[發明專利]一種基于無人機的環境空氣質量監測方法

有效

• 申請號: 201810568538.0
• 申請日: 2018-06-05
• 公開（公告）號: CN108645769B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 吳盛輝;趙坤榮
• 申請（專利權）人: 廣州市榮盛環保科技有限公司
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01S19/42;G05D1/12
• 代理公司: 廣州海藻專利代理事務所(普通合伙) 44386
• 代理人: 王敏

1.一種基于無人機的環境空氣質量監測方法，其特征在于，包括：

為搭載煙塵顆粒濃度傳感器的無人機預先定義巡航路線；

在無人機的飛行過程中，所述煙塵顆粒濃度傳感器采集環境空氣中的煙塵顆粒濃度數據；

無人機智能控制終端收集所述傳感器采集到的煙塵顆粒濃度數據并發送至云端服務器；

移動sink節點通過無人機的飛行路線而與在預定義通信范圍內與固定傳感器節點相通信，以收集所有傳感器節點的歷史數據；固定設置的監測傳感器節點固定設置在地面或高層建筑物中；移動sink節點的移動軌跡控制采用基于數據量的可變路線控制策略；

所述智能控制終端向無人機發送預定義指令來實現對無人機的實時控制；當進行煙塵排放源追蹤時，所述智能控制終端向無人機發送控制指令，根據預設追蹤算法自動調整無人機的飛行路線規劃，控制無人機自動搜索煙塵排放源；

在所述煙塵排放源追蹤過程中，首先在搜索空間中隨機的初始化一群無質量粒子，當接觸到煙塵顆粒時以粒子群搜索策略在搜索空間中移動搜索最優解，以迭代的方式向排放源趨近；流程進一步描述為：

步驟1：初始化粒子群速度和位置；將D維搜索空間中，第i個粒子的位置表示為向量X_i(t)={X_i,1,X_i,2,…X_i,D}，飛行速度表示為向量V_i(t)={V_i,1,V_i,2,…V_i,D}，粒子的個體極值表示為向量XP_i(t)={XP_i,1,XP_i,2,…XP_i,D}，粒子全局極值表示為向量XG_i(t)={XG_i,1,XG_i,2,…XG_i,D}；

步驟2：采用顆粒發現算法控制無人機通過攜帶的濃度傳感器探測當前位置的煙塵顆粒濃度值，即：

設置初始變量T₀，并隨機產生初始解i₀，計算能量函數值E(i₀)，令當前變量T_k=T₀，迭代次數為k=1；確定初始解后，進入鄰域搜索階段，無人機在最優解的鄰域進行搜索，以獲得最優解鄰域采樣，無人機每前進距離L_s或者檢測到當前濃度值C_k大于E（X_opt）時將當前位置標記為新解X_k，并判斷是否接受新解為最優解，狀態轉移公式為：

P(T_k)=

其中，在鄰域搜索過程中經過了迭代后最優解的位置未發生改變，則認為該區域為局部濃度極值區域，則進入全局搜索階段；在全局搜索階段中，無人機重新采用漫游算法對整個所搜區域進行覆蓋，以擴大搜索范圍；一旦濃度值C_k超過了閾值h_i，則相應的位置被標記為新解X_k，并根據上式判斷是否接受為最優解，同時無論是否接受新解，都以位置中心觸發鄰域搜索運動，并對該區域進行鄰域搜索；每當算法進入全局搜索階段，則將h_i初始化為E(X_opt)，在全局搜索開始階段，閾值h_i足夠高，隨后閾值緩慢降低，使無人機被其他高濃度區域所吸引，并對此區域進行鄰域搜索；當算法退出全局搜索時令k增1，更新T_k，判斷是否滿足終止條件；如果不是則繼續進行鄰域搜索，否則認為找到最優解，輸出最優解X_opt；

步驟3：無人機進行煙塵顆粒路線估計，將采集的煙塵顆粒濃度作為粒子的適應度值；

步驟4：更新粒子個體極大值點和粒子群的全局極大值點；然后在第t+1次迭代進化中，粒子根據本次飛行經驗和歷史飛行經驗更新自身的位置X_ij(t+1)和速度V_ij(t+1)：

V_ij(t+1)=ωV_ij(t)+c₁r₁(XP_ij(t)-X_ij(t))+c₂r₂(XP_ij(t)-X_ij(t))

X_ij(t+1)=X_ij(t)+V_ij(t+1)

其中，j∈[1,D]，ω為慣性權重，c₁和c₂為學習因子，用于調節粒子飛向個體極大值點和全局極大值點的權重程度，r₁和r₂是[0，1]之間的隨機數，其中V_ij的絕對值不大于用戶設定的最大粒子飛行速度V_m；ωV_ij(t)為粒子的慣性部分，表示粒子的當前速度對粒子飛行速度的影響；

步驟5：判斷是否滿足最大迭代次數或者允許的誤差范圍；若滿足，則停止迭代輸出結果，否則轉步驟2；

當無人機探測到的煙塵顆粒濃度達到一定閾值后，無人機則自動停止運動。