采样点，根据球心经纬度和高度计算得到每个采样点的球面坐标，再将球面坐标转换成WGS84坐标，最后输出所有坐标的经纬度和高度；
步骤1-3，将半球面采样点经纬度与高度参数输入板载计算机数据传输控制系统，通过双半球飞行路径建模系统规划航迹，生成航迹点和停留时间；完成无人机飞行与采样监测所有参数设置，生成无人机飞行与采样配置文件，上传至无人机的板载计算机数据传输控制系统；
步骤2包括：
步骤2-1，启动高分辨率大气环境六参数仪器、双旋臂采样装置7、实时载波相位差分定位RTK模块和板载计算机数据传输控制系统；
步骤2-2，使用实时载波相位差分定位RTK模块提供的高精度GPS信号执行球形网格点导航飞行，无人机飞至每个采样点位调整转向航向角后，由板载计算机数据传输控制系统发送控制命令给双旋臂采样装置7，完成样品采集与分析监测，每个悬停点位停留时间为T1（一般为10s），实时获得污染物排放浓度，遍历步骤1中所有采样点位，完成最终任务；
步骤2-3，通过板载计算机数据传输控制系统，将高分辨率大气环境六参数仪器、恒流恒温的样品采集控制系统采集的数据实时传输至地面数据接收系统，同时通过地面控制站对无人机的电池电压、续航时间、飞行状态（飞行速度、航向角、高度、信号强度等等）进行实时监控；
步骤3包括：
步骤3-1，为计算排气筒污染物排放通量，将原经纬度坐标系转换为球面坐标系，连线原点和飞行点位，构建新坐标系；
步骤3-2，进行无人机监测并记录飞行所使用的时间t，单位为s；
步骤3-3，仅考虑湍流通量，则排气筒污染物排放强度为双采样管监测的差值：首先求得无人机飞行坐标系内第i,j个网格对应面积：
（2）
其中，单位为m2；/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为网格的四角坐标；
步骤3-4，根据每个网格监测所得污染物浓度，µg/m3，对半圆进行求和，并求两个球面上的监测浓度差/>，µg/m：
（3）
其中，n和m分别为半球水平方向网格数和垂直方向网格数，代表外半球第i，j网格的污染物浓度，µg/m3；/>代表内半球第i，j网格的污染物浓度，µg/m3，则最终排气筒排放强度I (单位为：µg s-1)为：
。
本发明一具体实施方式中，提供了一种无人机双半球采样装置与大气污染源排放定量方法，所述装置包括搭载在无人机上的在线监测装置、双旋臂采样装置7、板载计算机数据传输控制系统；如图1所示，具体包括6010电机1、GPS—GNSS导航天线2、双并列D-RTK天空端天线3、在线监测装置4、第一采样管5和第二采样管6，以及双旋臂采样装置7；
双旋臂采样装置7如图2所示，包括固定座8、固定块9、内径10mm的三通金属连接件10、外圈齿轮12、三个行星齿轮13、带旋转编码器的双出轴减速驱动电机15和太阳齿轮16；其中固定座8与无人机碳纤维板通过M4X10螺丝固定；固定块9一端通过两个M3X8mm螺丝固定与外圈齿轮固定，另一端通过两个M3X6尖头顶丝固定第一采样管5，从而与外圈齿轮形成一个整体；内径10mm的三通金属连接件10通过两个M3X6尖头顶丝固定第一采样管5，再通过圆孔将第一采样管5内的聚四氟采样管引出，连接至在线监测装置4，第二采样管6同理；减速齿轮外壳11用于保护外圈齿轮，通过限位固定；三个行星齿轮13，行星齿轮通过连接杆14固定。
图3是采样管示意图，包括石英进样头17（石英进样头17为石英制斜30°坡面的进样头）、填充石英棉18、塑料连接部件19、聚四氟采样管20和碳纤维管21；其中塑料连接部件19连接内嵌四氟管与石英进样头；聚四氟采样管20的外壁包覆聚酰亚胺加热薄膜，整体嵌套在碳纤维管内。贴片式的温度传感器探头紧密贴合加热薄膜表面。
采样管的尺寸和结构为：长度1000mm，管子外径10mm，内径8mm，其中内嵌1/4英寸聚四氟采样管，采样管前端由石英高效过滤棉和石英进样喷嘴组合而成。采样流量由无人机上携带的采样分析单元进行控制。
本实施例中，依托于一种双悬臂无人机大气污染物与气象参数实时采样监测装备，对某钢铁厂直径2米的排气筒烟羽进行双半球监测，基于实测的半球面大气污染物浓度阵列进行平流与湍流通量积分，得到该排气筒大气污染物排放强度。可在不进厂情况下，相对准确计算排气筒大气污染物排放量，解决未安装在线监测数据的大气污染源排放远程监测问题。所述方法包括以下步骤：
