WO2018161331A1 - 无人机环境监测系统和监测方法 - Google Patents

无人机环境监测系统和监测方法 Download PDF

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    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass

Definitions

  • the present invention relates to an environmental monitoring system, and more particularly to an unmanned aerial environment monitoring system and a monitoring method.
  • Atmospheric environmental quality monitoring is an important part of China's environmental protection work.
  • China's atmospheric environment monitoring mainly adopts laboratory manual monitoring as the monitoring method supplemented by automatic monitoring, and adopts manual air quality monitoring system. Most of them have problems such as monitoring lag, space limitation, and low precision.
  • the present invention provides a macroscopic gas monitoring system capable of performing large-area and multi-height, and the specific technical solutions are:
  • an unmanned aerial environment monitoring system comprising: a flight control module mounted on the drone, a navigation module, a data acquisition module, an environment detection module, an optical camera, a barometric altimeter, a memory, a wireless transmission module, and a ground station;
  • the flight control module is configured to manually or automatically control the flight of the drone, and the navigation module is provided with a GPS for automatic flight navigation;
  • the environment detection module detects the content of gas and/or particulate matter in the air;
  • the data acquisition module passes The A/D interface is connected to the environment detecting module to collect the detected environmental data, and the data collecting module is further connected with the GPS and the barometric altimeter, and collects the geographic data including the position and the height in the collecting environment data;
  • the data collecting module and the memory The connection stores various environmental data and geographic data;
  • the optical camera is connected to the memory to store the picture on the memory;
  • the data acquisition module and the optical camera are connected to the wireless transmission module, and the wireless transmission module is connected to the ground station through
  • the environment detecting module comprises a particle detecting module and/or a gas detecting module and/or a weather parameter detecting module.
  • the gas detecting module comprises one or more of a hydrogen sulfide/nitrogen oxide two-in-one sensor, a nitric oxide sensor, a nitrogen dioxide sensor, a sulfur dioxide sensor, and an ammonia gas sensor.
  • the particulate matter detecting module includes a PM2.5 sensor and a PM10 sensor.
  • the weather parameter detecting module includes a temperature sensor and a humidity sensor.
  • the ground station includes a monitoring terminal, a wireless transmission module, a display, and an input device both connected to a computer; the monitoring terminal sets a flight path of the drone, and controls the drone, and the monitoring terminal is based on the geographic information.
  • picture and environmental data display the distribution of stereoscopic environmental data on the display
  • the monitoring method of the UAV environmental monitoring system comprises the following steps:
  • S1 sets a flight path, and sets an automatic flight path of the drone according to the location to be tested, including a measured starting position and a terminal position, where the starting position and the terminal position both include latitude and longitude and a height, and the flight path is Reciprocating, back and forth progressive scanning;
  • S2 installation environment detection module select a corresponding particulate matter detection module and / or gas detection module and / or meteorological parameter detection module, and an optical camera;
  • S3 starts environmental detection, after the drone is lifted off, the navigation module is started to perform automatic navigation, or the ground control station performs manual control flight, and the data acquisition module determines the position of the drone, and determines the unmanned according to the navigation module.
  • the latitude and longitude of the machine, the altitude of the drone is determined according to the barometric altimeter, and compared with the set latitude and longitude, and when the set start position is reached, the drone starts the detection module;
  • the data acquisition module collects data and geographic data of the environment detection module, and stores the environment detection data and the geographic data in a memory, and the optical camera simultaneously stores the image in the memory and simultaneously joins the geographic data. ;
  • S6 ends the environment detection, when the drone reaches the terminal position, that is, the latitude, longitude and altitude of the drone are the same as the set terminal position, the environment detection and photographing are stopped, and the drone returns; [0019] S7 data processing, the monitoring terminal of the ground station displays a distribution map of the three-dimensional environmental data on the display according to the geographic information, the picture and the environmental data.
  • step S1 further includes a plurality of altitude flight paths, that is, different height monitoring is set in the same region.
  • the present invention has the following beneficial effects:
  • the UAV environment monitoring system and the monitoring method provided by the invention can install the airborne environment detecting module on the UAV to collect different points, different heights, different gas concentrations and GPS data, and send them to the wireless transmission network.
