CN210221816U - 一种用于垃圾填埋气体检测的无人机 - Google Patents

一种用于垃圾填埋气体检测的无人机 Download PDF

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袁志业
Wentao Zhang
张文涛
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Abstract

本实用新型公开了一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，包括无人机本体和多参数气体检测模组，所述多参数气体检测模组固定安装于所述无人机本体的底部；该无人机通过无人机本体和多参数气体检测模组的结合进行垃圾填埋场有毒有害气体快速检测，无需人工携带检测仪器在恶劣环境下操作，可有效降低检测工作的劳动强度和安全风险，同时还具有大范围检测作业效率高、可检测气体多、非接触式检测、机动灵活、气体浓度分布直观的特点。

Description

一种用于垃圾填埋气体检测的无人机
技术领域
本实用新型涉及非正规垃圾填埋场勘察、施工治理领域以及无人机遥感领域，更具体的说是涉及一种用于垃圾填埋气体检测的无人机。
背景技术
目前，目前我国解决城市生活垃圾的最主要途径是卫生填埋，但是早期垃圾填埋处理技术不完善，填埋场没有合理的规划设计，也无有效的气体收集系统，导致周边区域土水、大气环境受到严重污染。由于非正规垃圾填埋场抽排气措施不足，垃圾堆体产生的有害气体(CH4、H2S、CO、NH3等)积聚在堆体表面易引起火灾、中毒等危害事故。为保证填埋场以及周边敏感区域安全，需要及时识别安全隐患，并采取有效预防措施。
当前我国大部分非正规垃圾填埋场治理项目的前期勘察阶段的数据采集，以及治理施工阶段的生产都涉及到高效准确的有害气体浓度检测，传统的检测方法是工作人员使用便携式手持检测仪器，徒步至各检测工作面和点进行测量并记录数据，并通过内业整理形成检测报告。此方式耗费大量时间和人工成本，且作业效率低，且在非规范堆填垃圾表面作业，极易出现坠落、感染病菌和中毒窒息等事故，存在很大的安全隐患。
同时，现有的无人机载激光甲烷检测设备参数单一，不能完成对垃圾填埋场产生的有害气体浓度进行全面检测，并且该设备采集到的浓度数据对应的GPS信息是无人机的坐标位置，而不是被测气体的坐标位置，不能准确反映被测气体的总体分布情况。
因此，如何提供一种安全高效、准确可靠、采集参数多样化的用于垃圾填埋气体检测的装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，该装置通过无人机和多参数气体检测模组的结合进行垃圾填埋场有毒有害气体快速检测，解决了人工检测效率低下且安全难以保证、现有无人机检测参数单一、数据可靠性不高的问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，包括无人机本体和多参数气体检测模组，所述多参数气体检测模组固定安装于所述无人机本体的底部；
所述无人机本体包括飞行控制系统、数据存储模块和无线通信模块，所述数据存储模块和所述无线通信模块均与所述飞行控制系统电连接；
所述飞行控制系统用于根据预设的飞行路径、速度和高度控制无人机行进，所述飞行控制系统还用于根据预设的采样时间控制所述多参数气体检测模组采集无人机坐标位置正下方的被测气体浓度数据；
所述数据存储模块用于存储所述被测气体浓度数据；
所述无线通信模块用于将所述被测气体浓度数据打包发送至与其通信连接的地面监控系统；
所述多参数气体检测模组包括角度补偿模块和多参数气体检测仪，所述角度补偿模块和多参数气体检测仪均与所述飞行控制系统连接；
所述角度补偿模块用于根据采集到的无人机机体的航向角和俯仰角数据，对无人机机体的航向角和俯仰角进行实时补偿；
所述多参数气体检测仪用于检测无人机坐标位置正下方的被测气体浓度。
进一步地，无线通信模块还与地面监控系统连接，地面监控系统通过无线通信模块将规划的飞行路径、采集时间、飞行速度和高度传送至飞行控制系统。
