[发明专利]一种基于无人机系统的大气污染源追踪方法

摘要

本发明公开一种基于无人机系统的大气污染源追踪方法，包括智能追踪系统，所述智能追踪系统由上位机、主机以及至少两台从机组成，根据立体搜索模式对污染源进行追踪，所述主机上安装有温度检测模块、风向检测模块、GPS/北斗定位装置、高度仪、zigbee通信模块以及4G通信模块，所述上位机通过4G网络与主机通信，所述主机与从机之间通过zigbee通信进行环境信息和控制信息的传输，所述主机实现大气污染检测、接收从机上传的检测信息，对接收的检测信息进行融合处理，调整运行方向，追踪气体源。

主权项

1.一种基于无人机系统的大气污染源追踪方法，其特征在于，包括智能追踪系统，所述智能追踪系统由上位机、主机以及至少两台从机组成，所述主机上安装有温度检测模块、风向检测模块、GPS/北斗定位装置、高度仪、zigbee通信模块以及4G通信模块，所述上位机通过4G网络与主机通信，所述主机与从机之间通过zigbee通信进行环境信息和控制信息的传输，所述主机实现大气污染检测、接收从机上传的检测信息，对接收的检测信息进行融合处理，调整运行方向，追踪气体源；无人机智能追踪系统的立体搜索模式包括前后测试模式、左右测试模式、上下测试模式。前后测试模式时两个从机分别位于主机的飞行的前后方向，与主机等高、间隔相同为D_fb；左右测试模式时是两个从机分别位于主机的飞行的左右方向，与主机等高、间隔相同为D_lr；上下测试模式时两个从机分别位于主机的上下方向，与主机间隔均为D_ud；在三种模式下，两个从机均与主机共轴；主机与从机之间的间隔D的取值范围[5,50]，三种不同的模式下，间隔D值分别记为D_fb、D_lr、D_ud。间隔最大临界值根据无人机的主机和从机之间的稳定通信距离来确定，最小临界值根据无人机之间的安全飞行来确定，在立体搜索过程中，根据不同模式下主从机的污染物检测情况可以调整当前模式下D值的范围，开始进入立体搜索模式时，D的初始值取最大临界值；污染源有X种污染成分，则该污染源的第n次测量的污染度CQ_n的计算公式如式(1)所示，其中，C_qx表示测得的第x种成分的等值浓度；对于大气污染成分x，第n次测量的等值浓度C_qx的计算公式如式(2)所示，消除了由于各成分单位不同而导致无法区别大小，当时，C_qxn＝1，其中：C_xn表示第n次测得的第x种成分的值；C_xmin表示当成分x的测量值超过C_min时，开始认为其是大气污染物，对大气产生污染作用；表示第x种成分的n次测量的平均值；相对污染度差k，表征测试点之间的污染度差，两测试点的污染度分别为CQ₁、CQ₂，k的计算公式如式(3)所示，k值的绝对值越大表征两点的污染度差距越大，通过对k取值范围的调整，可以调整算法的收敛速度，所述大气污染源追踪方法具体控制流程如下：当没有进入测试区域或者刚开始进入测试区域时，从机静止固定在主机上，主机单独飞行，按照规划路线进行飞行测试；当测量值达到污染阈值时，进入立体搜索模式时，从机飞离开主机，按照一定的规则进行测试，将测试的信息传输给主机，并根据主机的控制信息进行调整飞行；步骤一，大气污染智能搜索系统进入污染搜索区域，按照人为规划的路线以周期ΔT进行数据采集，当污染度CQ>＝CQ_min时，从机脱离主机，进入步骤二；步骤二，从机飞离主机，系统进入立体搜索模式，从机与主机独立进行周期性采集气体浓度数据，从机将采集的数据发往主机，主机对数据进行相关的运算，根据运算结果，相应地调整无人机机体坐标系中的前后飞行方向、航迹角ψ和俯仰角θ，依次以下三种模式的过程实时调整搜索方向，追踪污染源：A.进入前后搜索模式，确定下一个搜索周期的前后飞行方向及主从机间隔D_fb；两架从机分别位于主机的前后方向，间隔为D_fb，根据公式(1)，三机上检测的污染度分别记为CQ_f、CQ_c、CQ_b，前进与后退方向及间隔D_fb的调整遵循下面的规则，如果，CQ_f>CQ_c>CQ_b则，沿原方向前进，调整步长值D_n＝2D_n‑1，且D_fbn∈[5,50]；如果，CQ_f<CQ_c<CQ_b则，沿反方向前进，调整步长值D_n＝2D_n‑1，且D_fbn∈[5,50]；如果，CQ_f>CQ_c，CQ_c<CQ_b则，沿反方向前进，调整步长值D_n＝D_n‑1/2，且D_fbn∈[5,50]；如果，CQ_f<CQ_c，CQ_c>CQ_b则，停止前进，调整步长值D_n＝D_n‑1/2，且D_fbn∈[5,50]；其中，D_n表示下一个搜索周期的主从机间隔；B.进入左右搜索模式，调整检测系统主机的航迹角ψ及主从机间隔D_fb；两从机分别位于主机的两侧进行测试，根据公式(1)，污染度分别记为CQ_l、CQ_c、CQ_r，航迹角的调整值ψ的计算公式如式(4)所示：此时，k_lr的计算公式如式(5)所示，表示中心主机与左右两从机的污染浓度的差距，设k∈[k_min,k_max]，建议值为k_min＝0.01，k_max＝0.1：其中，按照以下规则，根据相对污染度差k_lr的变化调整D_lr值的大小；当|k_lr|>k_max时，D_lrn＝D_n‑1/2，且D_lrn∈[5,50]；当|k_lr|<k_min时，D_lrn＝2D_n‑1，且D_lrn∈[5,50]；当|k_lr|∈[k_min,k_max]，D_lr不做调整；C.进入上下搜索模式，调整俯仰角θ及主从机间隔D_ud，根据公式(1)，主机上方的从机、主机、主机下方的从机测的污染度分别记为CQ_u、CQ_c、CQ_d，俯仰角的调整值θ的计算公式如式(6)所示；此时，k_ud的计算公式如式(5)所示，表示中心主机与上下两从机的污染浓度的差距，其中，按照下面的规则，根据相对污染度差k_ud的变化调整D_ud值的大小。当|k_ud|>k_max时，D_udn＝D_n‑1/2，且D_udn∈[5,50]；当|k_ud|<k_min时，D_udn＝2D_n‑1，且D_udn∈[5,50]；当|k_ud|∈[k_min,k_max]，不做调整；确定完飞行坐标系的三个参数，进入步骤三；步骤三，根据主机两个测量周期ΔT的测量值CQ_n‑1、CQ_n，计算k值，如果连续3次计算k值满足式(7)，即相对浓度污染度差小于最小阈值时，停止搜索，两从机固定到主机上，上报位置坐标，即污染源已经找到；否则，按照新的飞行方向，继续飞行搜索，返回步骤二；。