  • the ground station analyzes the different gas concentrations of multiple altitude planes in the flight area of the drone through data processing, realizes the rapid, comprehensive and accurate monitoring function of the environmental protection monitoring area, and improves the monitoring efficiency and monitoring. Reality and intuitiveness.
  • a drone environment monitoring system comprising a flight control module, a navigation module, a data acquisition module, an environment detection module, an optical camera, a barometric altimeter, a memory, a wireless transmission module, and a ground station installed on the drone;
  • the flight control module is configured to manually or automatically control the flight of the drone, and the navigation module is provided with a GPS for automatic flight navigation;
  • the environment detection module detects the content of gas and/or particulate matter in the air;
  • the data acquisition module passes The A/D interface is connected to the environment detecting module to collect the detected environmental data, and the data collecting module is further connected with the GPS and the barometric altimeter, and collects the geographic data including the position and the height in the collecting environment data;
  • the data collecting module and the memory The connection stores various environmental data and geographic data;
  • the optical camera is connected to the memory to store the picture on the memory;
  • the data acquisition module and the optical camera are connected to the wireless transmission module, and the wireless transmission module is connected to the ground station through the wireless
  • the guiding module further comprises an inertial element for performing inertial navigation.
  • UAV navigation adopts GPS/INS combined navigation, the combination has strong complementarity, GPS can eliminate the accumulation error of I NS, INS can provide short-term accurate positioning GPS/INS combination when GPS signal is lost.
  • the navigation system is based on data fusion theory. Kalman filter is used as the main fusion method. The GPS positioning data and INS positioning data entering the combined system are estimated, corrected and integrated respectively to solve the problem of untargeting caused by GPS signal loss. Long inter-turn drift caused by INS accumulation error.
  • the environment detecting module comprises a particle detecting module and/or a gas detecting module and/or a weather parameter detecting module.
  • the gas detecting module comprises one or more of a hydrogen sulfide/nitrogen oxide two-in-one sensor, a nitric oxide sensor, a nitrogen dioxide sensor, a sulfur dioxide sensor, and an ammonia gas sensor.
  • the particulate matter detecting module includes a PM2.5 sensor and a PM10 sensor.
  • the weather parameter detecting module includes a temperature sensor and a humidity sensor.
  • the ground station includes a monitoring terminal, a wireless transmission module, a display, and an input device both connected to a computer; the monitoring terminal sets a flight path of the drone, and controls the drone, and the monitoring terminal according to the geographic information , picture and environmental data display the distribution of stereoscopic environmental data on the display
  • the monitoring method of the UAV environmental monitoring system comprises the following steps:
  • S1 sets a flight path, and sets an automatic flight path of the drone according to the location to be tested, including a measured starting position and a terminal position, where the starting position and the terminal position both include latitude and longitude and a height, and the flight path is Reciprocating, back and forth progressive scanning;
  • S2 installation environment detection module select a corresponding particulate matter detection module and / or gas detection module and / or meteorological parameter detection module, and an optical camera;
  • S3 starts the environment detection, after the drone is lifted off, the navigation module is started to perform automatic navigation, or the ground control station performs manual control flight, and the data acquisition module determines the position of the drone, and determines the unmanned according to the navigation module.
  • the latitude and longitude of the machine, the altitude of the drone is determined according to the barometric altimeter, and compared with the set latitude and longitude, and when the set start position is reached, the drone starts the detection module;
  • the data acquisition module collects data and geographic data of the environment detection module, and stores the environment detection data and the geographic data in a memory, and the optical camera simultaneously stores the image in the memory, and Join geodata at the same time;
  • S6 ends the environment detection, when the drone reaches the terminal position, that is, the latitude, longitude and altitude of the drone are the same as the set terminal position, the environment detection and photographing are stopped, and the drone returns;
  • the monitoring terminal of the ground station displays a distribution map of the three-dimensional environmental data on the display according to the geographic information, the picture and the environmental data.
  • step S1 further includes a plurality of altitude flight paths, that is, different height monitoring is set in the same region.