飞行控制系统自动控制无人机按照规划的路径、速度和高度飞行，同时控制航向角补偿电机和俯仰角补偿电机对遥感角度进行补偿。多参数气体检测仪接收到飞行控制系统发出的指令后，采集无人机坐标位置正下方的被测气体浓度信息。所有采集到的被测气体浓度信息，储存到机载数据存储模块，并实时通过无线通信模块将这些信息打包发送至地面监控系统，每个被测气体浓度信息包含对应的坐标位置和时间信息。地面监控系统根据这些打包的信息通过数据可视化软件，实时导出二维网格气体浓度分布热力图、二维等值线气体浓度分布热力图、三维点云气体浓度分布热力图和Excel表格等可视化图表，供安全技术人员查阅分析。
进一步地，所述飞行控制系统包括时钟模块、GPS模块、IMU模块、高度计和中央处理器，所述时钟模块、GPS模块、IMU模块和高度计均与所述中央处理器电连接；
所述时钟模块用于记录采样时间信息；所述GPS模块用于实时定位无人机的位置坐标；所述IMU模块用于实时采集无人机机体的航向角和俯仰角信息；所述高度计用于实时采集无人机机体的高度数据；所述中央处理器用于接收无人机的位置坐标数据、无人机机体的航向角和俯仰角信息以及无人机机体的高度数据，并进行数据整合处理。
进一步地，所述角度补偿模块包括航向角补偿电机、航向角传感器、摇臂、俯仰角补偿电机和俯仰角传感器；
所述航向角补偿电机定子与所述无人机本体的底部连接，所述摇臂包括横摇臂和纵摇臂，所述横摇臂与所述纵摇臂一体式成型，所述航向角补偿电机转子与所述横摇臂连接，所述俯仰角补偿电机定子与所述纵摇臂连接，所述俯仰角补偿电机转子与多参数气体检测仪连接，所述航向角补偿电机、航向角传感器、俯仰角补偿电机和俯仰角传感器均与所述飞行控制系统电连接。
具体地，无人机的俯仰角的调节可以分为自动模式和手动模式两种。自动模式下，IMU模块反馈无人机航向角，通过飞行控制系统向航向角补偿电机发出动作指令，航向角补偿电机转子驱动横摇臂绕航向轴转动，航向角传感器校正航向角补偿电机转子的转动角度，完成航向角补偿。IMU模块反馈无人机俯仰角，通过飞行控制系统向俯仰角补偿电机发出动作指令，俯仰角补偿电机转子驱动多参数气体检测仪绕俯仰轴转动，俯仰角传感器校正俯仰角补偿电机转子的转动角度，完成俯仰角补偿。手动模式下，地面监控系统直接通过飞行控制系统，对航向角补偿电机、俯仰角补偿电机发出动作指令。
进一步地，所述多参数气体检测仪包括壳体以及设置于壳体内的可调谐半导体激光器、接收透镜、分析模块和辅助摄像头，所述可调谐半导体激光器、接收透镜、辅助摄像头均镶嵌在所述壳体底部，所述分析模块布置于所述壳体内部且位于所述接收透镜正上方，所述可调谐半导体激光器、分析模块和辅助摄像头均与所述飞行控制系统连接。
更进一步地，所述分析模块包括光电转换器、信号处理器和通信接口，所述光电转换器接收所述接收透镜上经垃圾堆体表面散射返回的窄带激光，并进行光电转换，所述信号处理器与所述光电转换器电连接，所述信号处理器对光电转换后的电信号进行处理，并通过所述通信接口将处理后的电信号发出。
具体地，多参数气体检测仪的可调谐半导体激光器向下发出特定波长范围的窄带激光(波长覆盖被测气体的吸收峰)穿过被测气体，经垃圾堆体表面散射返回接收透镜，内部进行光电转换，分析模块根据电信号，对比吸收峰的强度和原始光强，计算得出多参数气体检测仪到垃圾堆体之间直线路径上的被测气体的积分浓度,检测仪响应时间t≤0.1s。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，该无人机通过无人机本体和多参数气体检测模组的结合进行垃圾填埋场有毒有害气体快速检测，无需人工携带检测仪器在恶劣环境下操作，可有效降低检测工作的劳动强度和安全风险，同时还具有大范围检测作业效率高、可检测气体多、非接触式检测、机动灵活、气体浓度分布直观的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本实用新型提供的一种用于垃圾填埋气体检测的无人机的结构示意图；
图2附图为本实用新型提供的一种用于垃圾填埋气体检测的无人机的整体架构示意图；
图3附图为本实用新型实施例中角度补偿模块的结构组成示意图；
图4附图为本实用新型实施例中多参数检测仪的结构示意图；