步骤1：设计双悬臂无人机采样装置，所述采样装置包括无人机搭载在线监测装置、双旋臂采样装置7、板载计算机数据传输控制系统。无人机长度726mm,宽度847mm,厚度122mm，重量1.9kg，采用H型结构，搭载高分辨率大气环境六参数仪器和基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位RTK模块；双旋臂采样装置7包括采样管旋转控制装置和恒流恒温的样品采集控制系统，每个采样管长度1000mm,安装后两采样管的采样头距离总长2000mm。
步骤2：确定无人机双半球监测路径与点位，利用双半球飞行路径建模系统规划航迹，生成航迹点和停留时间；生成配置文件，上传至无人机的板载计算机数据传输控制系统。
步骤2-1，设置双半球监测相关参数。以排气筒口中心为球心，无人机飞行半径Radius为4米，采样监测双半球轨迹内圈半径为3米，外圈半径为5米，水平方向采样点位间隔均为20°（以球面水平截面圆心为中心点的夹角），每个半球从顶点到半球下截面共监测6层，加上垂直方向顶点，每个半球面共计49个点位，双半球采样监测点位共计98个。图4为无人机飞行双半球监测点位示意图，圆点位为无人机悬停监测点位，黑色线所构成的区域表示为监测网格。
步骤2-2，建立采样点位三维坐标并转换为无人机飞行的经纬度坐标。
使用已知的排气筒口中心的GPS坐标（WGS84）和高度信息作为球心。将球心的经纬度转换成弧度，根据内外球半径、和水平与垂直监测点位数量，在球面上生成采样点，将每个采样点的球面坐标根据球心经纬度和高度计算得到，再将球面坐标转换成WGS84坐标，最后输出所有坐标的经纬度和高度。坐标输出示例结果如下：
经度：116.42391285417646，纬度：39.93889，高度：14.5；
经度：116.42055642708823，纬度：39.94337883667342，高度：14.5；
经度：116.41384357291177，纬度：39.94337883667342，高度：14.5；
经度：116.41048714582355，纬度：39.93889，高度：14.5；
经度：116.41384357291177，纬度：39.934401163326584，高度：14.5；
经度：116.42055642708823，纬度：39.934401163326584，高度：14.5；
经度：116.42391285417646，纬度：39.93889，高度：17.0；
经度：116.42055642708823，纬度：39.94337883667342，高度：17.0；
经度：116.41384357291177，纬度：39.94337883667342，高度：17.0；
经度：116.41048714582355，纬度：39.93889，高度：17.0；
经度：116.41384357291177，纬度：39.934401163326584，高度：17.0；
经度：116.42055642708823，纬度：39.934401163326584，高度：17.0；
步骤2-3，将半球面监测网格参数输入板载计算机数据传输控制系统，应用专利CN104165627A一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法，建立双半球飞行路径建模系统，通过系统进行航迹规划，生成航迹点和停留时间。完成无人机飞行与采样监测所有参数设置，飞行参数包括：空间点位坐标序列、飞行高度、飞行速度，航向角；采样参数包括：采样温度、采样流量、采样时间、两个采样管角度。每个点位均对应飞行参数和采样参数。生成配置文件，上传至无人机的板载计算机数据传输控制系统。配置文件格式如下：
0xFA 0xFB 0x04 0x01 0x91 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x20 0x00 0x00 0xFE
其中0x04 0x01为选择自行输入航点参数；
0x91为模式标志字节；选择的模式为VERT_POS HORI_POS YAW_RATE Ground系 增稳模式；
0x00 0x00 为X方向距离为0；
0x00 0x00 为Y方向距离为0；
0x01 0xf4 为Z方向距离为5.00m；
0x00 0x00 为YAW方向不旋转；
采样配置文件格式如下表1所示：
表1
| 双悬臂旋转角度 | 采样流量设定 | 采样温度设定 | 采样持续时间 |
| 12° | 1.5L/min | 45摄氏度 | 8秒 |
| 12° | 1.5L/min | 45摄氏度 | 8秒 |
| 12° | 1.5L/min | 45摄氏度 | 8秒 |
