基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括與地面工作站進(jìn)行無線通信的無人機(jī)，所述無人機(jī)正上方通過支架搭載隔熱隔濕耐腐蝕密封艙，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙周邊均勻安裝若干旋臂，所述旋臂末端設(shè)有旋翼，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙頂端還設(shè)有導(dǎo)航天線，所述支架上還設(shè)有若干液晶顯示屏。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了對煙氣監(jiān)測區(qū)域固定污染源煙氣排放情況的機(jī)動(dòng)、快速監(jiān)測，是對常規(guī)煙氣監(jiān)測的有益補(bǔ)充。
【專利說明】基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煙氣排放監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國內(nèi)、特別是我國華北地區(qū)霧霾天數(shù)的增加，引起了民眾對大氣治理的關(guān)注。眾所周知，由氣體和煙塵形成的混合物——煙氣，是污染大氣的主要成分。煙氣的成分很復(fù)雜，氣體中包括水蒸汽、SO2, N2, 02、CO、CO2碳?xì)浠衔镆约暗趸衔锏?，煙塵包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高溫裂解產(chǎn)物等，因此煙氣對環(huán)境的污染是多種毒物的復(fù)合污染，對其監(jiān)測特別是對固定污染源煙氣排放情況的監(jiān)測從而實(shí)現(xiàn)有效治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。
[0003]固定污染源排放的煙氣由于其濃度高(比如煤發(fā)電廠如果沒有采取環(huán)保措施，其煙囪出口附近SO2濃度達(dá)到幾十?幾百ppm，甚至上千ppm、濕度高、溫度高(IOO0C以上)，其測量的方式不同于普通環(huán)保中涉及的S02、NO的測量(普通環(huán)保測量一般在常溫常壓下進(jìn)行，兩者濃度均低于0.1ppm),需要采用特殊的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。
[0004]目前監(jiān)測分析煙氣排放源的方法包括使用便攜式煙氣分析儀和在線式連續(xù)煙氣分析儀，兩者均需要在現(xiàn)場進(jìn)行抽氣，如發(fā)電廠煙?特定位置進(jìn)行鉆孔取氣，如圖1所示，前期需要部署實(shí)施，無法實(shí)現(xiàn)對煙氣排放源的快速、機(jī)動(dòng)監(jiān)測。
[0005]采用無人機(jī)進(jìn)行環(huán)保監(jiān)測技術(shù)也有公開，典型的中國發(fā)明專利(名稱:污染氣體無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，申請?zhí)?201210528041.9)，其實(shí)現(xiàn)的是常溫常壓濃度低的常規(guī)環(huán)保監(jiān)測，無法滿足環(huán)保部門對固定污染源高溫高濕高濃度、強(qiáng)腐蝕煙氣的監(jiān)測需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服煙氣監(jiān)測現(xiàn)有技術(shù)對固定污染源現(xiàn)場條件的要求，提出一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及方法，一種不需要人員親臨現(xiàn)場的無人機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對固定污染源高溫高濕煙氣排放情況進(jìn)行監(jiān)測，滿足我國環(huán)保部門對固定污染源煙氣排放情況進(jìn)行機(jī)動(dòng)、快速監(jiān)測的需求。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，包括飛行于固定污染源煙氣排放位置附近的且與地面工作站通過無線通訊網(wǎng)進(jìn)行無線通信的無人機(jī)，所述無人機(jī)正上方通過支架搭載隔熱隔濕耐腐蝕密封艙，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙艙體采用耐高溫高濕耐腐蝕的碳纖板，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)部采用耐高溫高濕強(qiáng)腐蝕的碳纖板作為隔板分為兩個(gè)區(qū):高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)和常溫區(qū)，其中直接接觸待測量煙氣的高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)內(nèi)設(shè)有煙氣檢測模塊，常溫區(qū)內(nèi)設(shè)有無線傳輸模塊、飛行控制模塊和導(dǎo)航模塊；所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙周邊均勻安裝若干旋臂，所述旋臂末端設(shè)有旋翼，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙頂端還設(shè)有導(dǎo)航天線，所述支架上還設(shè)有若干液晶顯示屏，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙的煙氣檢測模塊將檢測到的數(shù)據(jù)分別傳輸給無線傳輸模塊和飛行控制器，所述飛行控制器分別與無線傳輸模塊和導(dǎo)航模塊通信，所述無線傳輸模塊與地面工作站通信，所述導(dǎo)航模塊與導(dǎo)航天線連接。