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Abstract

一种环境监测系统，尤其是无人机环境监测系统和监测方法，无人机环境监测系统，包括安装在无人机上的飞行控制模块、导航模块、数据采集模块、环境检测模块、光学相机、气压高度计、存储器、无线传输模块，以及地面工作站；数据采集模块与环境检测模块连接，数据采集模块还与GPS和气压高度计连接，还与存储器连接；光学相机将图片存储在存储器上；无线传输模块通过无线通信网与地面工作站连接，地面工作站控制无人机，以及接受环境数据、地理数据和图片数据，并进行存储和分析处理。该监测系统实现了对环保监测区域的快速、全面、准确的监测功能，提高了监测的效率和监测的实时性和直观性。

Description

无人机环境监测系统和监测方法 技术领域
[0001] 本发明涉及一种环境监测系统， 尤其是无人机环境监测系统和监测方法。
背景技术
[0002] 大气环境质量监测是我国环境保护工作的重要组成部分， 我国目前在大气环境 监测中主要采取实验室人工监测为主自动化监测为辅的监测方法， 采用人工方 式进行的空气质量监测系统， 大都存在着监测实吋性滞后、 空间局限、 精度低 等问题。
技术问题
[0003] 而自动化监测多为固定点监测， 不能对监测区域进行大面积、 多种高度的宏观 的气体监测。
问题的解决方案
技术解决方案
[0004] 为解决上述问题， 本发明提供一种能够进行大面积、 多种高度的宏观气体监测 系统， 具体技术方案为：
[0005] 无人机环境监测系统， 包括安装在无人机上的飞行控制模块、 导航模块、 数据 采集模块、 环境检测模块、 光学相机、 气压高度计、 存储器、 无线传输模块， 以及地面工作站； 所述飞行控制模块用于手动或自动控制无人机飞行， 所述导 航模块设有 GPS， 用于自动飞行导航； 所述环境检测模块检测空气中气体和 /或 颗粒物含量； 所述的数据采集模块通过 A/D接口与环境检测模块连接采集检测 的环境数据， 所述数据采集模块还与 GPS和气压高度计连接， 在采集环境数据吋 同步采集包括位置和高度的地理数据； 所述数据采集模块与存储器连接存储各 种环境数据和地理数据； 所述光学相机与存储器连接， 将图片存储在存储器上 ； 数据采集模块和光学相机均与无线传输模块相连接， 无线传输模块通过无线 通信网与地面工作站连接， 地面工作站控制无人机， 以及接受环境数据、 地理 数据和图片数据， 并进行存储和分析处理。 [0006] 优选的， 所述导向模块还包括惯性元件， 进行惯性导航。
[0007] 优选的， 所述环境检测模块包括颗粒物检测模块和 /或气体检测模块和 /或气象 参数检测模块。
[0008] 其中， 所述气体检测模块包括硫化氢 /一氧化氮二合一传感器、 一氧化氮传感 器、 二氧化氮传感器、 二氧化硫传感器和氨气传感器中的一种或多种。
[0009] 所述颗粒物检测模块包括 PM2.5传感器和 PM10传感器。
[0010] 所述气象参数检测模块包括温度传感器、 湿度传感器。
[0011] 进一步， 所述地面工作站包括均与计算机连接的监测终端、 无线传输模块、 显 示器和输入设备； 所述监测终端设置无人机的飞行路径， 并控制无人机， 监测 终端根据地理信息、 图片和环境数据在显示器上显示立体的环境数据的分布图
[0012] 无人机环境监测系统的监测方法， 包括以下步骤：
[0013] S1设置飞行路径， 根据待测地点设置无人机的自动飞行路径， 包括测量的起始 位置和终端位置， 所述起始位置和终端位置均包含经纬度和高度， 所述飞行路 径为往复式， 来回逐行扫描；
[0014] S2安装环境检测模块， 根据需要监测的项目选择安装相应的颗粒物检测模块和 /或气体检测模块和 /或气象参数检测模块， 以及光学相机；
[0015] S3幵始环境检测， 无人机升空后， 启动导航模块进行自动导航， 或者通过地面 工作站进行人工控制飞行， 数据采集模块定吋检测无人机的位置， 根据导航模 块确定无人机的经纬度， 根据气压高度计确定无人机的海拔高度， 并与设定的 经纬度和高度进行对比， 当到达设定的起始位置吋无人机启动检测模块；
[0016] S4数据采集， 数据采集模块采集环境检测模块的数据和地理数据， 并将环境检 测数据和地理数据存储到存储器中， 光学相机同吋将图片存储到存储器中， 并 同吋加入地理数据；
[0017] S5实吋数据传输， 幵启实吋传输吋， 所述数据采集系统和光学相机同吋通过无 线传输模块将采集的数据传输到地面工作站；
[0018] S6结束环境检测， 当无人机到达终端位置吋， 即无人机的经纬度和高度与设定 的终端位置相同吋， 停止环境检测和拍照， 无人机返航； [0019] S7数据处理， 地面工作站的监控终端根据地理信息、 图片和环境数据在显示器 上显示立体的环境数据的分布图。