图5附图为本实用新型实施例中多参数检测仪的检测原理示意图；
图6附图为本实用新型实施例中无人机采集数据的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
参见附图1和附图2，本实用新型实施例公开了一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，包括无人机本体1和多参数气体检测模组2，多参数气体检测模组2固定安装于无人机本体1的底部；
无人机本体1包括飞行控制系统11、数据存储模块12和无线通信模块13，数据存储模块12和无线通信模块13均与飞行控制系统11电连接；
飞行控制系统11用于根据预设的飞行路径、速度和高度控制无人机行进，飞行控制系统11还用于根据预设的采样时间控制多参数气体检测模组采集无人机坐标位置正下方的被测气体浓度数据；
数据存储模块12用于存储被测气体浓度数据；
无线通信模块13用于将被测气体浓度数据打包发送至与其通信连接的地面监控系统；
多参数气体检测模组2包括角度补偿模块21和多参数气体检测仪22，角度补偿模块21和多参数气体检测仪22均与飞行控制系统11连接；
角度补偿模块21用于根据采集到的无人机机体的航向角和俯仰角数据，对无人机机体的航向角和俯仰角进行实时补偿；
多参数气体检测仪22用于检测无人机坐标位置正下方的被测气体浓度。
在一个具体的实施例中，无线通信模块13还与地面监控系统连接，地面监控系统包括无线控制模块、安装有数据可视化软件的地面服务器和显示器，地面监控系统通过无线通信模块将规划的飞行路径、采集时间、飞行速度和高度传送至飞行控制系统。
在一个具体的实施例中，飞行控制系统11包括时钟模块111、GPS模块112、IMU模块113、高度计114和中央处理器115，时钟模块111、GPS模块112、IMU模块113和高度计114均与中央处理器115电连接；
时钟模块111用于记录采样时间信息；GPS模块112用于实时定位无人机的位置坐标；IMU模块113用于实时采集无人机机体的航向角和俯仰角信息；高度计114用于实时采集无人机机体的高度数据；中央处理器115用于接收无人机的位置坐标数据、无人机机体的航向角和俯仰角信息以及无人机机体的高度数据，并进行数据整合处理。
其中，IMU(Inertial measurement unit)，中文为惯性测量单元，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，陀螺仪及加速度计是IMU的主要元件。
GPS(Global Positioning System)，中文为全球卫星定位系统，是一种利用GPS定位卫星在全球范围内实时进行定位、导航的系统。
参见附图3，在一个具体的实施例中，角度补偿模块21包括航向角补偿电机211、航向角传感器212、摇臂215、俯仰角补偿电机213和俯仰角传感器214；
航向角补偿电机211定子与无人机本体1的底部连接，摇臂215包括横摇臂和纵摇臂，横摇臂与纵摇臂一体式成型，航向角补偿电机213转子与横摇臂连接，俯仰角补偿电机214定子与纵摇臂连接，俯仰角补偿电机214转子与多参数气体检测仪22连接，航向角补偿电机211、航向角传感器212、俯仰角补偿电机213和俯仰角传感器214均与飞行控制系统11电连接。
飞行控制系统11自动控制无人机按照规划的路径、速度和高度飞行，同时控制航向角补偿电机和俯仰角补偿电机对遥感角度进行补偿。多参数气体检测仪接收到飞行控制系统发出的指令后，采集无人机坐标位置正下方的被测气体浓度信息。所有采集到的被测气体浓度信息，储存到机载数据存储模块，并实时通过无线通信模块将这些信息打包发送至地面监控系统，每个被测气体浓度信息包含对应的坐标位置和时间信息。地面监控系统根据这些打包的信息通过数据可视化软件，实时导出二维网格气体浓度分布热力图、二维等值线气体浓度分布热力图、三维点云气体浓度分布热力图和Excel表格等可视化图表，供安全技术人员查阅分析。