[0009]所述煙氣檢測模塊包括:依次串聯(lián)連接的采樣軟管、溫濕度傳感器、汽水分離器、過濾器、單向閥、抽氣泵和傳感器腔，所述傳感器腔上設(shè)有若干傳感器，所述傳感器腔與清洗泵連接。
[0010]所述煙氣檢測模塊，能夠在煙道溫度0-650°C范圍內(nèi)正常工作；氣泵采用德國THOMAS微型真空泵，能夠在高溫、高濕及強(qiáng)腐蝕氣體環(huán)境中工作，泵流量能達(dá)到0.6升/分鐘的恒定控制。
[0011]所述導(dǎo)航模塊由高度計(jì)和GPS模塊組成，高度計(jì)和GPS模塊均與飛行控制模塊連接，所述高度計(jì)采用測量氣壓方式，換算成無人機(jī)所處的高度值，滿足無人機(jī)保持恒定高度飛行的需要。所述無人機(jī)通過GPS模塊實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度、高度、航跡方向、地速(指無人機(jī)相對于地面物體的速度)等信息。
[0012]一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，無人機(jī)通過飛行控制飛行到設(shè)定的高度及二維水平位置信息后，無人機(jī)保持飛行的高度不變，啟動(dòng)抽氣泵，煙氣檢測模塊開始工作，進(jìn)行煙氣信息的采集，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到無人機(jī)上和/或通過無線傳輸模塊發(fā)射到地面工作站，無人機(jī)飛行的水平位置的調(diào)整由無人機(jī)上隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)的煙氣檢測模塊測得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)確定，無人機(jī)飛行的垂直位置通過導(dǎo)航模塊內(nèi)部的高度計(jì)保持恒定高度，始終在設(shè)定的水平位置范圍內(nèi)朝高溫及煙氣濃度最高的位置飛行；無人機(jī)返回時(shí)，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作。
[0013]無人機(jī)的飛行控制有手工控制和自主飛行兩種方式:
[0014]I)手工控制方式，由地面工作站進(jìn)行遙控，無人機(jī)通過無線傳輸模塊接收到遙控信號后，進(jìn)行起飛，無人機(jī)到達(dá)設(shè)定高度后，保持此高度進(jìn)行水平面飛行，尋找監(jiān)測的中心點(diǎn)，如果監(jiān)測發(fā)電廠的煙氣排放情況，以煙囪口的中心位置作為無人機(jī)水平飛行的中心位置，在該中心位置附近，操作人員根據(jù)機(jī)載煙氣檢測模塊測得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)，調(diào)整無人機(jī)朝溫度及煙氣濃度較高處飛行，測試完成后，通過遙控，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作，無人機(jī)按照收到的遙控指令進(jìn)行返航；
[0015]2)自主飛行方式，無人機(jī)在起飛前，設(shè)定飛行的軌跡以及飛行后到達(dá)的高度及水平面中心點(diǎn)位置，地面工作站發(fā)出起飛指令后，無人機(jī)根據(jù)設(shè)定的軌跡進(jìn)行飛行，抵達(dá)設(shè)定的高度及水平面中心點(diǎn)位置后，抽氣泵及煙氣檢測模塊開始工作，無人機(jī)根據(jù)機(jī)載煙氣檢測模塊測得的溫濕度及煙氣濃度數(shù)據(jù)，飛行控制模塊保持恒定的高度調(diào)整無人機(jī)朝高溫及煙氣濃度較高處進(jìn)行水平飛行，測試完成后，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作，無人機(jī)根據(jù)設(shè)定的飛行軌跡進(jìn)行返航。
[0016]在手工控制方式飛行中，煙氣監(jiān)測得到的煙氣濃度及溫濕度數(shù)據(jù)及無人機(jī)飛行的實(shí)時(shí)位置信息數(shù)據(jù)需要通過無線的方式傳送回地面工作站，通過這些數(shù)據(jù)，人為判斷后，再發(fā)出飛行指令。自主飛行的方式，煙氣監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)設(shè)定存儲(chǔ)于機(jī)載的存儲(chǔ)設(shè)備上，也能夠通過無線的方式傳送回地面工作站。
[0017]所述無人機(jī)的飛行控制方法，依據(jù)需要的俯仰角、油門、滾轉(zhuǎn)角，結(jié)合飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)和飛行控制方法公式解算出合適的舵機(jī)控制量，使飛機(jī)保持預(yù)定的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角。
[0018]所述無人機(jī)的飛行控制方法公式是:
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，包括飛行于固定污染源煙氣排放位置附近的且與地面工作站通過無線通訊網(wǎng)進(jìn)行無線通信的無人機(jī)，所述無人機(jī)正上方通過支架搭載隔熱隔濕耐腐蝕密封艙，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙艙體采用耐高溫高濕耐腐蝕的碳纖板，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)部采用耐高溫高濕強(qiáng)腐蝕的碳纖板作為隔板分為兩個(gè)區(qū):高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)和常溫區(qū)，其中直接接觸待測量煙氣的高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)內(nèi)設(shè)有煙氣檢測模塊，常溫區(qū)內(nèi)設(shè)有無線傳輸模塊、