基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法，所述系统包括与地面工作站进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱周边均匀安装若干旋臂，所述旋臂末端设有旋翼，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱顶端还设有导航天线，所述支架上还设有若干液晶显示屏。本发明设计合理，实现了对烟气监测区域固定污染源烟气排放情况的机动、快速监测，是对常规烟气监测的有益补充。
【专利说明】基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于烟气排放监测【技术领域】，尤其涉及一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着国内、特别是我国华北地区雾霾天数的增加，引起了民众对大气治理的关注。众所周知，由气体和烟尘形成的混合物——烟气，是污染大气的主要成分。烟气的成分很复杂，气体中包括水蒸汽、SO2, N2, 02、CO、CO2碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高温裂解产物等，因此烟气对环境的污染是多种毒物的复合污染，对其监测特别是对固定污染源烟气排放情况的监测从而实现有效治理具有重要的现实意义和社会价值。
[0003]固定污染源排放的烟气由于其浓度高(比如煤发电厂如果没有采取环保措施，其烟囱出口附近SO2浓度达到几十?几百ppm，甚至上千ppm、湿度高、温度高(IOO0C以上)，其测量的方式不同于普通环保中涉及的S02、NO的测量(普通环保测量一般在常温常压下进行，两者浓度均低于0.1ppm),需要采用特殊的技术才能实现监测。
[0004]目前监测分析烟气排放源的方法包括使用便携式烟气分析仪和在线式连续烟气分析仪，两者均需要在现场进行抽气，如发电厂烟?特定位置进行钻孔取气，如图1所示，前期需要部署实施，无法实现对烟气排放源的快速、机动监测。
[0005]采用无人机进行环保监测技术也有公开，典型的中国发明专利(名称:污染气体无人机监测系统，申请号:201210528041.9)，其实现的是常温常压浓度低的常规环保监测，无法满足环保部门对固定污染源高温高湿高浓度、强腐蚀烟气的监测需要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服烟气监测现有技术对固定污染源现场条件的要求，提出一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统及方法，一种不需要人员亲临现场的无人机技术，实现对固定污染源高温高湿烟气排放情况进行监测，满足我国环保部门对固定污染源烟气排放情况进行机动、快速监测的需求。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，包括飞行于固定污染源烟气排放位置附近的且与地面工作站通过无线通讯网进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱舱体采用耐高温高湿耐腐蚀的碳纤板，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱内部采用耐高温高湿强腐蚀的碳纤板作为隔板分为两个区:高温高湿强腐蚀区和常温区，其中直接接触待测量烟气的高温高湿强腐蚀区内设有烟气检测模块，常温区内设有无线传输模块、飞行控制模块和导航模块；所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱周边均匀安装若干旋臂，所述旋臂末端设有旋翼，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱顶端还设有导航天线，所述支架上还设有若干液晶显示屏，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱的烟气检测模块将检测到的数据分别传输给无线传输模块和飞行控制器，所述飞行控制器分别与无线传输模块和导航模块通信，所述无线传输模块与地面工作站通信，所述导航模块与导航天线连接。
[0009]所述烟气检测模块包括:依次串联连接的采样软管、温湿度传感器、汽水分离器、过滤器、单向阀、抽气泵和传感器腔，所述传感器腔上设有若干传感器，所述传感器腔与清洗泵连接。
[0010]所述烟气检测模块，能够在烟道温度0-650°C范围内正常工作；气泵采用德国THOMAS微型真空泵，能够在高温、高湿及强腐蚀气体环境中工作，泵流量能达到0.6升/分钟的恒定控制。
[0011]所述导航模块由高度计和GPS模块组成，高度计和GPS模块均与飞行控制模块连接，所述高度计采用测量气压方式，换算成无人机所处的高度值，满足无人机保持恒定高度飞行的需要。所述无人机通过GPS模块实时获取经纬度、高度、航迹方向、地速(指无人机相对于地面物体的速度)等信息。
[0012]一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统的监测方法，无人机通过飞行控制飞行到设定的高度及二维水平位置信息后，无人机保持飞行的高度不变，启动抽气泵，烟气检测模块开始工作，进行烟气信息的采集，采集的数据存储到无人机上和/或通过无线传输模块发射到地面工作站，无人机飞行的水平位置的调整由无人机上隔热隔湿耐腐蚀密封舱内的烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据确定，无人机飞行的垂直位置通过导航模块内部的高度计保持恒定高度，始终在设定的水平位置范围内朝高温及烟气浓度最高的位置飞行；无人机返回时，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作。
[0013]无人机的飞行控制有手工控制和自主飞行两种方式:
[0014]I)手工控制方式，由地面工作站进行遥控，无人机通过无线传输模块接收到遥控信号后，进行起飞，无人机到达设定高度后，保持此高度进行水平面飞行，寻找监测的中心点，如果监测发电厂的烟气排放情况，以烟囱口的中心位置作为无人机水平飞行的中心位置，在该中心位置附近，操作人员根据机载烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据，调整无人机朝温度及烟气浓度较高处飞行，测试完成后，通过遥控，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机按照收到的遥控指令进行返航；