具体地，无人机的俯仰角的调节可以分为自动模式和手动模式两种。自动模式下，IMU模块反馈无人机航向角，通过飞行控制系统向航向角补偿电机发出动作指令，航向角补偿电机转子驱动横摇臂绕航向轴转动，航向角传感器校正航向角补偿电机转子的转动角度，完成航向角补偿。IMU模块反馈无人机俯仰角，通过飞行控制系统向俯仰角补偿电机发出动作指令，俯仰角补偿电机转子驱动多参数气体检测仪绕俯仰轴转动，俯仰角传感器校正俯仰角补偿电机转子的转动角度，完成俯仰角补偿。手动模式下，地面监控系统直接通过飞行控制系统，对航向角补偿电机、俯仰角补偿电机发出动作指令。
在一个具体的实施例中，参见附图4和图5，多参数气体检测仪22包括壳体225以及设置于壳体225内的可调谐半导体激光器221、接收透镜222、分析模块224和辅助摄像头223，可调谐半导体激光器221、接收透镜222、辅助摄像头223均镶嵌在壳体225底部，分析模块224布置于壳体225内部且位于接收透镜222正上方，可调谐半导体激光器221、分析模块224和辅助摄像头223均与飞行控制系统11连接。
具体地，分析模块224包括光电转换器、信号处理器和通信接口，光电转换器接收接收透镜上经垃圾堆体表面散射返回的窄带激光，并进行光电转换，信号处理器与光电转换器电连接，信号处理器对光电转换后的电信号进行处理，并通过通信接口将处理后的电信号发出。
多参数气体检测仪22的工作原理如附图5所示：多参数气体检测仪22的可调谐半导体激光器221向下发出特定波长范围的窄带激光(波长覆盖被测气体的吸收峰)穿过被测气体，经垃圾堆体表面散射返回接收透镜222，内部进行光电转换，分析模块224根据电信号，对比吸收峰的强度和原始光强，计算得出多参数气体检测仪22到垃圾堆体之间直线路径上的被测气体的积分浓度，检测仪响应时间t≤0.1s。
参见附图6，为无人机采集气体浓度信息的原理示意图，自动数据采集工况下，无人机的飞行高度距离垃圾堆体最高点水平位置20m(保证测量精度，同时消除下洗气流对被测气体的影响)，飞行速度为10m/s，此时机身约有30°的俯仰角。无人机GPS定位信息和测试激光实际照射位置误差△＝H*tanα＝20m*tan30°＝11.5m，并且这种误差会随着无人机飞行高度、速度以及俯仰角的增大而增大。为了保证数据的准确性，角度补偿模块根据飞行控制系统中IMU模块反馈的无人机飞行姿态，通过航向角补偿电机和俯仰角补偿电机对多参数气体检测仪角度进行补偿修正，保证多参数气体检测仪始终垂直于水平面向下。航向角补偿电机可在±80°范围修正，俯仰角补偿电机可在±90°范围修正。考虑到无人机在自动数据采集工况下没有横滚动作，仅对航向轴和俯仰轴进行补偿即可以满足采样准确性，同时减少起飞重量，延长无人机作业时间。自动数据采集工况适用于非正规垃圾填埋场前期勘察阶段的数据采集，评估有害气体总体分布情况。
手动数据采集工况下，地面监控系统通过无线通信模块控制无人机飞入待检区域悬停。地面监控系统显示实时画面，通过角度补偿模块调整多参数气体检测仪的工作角度，使辅助摄像头瞄准待检作业面，进行手动遥感数据采集。手动数据采集工况适用于非正规垃圾填埋场治理施工阶段，作业面有害气体浓度检测。
下面通过本实施例提供的无人机与传统人工检测两种检测方式的量化对比，进行说明：
以占地面积10万m2(250m*400m)的非正规垃圾填埋场为例，采样间距10m，需要走访1000个采样点：
传统人工检测：由于垃圾堆体表面地形落差大，作业路径难以合理规划，致使很多时间耗费在攀爬和穿行垃圾堆体。一台手持设备工作时间为10h/d，平均检测效率为8个采样点/h。则一台手持设备完成1000个采样点的检测任务需要消耗1000/(10*8)＝12.5d时间。
无人机检测：不受垃圾堆体表面地形影响，在距离堆体最高点水平位置20m(保证测量精度，同时消除下洗气流对甲烷分布的影响)以10m/s(36km/h)的速度飞行,转向掉头飞行速度降为2m/s。按图5的规划路径，计算采样飞行距离25*400m＝10000m，转向掉头飞行距离24*10m＝240m。则一台无人机完成1000个采样点的检测任务需要消耗10000/10+240/2＝1120s＝18.6min。
由此可知，与现有技术相比，本实施例提供的用于垃圾填埋气体检测的无人机，具有如下优点：
1、通过无人机实时采集现场气体浓度数据，无需工作人员亲临现场操作，极大的保证了工作人员的安全；