飛行控制模塊和導(dǎo)航模塊；所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙周邊均勻安裝若干旋臂，所述旋臂末端設(shè)有旋翼，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙頂端還設(shè)有導(dǎo)航天線，所述支架上還設(shè)有若干液晶顯示屏，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙的煙氣檢測模塊將檢測到的數(shù)據(jù)分別傳輸給無線傳輸模塊和飛行控制器，所述飛行控制器分別與無線傳輸模塊和導(dǎo)航模塊通信，所述無線傳輸模塊與地面工作站通信，所述導(dǎo)航模塊與導(dǎo)航天線連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述煙氣檢測模塊包括:依次串聯(lián)連接的采樣軟管、溫濕度傳感器、汽水分離器、過濾器、單向閥、抽氣泵和傳感器腔，所述傳感器腔上設(shè)有若干傳感器，所述傳感器腔與清洗泵連接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述煙氣檢測模塊，能夠在煙道溫度0-650°C范圍內(nèi)正常工作；抽氣泵采用德國THOMAS微型真空泵，能夠在高溫、高濕及強(qiáng)腐蝕氣體環(huán)境中工作，泵流量能達(dá)到0.6升/分鐘的恒定控制。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述導(dǎo)航模塊由高度計(jì)和GPS模塊組成，高度計(jì)和GPS模塊均與飛行控制模塊連接，所述高度計(jì)采用測量氣壓方式，換算成無人機(jī)所處的高度值，滿足無人機(jī)保持恒定高度飛行的需要；所述無人機(jī)通過GPS模塊實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度、高度、航跡方向、地速信息。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的一種基于無人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征是，無人機(jī)通過飛行控制飛行到設(shè)定的高度及二維水平位置信息后，無人機(jī)保持飛行的高度不變，啟動(dòng)抽氣泵，煙氣檢測模塊開始工作，進(jìn)行煙氣信息的采集，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到無人機(jī)上和/或通過無線傳輸模塊發(fā)射到地面工作站，無人機(jī)飛行的水平位置的調(diào)整由無人機(jī)上隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)的煙氣檢測模塊測得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)確定，無人機(jī)飛行的垂直位置通過導(dǎo)航模塊內(nèi)部的高度計(jì)保持恒定高度，始終在設(shè)定的水平位置范圍內(nèi)朝高溫及煙氣濃度最高的位置飛行；無人機(jī)返回時(shí)，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，無人機(jī)的飛行控制有手工控制和自主飛行兩種方式: I)手工控制方式，由地面工作站進(jìn)行遙控，無人機(jī)通過無線傳輸模塊接收到遙控信號后，進(jìn)行起飛，無人機(jī)到達(dá)設(shè)定高度后，保持此高度進(jìn)行水平面飛行，尋找監(jiān)測的中心點(diǎn)，如果監(jiān)測發(fā)電廠的煙氣排放情況，以煙囪口的中心位置作為無人機(jī)水平飛行的中心位置，在該中心位置附近，操作人員根據(jù)機(jī)載煙氣檢測模塊測得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)，調(diào)整無人機(jī)朝溫度及煙氣濃度較高處飛行，測試完成后，通過遙控，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作，無人機(jī)按照收到的遙控指令進(jìn)行返航；2)自主飛行方式，無人機(jī)在起飛前，設(shè)定飛行的軌跡以及飛行后到達(dá)的高度及水平面中心點(diǎn)位置，地面工作站發(fā)出起飛指令后，無人機(jī)根據(jù)設(shè)定的軌跡進(jìn)行飛行，抵達(dá)設(shè)定的高度及水平面中心點(diǎn)位置后，抽氣泵及煙氣檢測模塊開始工作，無人機(jī)根據(jù)機(jī)載煙氣檢測模塊測得的溫濕度及煙氣濃度數(shù)據(jù)，飛行控制模塊保持恒定的高度調(diào)整無人機(jī)朝高溫及煙氣濃度較高處進(jìn)行水平飛行，測試完成后，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測模塊停止工作，無人機(jī)根據(jù)設(shè)定的飛行軌跡進(jìn)行返航。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是， 所述無人機(jī)的飛行控制方法，依據(jù)需要的俯仰角、油門、滾轉(zhuǎn)角，結(jié)合飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)和飛行控制方法公式解算出合適的舵機(jī)控制量，使飛機(jī)保持預(yù)定的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角； 所述無人機(jī)的飛行控制方法公式是:
【文檔編號】G01N15/06GK103823028SQ201410092446
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】吳曉明, 于長斌, 劉祥志, 梁峰, 馬耿, 汪付強(qiáng), 劉宏, 張建強(qiáng), 梁艷, 孟祥艷, 胡一帆 申請人:山東省計(jì)算中心