[0020] 其中， 步骤 S1还包括多个高度的飞行路径， 即在同一区域设置不同的高度监测
， 形成不同高度的环境数据的分布图。
发明的有益效果
有益效果
[0021] 与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
[0022] 本发明提供的无人机环境监测系统和监测方法在无人机上安装机载环境检测模 块可以实吋采集不同点位、 不同高度、 不同气体浓度和 GPS数据， 通过无线传 输网络发送到地面工作站上， 地面工作站通过数据处理分析得到无人机所飞行 区域的多个高度平面的不同气体浓度， 实现了对环保监测区域的快速、 全面、 准确的监测功能， 提高了监测的效率和监测的实吋性和直观性。
本发明的实施方式
[0023] 现结合实施例说明本发明的具体实施方式。
[0024] 实施例 1
[0025] 无人机环境监测系统， 包括安装在无人机上的飞行控制模块、 导航模块、 数据 采集模块、 环境检测模块、 光学相机、 气压高度计、 存储器、 无线传输模块， 以及地面工作站； 所述飞行控制模块用于手动或自动控制无人机飞行， 所述导 航模块设有 GPS， 用于自动飞行导航； 所述环境检测模块检测空气中气体和 /或 颗粒物含量； 所述的数据采集模块通过 A/D接口与环境检测模块连接采集检测 的环境数据， 所述数据采集模块还与 GPS和气压高度计连接， 在采集环境数据吋 同步采集包括位置和高度的地理数据； 所述数据采集模块与存储器连接存储各 种环境数据和地理数据； 所述光学相机与存储器连接， 将图片存储在存储器上 ； 数据采集模块和光学相机均与无线传输模块相连接， 无线传输模块通过无线 通信网与地面工作站连接， 地面工作站控制无人机， 以及接受环境数据、 地理 数据和图片数据， 并进行存储和分析处理。
[0026] 优选的， 所述导向模块还包括惯性元件， 进行惯性导航。 [0027] 无人机导航采用 GPS/INS组合导航， 该组合具有很强的互补性， GPS能够消除 I NS的积累误差， INS能够在 GPS信号失锁吋提供短吋精确的定位 GPS/INS组合导 航系统以数据融合理论作为基础， 以卡尔曼滤波作为主要融合方法， 对进入组 合系统的 GPS定位数据与 INS定位数据分别进行估计、 修正、 融合， 来解决 GPS 信号失锁引起的无法定位问题和 INS积累误差引起的长吋间漂移问题.
[0028] 优选的， 所述环境检测模块包括颗粒物检测模块和 /或气体检测模块和 /或气象 参数检测模块。
[0029] 其中， 所述气体检测模块包括硫化氢 /一氧化氮二合一传感器、 一氧化氮传感 器、 二氧化氮传感器、 二氧化硫传感器和氨气传感器中的一种或多种。
[0030] 所述颗粒物检测模块包括 PM2.5传感器和 PM10传感器。
[0031] 所述气象参数检测模块包括温度传感器、 湿度传感器。
[0032] 进一步， 所述地面工作站包括均与计算机连接的监测终端、 无线传输模块、 显 示器和输入设备； 所述监测终端设置无人机的飞行路径， 并控制无人机， 监测 终端根据地理信息、 图片和环境数据在显示器上显示立体的环境数据的分布图
[0033] 实施例 2
[0034] 无人机环境监测系统的监测方法， 包括以下步骤：
[0035] S1设置飞行路径， 根据待测地点设置无人机的自动飞行路径， 包括测量的起始 位置和终端位置， 所述起始位置和终端位置均包含经纬度和高度， 所述飞行路 径为往复式， 来回逐行扫描；
[0036] S2安装环境检测模块， 根据需要监测的项目选择安装相应的颗粒物检测模块和 /或气体检测模块和 /或气象参数检测模块， 以及光学相机；
[0037] S3幵始环境检测， 无人机升空后， 启动导航模块进行自动导航， 或者通过地面 工作站进行人工控制飞行， 数据采集模块定吋检测无人机的位置， 根据导航模 块确定无人机的经纬度， 根据气压高度计确定无人机的海拔高度， 并与设定的 经纬度和高度进行对比， 当到达设定的起始位置吋无人机启动检测模块；
[0038] S4数据采集， 数据采集模块采集环境检测模块的数据和地理数据， 并将环境检 测数据和地理数据存储到存储器中， 光学相机同吋将图片存储到存储器中， 并 同吋加入地理数据；
[0039] S5实吋数据传输， 幵启实吋传输吋， 所述数据采集系统和光学相机同吋通过无 线传输模块将采集的数据传输到地面工作站；
[0040] S6结束环境检测， 当无人机到达终端位置吋， 即无人机的经纬度和高度与设定 的终端位置相同吋， 停止环境检测和拍照， 无人机返航；
[0041] S7数据处理， 地面工作站的监控终端根据地理信息、 图片和环境数据在显示器 上显示立体的环境数据的分布图。
[0042] 其中， 步骤 S1还包括多个高度的飞行路径， 即在同一区域设置不同的高度监测
， 形成不同高度的环境数据的分布图。