2、无人机可实现自动数据采集工作，通过无线通信模块向地面监控系统实时传输，自动存储并实时向地面控制系统传输：气体浓度、坐标位置和时间信息；
3、可以实现对垃圾填埋场产生的CH4、H2S、CO、NH3等多种有害气体浓度的全面检测，并且可以采集被测气体的坐标位置，进而准确反映被测气体的总体分布情况。
综上所述，该无人机通过无人机本体和多参数气体检测模组的结合进行垃圾填埋场有毒有害气体快速检测，无需人工携带检测仪器在恶劣环境下操作，可有效降低检测工作的劳动强度和安全风险，同时还具有大范围检测作业效率高、可检测气体多、非接触式检测、机动灵活、气体浓度分布直观的特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，其特征在于，包括无人机本体和多参数气体检测模组，所述多参数气体检测模组固定安装于所述无人机本体的底部；
所述无人机本体包括飞行控制系统、数据存储模块和无线通信模块，所述数据存储模块和所述无线通信模块均与所述飞行控制系统电连接；
所述飞行控制系统用于根据预设的飞行路径、速度和高度控制无人机行进，所述飞行控制系统还用于根据预设的采样时间控制所述多参数气体检测模组采集无人机坐标位置正下方的被测气体浓度数据；
所述数据存储模块用于存储所述被测气体浓度数据；
所述无线通信模块用于将所述被测气体浓度数据打包发送至与其通信连接的地面监控系统；
所述多参数气体检测模组包括角度补偿模块和多参数气体检测仪，所述角度补偿模块和多参数气体检测仪均与所述飞行控制系统连接；
所述角度补偿模块用于根据采集到的无人机机体的航向角和俯仰角数据，对无人机机体的航向角和俯仰角进行实时补偿；
所述多参数气体检测仪用于检测无人机坐标位置正下方的被测气体浓度。
2.根据权利要求1所述的一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，其特征在于，所述飞行控制系统包括时钟模块、GPS模块、IMU模块、高度计和中央处理器，所述时钟模块、GPS模块、IMU模块和高度计均与所述中央处理器电连接；
所述时钟模块用于记录采样时间信息；所述GPS模块用于实时定位无人机的位置坐标；所述IMU模块用于实时采集无人机机体的航向角和俯仰角信息；所述高度计用于实时采集无人机机体的高度数据；所述中央处理器用于接收无人机的位置坐标数据、无人机机体的航向角和俯仰角信息以及无人机机体的高度数据，并进行数据整合处理。
3.根据权利要求1所述的一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，其特征在于，所述角度补偿模块包括航向角补偿电机、航向角传感器、摇臂、俯仰角补偿电机和俯仰角传感器；
所述航向角补偿电机定子与所述无人机本体的底部连接，所述摇臂包括横摇臂和纵摇臂，所述横摇臂与所述纵摇臂一体式成型，所述航向角补偿电机转子与所述横摇臂连接，所述俯仰角补偿电机定子与所述纵摇臂连接，所述俯仰角补偿电机转子与多参数气体检测仪连接，所述航向角补偿电机、航向角传感器、俯仰角补偿电机和俯仰角传感器均与所述飞行控制系统电连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，其特征在于，所述多参数气体检测仪包括壳体以及设置于壳体内的可调谐半导体激光器、接收透镜、分析模块和辅助摄像头，所述可调谐半导体激光器、接收透镜、辅助摄像头均镶嵌在所述壳体底部，所述分析模块布置于所述壳体内部且位于所述接收透镜正上方，所述可调谐半导体激光器、分析模块和辅助摄像头均与所述飞行控制系统连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于垃圾填埋气体检测的无人机，其特征在于，所述分析模块包括光电转换器、信号处理器和通信接口，所述光电转换器接收所述接收透镜上经垃圾堆体表面散射返回的窄带激光，并进行光电转换，所述信号处理器与所述光电转换器电连接，所述信号处理器对光电转换后的电信号进行处理，并通过所述通信接口将处理后的电信号发出。
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