步骤3：基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位模块通过RTK高精度双定位方式，读取离线规划好的监测数据，参照无人机飞控格式要求，将飞行轨迹数据实时传输至无人机飞行系统；无人机按照规定飞行路径与监测点位完成双球面大气污染物浓度监测。
步骤3-1，启动高分辨率大气环境六参数仪器、恒流恒温气体采样装置、实时载波相位差分定位模块和数据发送模块，执行飞行观测，采集大气污染物浓度数据；
步骤3-2，使用基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位模块提供的高精度GPS信号执行球形网格点导航飞行，无人机飞至每个采样点位调整转向航向角后，由板载计算机发送控制命令给双旋臂采样装置7，完成样品采集与分析监测，每个悬停点位停留时间为T1（一般为10s），实时获得污染物排放浓度及三维风速，遍历步骤1中所有采样点位，完成最终任务；
步骤3-3，通过数据发送模块，将无人机上的高分辨率风向风速超声波传感器、高分辨率大气环境六参数仪器、恒流恒温气体采样装置采集的数据实时传输至地面数据接收系统，同时通过地面控制站对无人机的电池电压、续航时间、飞行状态（飞行速度、航向角、高度、信号强度等等）进行实时监控。
步骤4：根据球面参数计算无人机飞行球面面积，基于无人机双球面大气污染物监测结果，计算每个网格的大气污染物排放通量并求和，结合飞行时间，计算得到排气筒整体大气污染物排放量。
步骤4-1，为计算排气筒污染物排放通量，将原经纬度坐标系转换为球面坐标系，连线原点和飞行点位，构建新坐标系；
步骤4-2，进行无人机监测并记录飞行所使用的时间t；
步骤4-3，仅考虑湍流通量，则排气筒污染物排放强度为双采样管监测之差值。首先求得无人机飞行坐标系内第i,j个网格对应面积，计算公式为：
其中，、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为网格的四角坐标；/>
步骤4-4，根据每个网格监测所得污染物浓度，对半圆进行求和，并求两个球面上的监测浓度差/>，公式为：
其中，n和m分别为半球水平方向网格数和垂直方向网格数，代表外半球第i，j网格的污染物浓度，µg/m3；/>代表内半球第i，j网格的污染物浓度，µg/m3，则最终排气筒排放强度I (单位为：µg s-1)为：
其中，D为两采样管的采样头之间距离（取值为2米）。
具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种大气污染源排放定量方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（read-only memory，ROM）或随机存储记忆体（random access memory，RAM）等。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备（可以是个人计算机，服务器，单片机，MUU或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本发明提供了一种无人机双半球采样装置与大气污染源排放定量方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种无人机双半球采样装置，其特征在于，包括搭载在无人机上的在线监测装置（4）、双旋臂采样装置、板载计算机数据传输控制系统；
所述双旋臂采样装置用于采集环境样品，实现在一个采样位置同时完成双点位大气环境样品采集；
所述板载计算机数据传输控制系统包括基于单片机系统设计的控制板，所述板载控制板中集成有双半球飞行路径建模系统，所述双半球飞行路径建模系统用于产生飞行轨迹与监测点位数据，所述板载计算机数据传输控制系统读取双半球飞行路径建模系统产生的飞行轨迹与监测点位数据，并发送控制飞行所需参数，同时与在线监测装置、双旋臂采样装置联动，将在线监测数据和采样数据传输回地面站。
2.根据权利要求1所述的一种无人机双半球采样装置，其特征在于，所述在线监测装置包括高分辨率大气环境六参数仪器、辅助无人机定位的基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位RTK模块；
所述高分辨率大气环境六参数仪器用于同时测量NO2、CO、O3、SO2浓度气体浓度和PM2.5和PM10颗粒物质量浓度；
所述实时载波相位差分定位RTK模块用于实时获取无人机的GPS坐标和飞行高度。