Claims

权利要求书
无人机环境监测系统， 其特征在于， 包括安装在无人机上的飞行控制 模块、 导航模块、 数据采集模块、 环境检测模块、 光学相机、 气压高 度计、 存储器、 无线传输模块， 以及地面工作站； 所述飞行控制模块 用于手动或自动控制无人机飞行， 所述导航模块设有 GPS， 用于自动 飞行导航； 所述环境检测模块检测空气中气体和 /或颗粒物含量； 所 述的数据采集模块通过 A/D接口与环境检测模块连接采集检测的环境 数据， 所述数据采集模块还与 GPS和气压高度计连接， 在采集环境数 据吋同步采集包括位置和高度的地理数据； 所述数据采集模块与存储 器连接存储各种环境数据和地理数据； 所述光学相机与存储器连接， 将图片存储在存储器上； 数据采集模块和光学相机均与无线传输模块 相连接， 无线传输模块通过无线通信网与地面工作站连接， 地面工作 站控制无人机， 以及接受环境数据、 地理数据和图片数据， 并进行存 储和分析处理。
根据权利要求 1所述的无人机环境监测系统， 其特征在于， 所述导向 模块还包括惯性元件， 进行惯性导航。
根据权利要求 1所述的无人机环境监测系统， 其特征在于， 所述环境 检测模块包括颗粒物检测模块和 /或气体检测模块和 /或气象参数检测 模块。
根据权利要求 3所述的无人机环境监测系统， 其特征在于， 所述气体 检测模块包括硫化氢 /一氧化氮二合一传感器、 一氧化氮传感器、 二 氧化氮传感器、 二氧化硫传感器和氨气传感器中的一种或多种。
[权利要求 5] 根据权利要求 3所述的无人机环境监测系统， 其特征在于， 所述颗粒 物检测模块包括 PM2.5传感器和 PM10传感器。
[权利要求 6] 根据权利要求 3所述的无人机环境监测系统， 其特征在于， 所述气象 参数检测模块包括温度传感器、 湿度传感器。
[权利要求 7] 根据权利要求 1所述的无人机环境监测系统， 其特征在于， 所述地面 工作站包括均与计算机连接的监测终端、 无线传输模块、 显示器和输 入设备； 所述监测终端设置无人机的飞行路径， 并控制无人机， 监测 终端根据地理信息、 图片和环境数据在显示器上显示立体的环境数据 的分布图。
[权利要求 8] 根据权利要求 1所述的无人机环境监测系统的监测方法， 其特征在于
， 包括以下步骤：
S1设置飞行路径， 根据待测地点设置无人机的自动飞行路径， 包括测 量的起始位置和终端位置， 所述起始位置和终端位置均包含经纬度和 高度， 所述飞行路径为往复式， 来回逐行扫描；
S2安装环境检测模块， 根据需要监测的项目选择安装相应的颗粒物检 测模块和 /或气体检测模块和 /或气象参数检测模块， 以及光学相机； S3幵始环境检测， 无人机升空后， 启动导航模块进行自动导航， 或者 通过地面工作站进行人工控制飞行， 数据采集模块定吋检测无人机的 位置， 根据导航模块确定无人机的经纬度， 根据气压高度计确定无人 机的海拔高度， 并与设定的经纬度和高度进行对比， 当到达设定的起 始位置吋无人机启动检测模块；
S4数据采集， 数据采集模块采集环境检测模块的数据和地理数据， 并 将环境检测数据和地理数据存储到存储器中， 光学相机同吋将图片存 储到存储器中， 并同吋加入地理数据；
S5实吋数据传输， 幵启实吋传输吋， 所述数据采集系统和光学相机同 吋通过无线传输模块将采集的数据传输到地面工作站；
S6结束环境检测， 当无人机到达终端位置吋， 即无人机的经纬度和高 度与设定的终端位置相同吋， 停止环境检测和拍照， 无人机返航； S7数据处理， 地面工作站的监控终端根据地理信息、 图片和环境数据 在显示器上显示立体的环境数据的分布图。
[权利要求 9] 根据权利要求 8所述的无人机环境监测系统的监测方法， 其特征在于
， 步骤 S1还包括多个高度的飞行路径， 即在同一区域设置不同的高度 监测， 形成不同高度的环境数据的分布图。
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