[0015]2)自主飞行方式，无人机在起飞前，设定飞行的轨迹以及飞行后到达的高度及水平面中心点位置，地面工作站发出起飞指令后，无人机根据设定的轨迹进行飞行，抵达设定的高度及水平面中心点位置后，抽气泵及烟气检测模块开始工作，无人机根据机载烟气检测模块测得的温湿度及烟气浓度数据，飞行控制模块保持恒定的高度调整无人机朝高温及烟气浓度较高处进行水平飞行，测试完成后，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机根据设定的飞行轨迹进行返航。
[0016]在手工控制方式飞行中，烟气监测得到的烟气浓度及温湿度数据及无人机飞行的实时位置信息数据需要通过无线的方式传送回地面工作站，通过这些数据，人为判断后，再发出飞行指令。自主飞行的方式，烟气监测得到的数据设定存储于机载的存储设备上，也能够通过无线的方式传送回地面工作站。
[0017]所述无人机的飞行控制方法，依据需要的俯仰角、油门、滚转角，结合飞机当前的姿态和飞行控制方法公式解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的偏航角、俯仰角、滚转角。
[0018]所述无人机的飞行控制方法公式是:
[0019]
【权利要求】
1.一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，其特征是，包括飞行于固定污染源烟气排放位置附近的且与地面工作站通过无线通讯网进行无线通信的无人机，所述无人机正上方通过支架搭载隔热隔湿耐腐蚀密封舱，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱舱体采用耐高温高湿耐腐蚀的碳纤板，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱内部采用耐高温高湿强腐蚀的碳纤板作为隔板分为两个区:高温高湿强腐蚀区和常温区，其中直接接触待测量烟气的高温高湿强腐蚀区内设有烟气检测模块，常温区内设有无线传输模块、飞行控制模块和导航模块；所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱周边均匀安装若干旋臂，所述旋臂末端设有旋翼，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱顶端还设有导航天线，所述支架上还设有若干液晶显示屏，所述隔热隔湿耐腐蚀密封舱的烟气检测模块将检测到的数据分别传输给无线传输模块和飞行控制器，所述飞行控制器分别与无线传输模块和导航模块通信，所述无线传输模块与地面工作站通信，所述导航模块与导航天线连接。
2.如权利要求1所述的一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，其特征是，所述烟气检测模块包括:依次串联连接的采样软管、温湿度传感器、汽水分离器、过滤器、单向阀、抽气泵和传感器腔，所述传感器腔上设有若干传感器，所述传感器腔与清洗泵连接。
3.如权利要求1所述的一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，其特征是，所述烟气检测模块，能够在烟道温度0-650°C范围内正常工作；抽气泵采用德国THOMAS微型真空泵，能够在高温、高湿及强腐蚀气体环境中工作，泵流量能达到0.6升/分钟的恒定控制。
4.如权利要求1所述的一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统，其特征是，所述导航模块由高度计和GPS模块组成，高度计和GPS模块均与飞行控制模块连接，所述高度计采用测量气压方式，换算成无人机所处的高度值，满足无人机保持恒定高度飞行的需要；所述无人机通过GPS模块实时获取经纬度、高度、航迹方向、地速信息。
5.如上述任一权利要求所述的一种基于无人机的固定污染源烟气排放机动监测系统的监测方法，其特征是，无人机通过飞行控制飞行到设定的高度及二维水平位置信息后，无人机保持飞行的高度不变，启动抽气泵，烟气检测模块开始工作，进行烟气信息的采集，采集的数据存储到无人机上和/或通过无线传输模块发射到地面工作站，无人机飞行的水平位置的调整由无人机上隔热隔湿耐腐蚀密封舱内的烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据确定，无人机飞行的垂直位置通过导航模块内部的高度计保持恒定高度，始终在设定的水平位置范围内朝高温及烟气浓度最高的位置飞行；无人机返回时，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是，无人机的飞行控制有手工控制和自主飞行两种方式: I)手工控制方式，由地面工作站进行遥控，无人机通过无线传输模块接收到遥控信号后，进行起飞，无人机到达设定高度后，保持此高度进行水平面飞行，寻找监测的中心点，如果监测发电厂的烟气排放情况，以烟囱口的中心位置作为无人机水平飞行的中心位置，在该中心位置附近，操作人员根据机载烟气检测模块测得的烟气浓度以及温湿度数据，调整无人机朝温度及烟气浓度较高处飞行，测试完成后，通过遥控，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机按照收到的遥控指令进行返航；2)自主飞行方式，无人机在起飞前，设定飞行的轨迹以及飞行后到达的高度及水平面中心点位置，地面工作站发出起飞指令后，无人机根据设定的轨迹进行飞行，抵达设定的高度及水平面中心点位置后，抽气泵及烟气检测模块开始工作，无人机根据机载烟气检测模块测得的温湿度及烟气浓度数据，飞行控制模块保持恒定的高度调整无人机朝高温及烟气浓度较高处进行水平飞行，测试完成后，关闭抽气泵，烟气检测模块停止工作，无人机根据设定的飞行轨迹进行返航。
7.如权利要求5所述的方法，其特征是， 所述无人机的飞行控制方法，依据需要的俯仰角、油门、滚转角，结合飞机当前的姿态和飞行控制方法公式解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的偏航角、俯仰角、滚转角； 所述无人机的飞行控制方法公式是:
【文档编号】G01N15/06GK103823028SQ201410092446
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】吴晓明, 于长斌, 刘祥志, 梁峰, 马耿, 汪付强, 刘宏, 张建强, 梁艳, 孟祥艳, 胡一帆 申请人:山东省计算中心