[發明專利]一種檢測氣體污染源的無人機設備及監測方法

有效

• 申請號: 201710962575.5
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107941988B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 黃仕平;何斯華
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01D21/02;G05B19/048
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

1.一種檢測氣體污染源的無人機設備的檢測方法，其特征在于，包括：

地面監測模塊，用于實時獲取監測點的氣體污染濃度、位置及風向風速并發送到地面控制模塊，當監測點發生氣體污染物超標時向地面控制模塊發出預警信號；

地面控制模塊，用于根據地面監測模塊采集的數據計算大氣污染物流動的方向確定無人機模塊的初始飛行參數，以及，接收無人機模塊的實時監測數據；

無人機模塊，用于根據所述地面監測模塊提供的初始飛行參數以及飛行過程中實時檢測的八個方向氣體污染物濃度數據自適應地控制飛行路徑在待測的污染區域進行檢測，對污染源進行定位及數據收集；

無線傳輸系統，用于實現地面監測模塊、地面控制模塊和無人機模塊之間的數據傳輸；所述無人機模塊包括：

無人機，

航拍裝置，安裝在無人機上，用于實時記錄無人機的飛行路徑，并通過無線傳輸系統將拍攝的視頻、照片傳回地面控制模塊；

機載微處理器，與無人機電路連接，用于根據地面監測模塊提供的初始飛行方向以及飛行過程中濃度檢測儀實時檢測的八個方向的氣體污染物濃度數據自適應地控制無人機的飛行路徑；

雷達探測裝置，與機載微處理器電路連接，用于對無人機的前進方向進行掃描，遇到障礙物時，機載微處理器處理雷達探測到的信息，控制無人機繞過障礙物繼續飛行；

八個氣體濃度檢測儀，以無人機的中心為圓心安裝在所述的無人機的八個方向上且與機載微處理器電路連接，八個濃度檢測儀在同一水平面上與相鄰的濃度檢測儀均成45°角，用于實時獲取所述無人機飛行過程中八個方向的氣體污染物濃度數據；

GPS定位儀，用于對無人機當前所在位置進行定位，并將定位數據發送至地面控制模塊獲取污染源的精確位置；

包括步驟：

(1)對所選的監控點的空氣質量進行實時的監測，當檢測點的空氣中污染物的濃度超標時，獲取發生污染物超標的監測點的位置、風向風速數據并發送到地面控制模塊；具體包括：

(11)在待測區域選擇若干個監控點，對所選的監控點的空氣質量進行實時的監測，當檢測點的氣體污染物的濃度超標時，監測點的濃度傳感器向地面控制模塊發出預警信號；

(12)獲取發生氣體污染物超標的監測點的位置、風向風速數據，并將發生污染的位置及風向風速發送到地面控制模塊；

(2)根據地面監測模塊采集的數據計算的大氣污染物流動的方向確定無人機模塊的初始飛行參數；具體包括：

(21)地面控制模塊接收氣體污染物超標的預警信號，根據地面監控模塊發送的監測點的風向風速數據，確定大氣污染物流動的方向；

(22)由氣體擴散模型確定氣體污染物的濃度分布情況，所述的氣體擴散模型為氣體擴散的高斯煙羽模型，該模型適用于連續泄漏的氣體，連續點源擴散的高斯煙羽模型的公式為:

其中X(x,y,z,H)為下風向x米，橫向y米，地面上方z米的擴散氣體濃度，單位為kg/m³，其泄露源的有效高度為H，單位為m；Q為源強，單位kg/m；u為平均風速，單位為m/s；σ_y為水平擴散參數，單位為m，σ_z為垂直擴散參數，單位為m；y為橫向距離，單位為m，z為垂直方向的距離，單位為m；

(23)令上式中z＝0，可得到地面氣體濃度的計算公式:

同理，若令z為一固定數值，可得到同一平面上的氣體濃度高斯煙羽模型；根據高斯煙羽模型的一般經驗規律，把排放的污染氣體擴散圖形看為橢圓，擴散物質最大濃度點出現在距源點一定距離的下風向某位置；

(24)基于高斯煙羽擴散模型的大氣污染物擴散的基本方式，可根據大氣污染物的流動方向確定無人機的飛行方向；

(3)無人機模塊按照所述初始飛行參數以及飛行過程中實時檢測的八個方向氣體污染物濃度數據自適應地控制飛行路徑抵達待測的污染區域進行檢測，對污染源進行精確定位及數據收集并發送至地面控制模塊；具體包括：

(31)所述的無人機到達指定位置后，在距離地面高度不低于100米的固定高度對氣體污染物的濃度進行檢測，所述無人機上攜帶八個方向的氣體濃度檢測儀；

(32)所述的無人機按照地面控制模塊提供的初始飛行方向移動，所述初始飛行方向為污染氣體傳來的方向，同時通過所述的八個方向的氣體濃度檢測儀對各方向的氣體污染物濃度進行實時檢測；

(33)所述的八個方向的氣體濃度檢測儀檢測到的氣體污染物濃度的大小自適應地調整無人機繼續飛行的方向，所述無人機繼續飛行的方向為八個方向的氣體濃度檢測儀中檢測到的氣體污染物濃度最大時的濃度檢測儀所指方向；

(34)若所述的濃度檢測儀檢測到無人機脫離污染氣體擴散的范圍時，機載微處理器修正無人機的飛行方向，使無人機保持在氣體污染物的高斯煙羽模型中，并逐漸飛向氣體污染源所在位置；

(35)無人機模塊通過無線傳輸系統將檢測到的氣體污染物濃度數據同步傳輸給地面控制模塊，地面控制模塊將收集到的氣體污染物濃度數據與污染指標進行實時對比，當無人機飛到一定距離后，若檢測到氣體污染物濃度達到最高濃度時，地面控制模塊發出預警信號，無人機對污染發生區域進行鎖定，通過航拍，把污染源的位置圖像發送給地面控制模塊；所述的GPS定位儀對無人機當前所在位置進行定位，并將定位數據發送至地面控制模塊，地面控制模塊獲取污染源的精確位置。