3.根据权利要求2所述的一种无人机双半球采样装置，其特征在于，所述双旋臂采样装置包括采样管旋转控制装置和恒流恒温的样品采集控制系统；
所述采样管旋转控制装置包括第一采样管（5）和第二采样管（6）、金属连接件（10）、行星齿轮减速机构；
所述采样管包括石英进样头（17）、石英过滤棉（18）、塑料连接部件（19）、聚四氟采样管（20）、碳纤维管（21）；所述塑料连接部件（19）用于连接聚四氟采样管（20）和石英进样头（17）；所述石英进样头（17）入口处填充石英过滤棉（18）；
所述行星齿轮减速机构包括两组行星减速齿轮组、带旋转编码器的双出轴减速驱动电机（15）、固定座（8）、固定块（9）；所述固定块（9）与采样管固定连接；每组行星减速齿轮组包括一个太阳齿轮（16）、三个行星齿轮（13）和一个外圈齿轮（12）；所述两组行星减速齿轮组、带旋转编码器的双出轴减速驱动电机（15）、固定块（9）和固定座（8）相连接；
所述固定座（8）与无人机的碳纤维板连接；
所述行星减速齿轮组的动力来源为双出轴减速驱动电机（15），双出轴减速驱动电机（15）与行星减速齿轮组中心的太阳齿轮（16）同轴固定安装；分布在行星减速齿轮组的中间的三个行星齿轮（13）等间距分布，通过齿轮啮合方式，实现将太阳齿轮（16）的动力输入，转换到外圈齿轮（12）输出；
所述旋转编码器提供高精度位置信号，从而实现多级减速下的采样管转动角度的控制；所述双旋臂采样装置通过行星齿轮减速机构实现采样管精确旋转，所述行星齿轮减速机构通过太阳齿轮输入，实现前向0~90°正转和后向0~负90°的旋转；所述双旋臂采样分析装置通过旋转采样管实现前后两个不同半径球面的取样。
4.根据权利要求3所述的一种无人机双半球采样装置，其特征在于，所述恒流恒温的样品采集控制系统包括恒温控制系统和恒流控制系统；
所述恒温控制系统实现两个温控通道，分别对每根采样管进行温度控制；每个温控通道包括独立的温度传感器、聚酰亚胺薄膜加热套和保温材料；
所述恒流控制系统实现恒流样品采集，包括样品电磁阀、质量流量控制器、直流采样泵；
所述恒流恒温的样品采集控制系统用于采集排气筒周边的环境气体样本，降低采样管壁低温对样品气体的吸附和冷凝，对采集流量进行恒流控制。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述采样管采用碳纤维管（21）作为外套管，所述外套管内嵌聚四氟采样管（20）；
所述聚四氟采样管（20）穿过金属连接件（10），通过样品电磁阀，最后再与在线监测装置（4）连接；
所述采样管的外壁缠绕聚酰亚胺薄膜加热套和酚醛树脂保温套。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，设定监测排气筒污染物排放时，监测点位周边大气达到平衡状态，无人机在两个半球面中间位置飞行，通过监测排气筒外围同一球心的两个半球面上大气污染物浓度阵列，计算每个网格内的大气污染物排放通量，得到固定污染源大气污染物排放强度；
所述双半球飞行路径建模系统基于无人机飞行路径建模算法，生成双半球监测所需的点位与路径，基于监测球面半径、采样管长度、水平与垂直方向监测点位间隔，以飞行时间与距离最短为约束条件，通过双半球飞行路径建模系统进行航迹规划，生成航迹点和停留时间，完成无人机飞行与采样监测所有参数设置，所述参数包括飞行参数和采样参数，所述飞行参数包括空间点位坐标序列、飞行高度、飞行速度，航向角；所述采样参数包括采样温度、采样流量、采样时间、两个采样管角度；每个点位均对应飞行参数和采样参数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述恒流恒温的样品采集控制系统通过板载质量流量控制器对采样流量进行稳定控制和精确测量，对采样管外壁的聚酰亚胺薄膜加热套进行加热，由传感器反馈温度信号，实现恒温控制；
所述恒流恒温的样品采集控制系统在采样开始前设置参数，或者在飞行中进行远程控制。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述板载计算机数据传输控制系统接收基于全球卫星导航系统的实时载波相位差分定位模块提供的高精度GPS信号，并执行导航计算以实现准确定位和航迹规划。
9.一种大气污染源排放定量方法，采用如权利要求2~8任一项所述的一种无人机双半球采样装置实现，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，所述双半球飞行路径建模系统通过三维建模计算排气筒周边烟羽监测的双半球坐标；
