[发明专利]一种检测气体污染源的无人机设备及监测方法

权利要求书

1.一种检测气体污染源的无人机设备的检测方法，其特征在于，包括：

地面监测模块，用于实时获取监测点的气体污染浓度、位置及风向风速并发送到地面控制模块，当监测点发生气体污染物超标时向地面控制模块发出预警信号；

地面控制模块，用于根据地面监测模块采集的数据计算大气污染物流动的方向确定无人机模块的初始飞行参数，以及，接收无人机模块的实时监测数据；

无人机模块，用于根据所述地面监测模块提供的初始飞行参数以及飞行过程中实时检测的八个方向气体污染物浓度数据自适应地控制飞行路径在待测的污染区域进行检测，对污染源进行定位及数据收集；

无线传输系统，用于实现地面监测模块、地面控制模块和无人机模块之间的数据传输；所述无人机模块包括：

无人机，

航拍装置，安装在无人机上，用于实时记录无人机的飞行路径，并通过无线传输系统将拍摄的视频、照片传回地面控制模块；

机载微处理器，与无人机电路连接，用于根据地面监测模块提供的初始飞行方向以及飞行过程中浓度检测仪实时检测的八个方向的气体污染物浓度数据自适应地控制无人机的飞行路径；

雷达探测装置，与机载微处理器电路连接，用于对无人机的前进方向进行扫描，遇到障碍物时，机载微处理器处理雷达探测到的信息，控制无人机绕过障碍物继续飞行；

八个气体浓度检测仪，以无人机的中心为圆心安装在所述的无人机的八个方向上且与机载微处理器电路连接，八个浓度检测仪在同一水平面上与相邻的浓度检测仪均成45°角，用于实时获取所述无人机飞行过程中八个方向的气体污染物浓度数据；

GPS定位仪，用于对无人机当前所在位置进行定位，并将定位数据发送至地面控制模块获取污染源的精确位置；

包括步骤：

(1)对所选的监控点的空气质量进行实时的监测，当检测点的空气中污染物的浓度超标时，获取发生污染物超标的监测点的位置、风向风速数据并发送到地面控制模块；具体包括：

(11)在待测区域选择若干个监控点，对所选的监控点的空气质量进行实时的监测，当检测点的气体污染物的浓度超标时，监测点的浓度传感器向地面控制模块发出预警信号；

(12)获取发生气体污染物超标的监测点的位置、风向风速数据，并将发生污染的位置及风向风速发送到地面控制模块；

(2)根据地面监测模块采集的数据计算的大气污染物流动的方向确定无人机模块的初始飞行参数；具体包括：

(21)地面控制模块接收气体污染物超标的预警信号，根据地面监控模块发送的监测点的风向风速数据，确定大气污染物流动的方向；

(22)由气体扩散模型确定气体污染物的浓度分布情况，所述的气体扩散模型为气体扩散的高斯烟羽模型，该模型适用于连续泄漏的气体，连续点源扩散的高斯烟羽模型的公式为:

其中X(x,y,z,H)为下风向x米，横向y米，地面上方z米的扩散气体浓度，单位为kg/m³，其泄露源的有效高度为H，单位为m；Q为源强，单位kg/m；u为平均风速，单位为m/s；σ_y为水平扩散参数，单位为m，σ_z为垂直扩散参数，单位为m；y为横向距离，单位为m，z为垂直方向的距离，单位为m；

(23)令上式中z＝0，可得到地面气体浓度的计算公式:

同理，若令z为一固定数值，可得到同一平面上的气体浓度高斯烟羽模型；根据高斯烟羽模型的一般经验规律，把排放的污染气体扩散图形看为椭圆，扩散物质最大浓度点出现在距源点一定距离的下风向某位置；

(24)基于高斯烟羽扩散模型的大气污染物扩散的基本方式，可根据大气污染物的流动方向确定无人机的飞行方向；

(3)无人机模块按照所述初始飞行参数以及飞行过程中实时检测的八个方向气体污染物浓度数据自适应地控制飞行路径抵达待测的污染区域进行检测，对污染源进行精确定位及数据收集并发送至地面控制模块；具体包括：

(31)所述的无人机到达指定位置后，在距离地面高度不低于100米的固定高度对气体污染物的浓度进行检测，所述无人机上携带八个方向的气体浓度检测仪；

(32)所述的无人机按照地面控制模块提供的初始飞行方向移动，所述初始飞行方向为污染气体传来的方向，同时通过所述的八个方向的气体浓度检测仪对各方向的气体污染物浓度进行实时检测；

(33)所述的八个方向的气体浓度检测仪检测到的气体污染物浓度的大小自适应地调整无人机继续飞行的方向，所述无人机继续飞行的方向为八个方向的气体浓度检测仪中检测到的气体污染物浓度最大时的浓度检测仪所指方向；

(34)若所述的浓度检测仪检测到无人机脱离污染气体扩散的范围时，机载微处理器修正无人机的飞行方向，使无人机保持在气体污染物的高斯烟羽模型中，并逐渐飞向气体污染源所在位置；

(35)无人机模块通过无线传输系统将检测到的气体污染物浓度数据同步传输给地面控制模块，地面控制模块将收集到的气体污染物浓度数据与污染指标进行实时对比，当无人机飞到一定距离后，若检测到气体污染物浓度达到最高浓度时，地面控制模块发出预警信号，无人机对污染发生区域进行锁定，通过航拍，把污染源的位置图像发送给地面控制模块；所述的GPS定位仪对无人机当前所在位置进行定位，并将定位数据发送至地面控制模块，地面控制模块获取污染源的精确位置。