通过双半球监测路径建模系统，得到飞行任务规划文件，起飞前将飞行任务规划文件上传至板载计算机数据传输控制系统，所述飞行任务规划文件包括飞行参数和序列的采样参数；
步骤2，所述实时载波相位差分定位RTK模块通过RTK高精度双定位方式，确定飞行坐标与飞行轨迹，读取离线规划好的监测数据，参照无人机飞控格式要求，将飞行轨迹数据实时传输至板载计算机数据传输控制系统；无人机按照规定飞行路径与监测点位完成双球面大气污染物浓度监测；
步骤3，根据球面参数计算无人机飞行球面面积，基于无人机双球面大气污染物监测结果，计算每个网格的大气污染物排放通量并求和，结合飞行时间，计算得到排气筒整体大气污染物排放量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1-1，确定无人机飞行与采样监测点位：
以监测的排气筒口中心为球心，确定无人机飞行球面半径Radius，采样监测的双半球内圈半径和外圈半径/>，无人机在内外半球中间位置飞行，Radius计算公式如公式（1）所示，第一采样管（5）和第二采样管（6）的采样头之间距离D即为两个半球的半径差/>：
（1）
确定垂直方向监测层数m，内外半球的层数需一致且均匀覆盖半球面；每层以球面横截面圆心为中心，确定每个垂直监测层水平截面监测间隔度数，水平监测点位阵列需要形成闭合圆形，每层采样点数量为n；最终形成封闭的双半球面监测网格；
步骤1-2，建立采样点位三维坐标并转换为无人机飞行的经纬度坐标：
使用已知的排气筒口中心的GPS坐标和高度信息作为球心，将球心的经纬度转换成弧度，根据给定的内外球半径、/>和监测层数layer，在球面上生成采样点，根据球心经纬度和高度计算得到每个采样点的球面坐标，再将球面坐标转换成WGS84坐标，最后输出所有坐标的经纬度和高度；
步骤1-3，将半球面采样点经纬度与高度参数输入板载计算机数据传输控制系统，通过双半球飞行路径建模系统规划航迹，生成航迹点和停留时间；完成无人机飞行与采样监测所有参数设置，生成无人机飞行与采样配置文件，上传至无人机的板载计算机数据传输控制系统；
步骤2包括：
步骤2-1，启动高分辨率大气环境六参数仪器、双旋臂采样装置、实时载波相位差分定位RTK模块和板载计算机数据传输控制系统；
步骤2-2，使用实时载波相位差分定位RTK模块提供的高精度GPS信号执行球形网格点导航飞行，无人机飞至每个采样点位调整转向航向角后，由板载计算机数据传输控制系统发送控制命令给双旋臂采样装置，完成样品采集与分析监测，每个悬停点位停留时间为T1，实时获得污染物排放浓度，遍历步骤1中所有采样点位，完成最终任务；
步骤2-3，通过板载计算机数据传输控制系统，将高分辨率大气环境六参数仪器、恒流恒温的样品采集控制系统采集的数据实时传输至地面数据接收系统，同时通过地面控制站对无人机的电池电压、续航时间、飞行状态进行实时监控；
步骤3包括：
步骤3-1，为计算排气筒污染物排放通量，将原经纬度坐标系转换为球面坐标系，连线原点和飞行点位，构建新坐标系；
步骤3-2，进行无人机监测并记录飞行所使用的时间t；
步骤3-3，仅考虑湍流通量，则排气筒污染物排放强度为双采样管监测的差值：首先求得无人机飞行坐标系内第i,j个网格对应面积：
（2）
其中，、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为网格的四角坐标；
步骤3-4，根据每个网格监测所得污染物浓度，对半圆进行求和，并求两个球面上的监测浓度差/>：
（3）
其中，n和m分别为半球水平方向网格数和垂直方向网格数，代表外半球第i，j网格的污染物浓度；/>代表内半球第i，j网格的污染物浓度，则最终排气筒排放强度I为：
。
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|---|---|---|---|
| CN202410517296.8A CN118091055B (zh) | 2024-04-28 | 2024-04-28 | 一种无人机双半球采样装置与大气污染源排放定量方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202410517296.8A CN118091055B (zh) | 2024-04-28 | 2024-04-28 | 一种无人机双半球采样装置与大气污染源排放定量方法 |
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