一种基于四旋翼飞行器的气体实时监测及采集装置的制作方法

本申请属于航空飞行器设计技术领域，涉及一种基于四旋翼飞行器的气体实时监测及采集装置。

背景技术：

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以搭配微型相机录制空中视频。进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。

选用的四个气体传感器都采用同样的旁热式烧结管，镍铬加热丝穿过烧结管作为气体传感器的加热电极，不同的地方在于旁热式烧结管上所涂抹的敏感材料和制作过程中的烧结温度。在一定的温度条件下，待测气体浓度的变化会导致敏感电阻阻值的变化，后端电路通过对电阻信号的处理实现气体浓度的检测。

气体收集袋主要分为两种，一种是气体铝箔取样袋，四氟直通阀材质为聚四氟乙烯(PTFE)。四氟直通阀采用自密封结构，密封严密、无橡胶密封件与袋内气体接触、不污染气体样品。四氟直通阀的导气管垂直于袋薄膜平面，导气管外径6mm。旋转手柄使手柄垂直膜平面，则阀打开；再旋转90度使手柄平行膜平面，则阀关闭。四氟直通阀开关方便迅速，封闭严密，四氟直通阀的导气管上端可安装取样帽，取样帽装配硅胶垫可用于针头进样取样，导管可充放气和抽真空。适合充装对聚四氟乙烯无腐蚀的无机、有机气体。由于袋内气体样品不接触硅橡胶密封垫，不会被污染，所以四氟直通阀接口可用于分析精度要求高的低浓度气体样品采集和保存。另一种是含氟气体取样袋，它具有极好的耐腐蚀性，适用于强腐蚀性气体。如二氧化硫、硫化氢、二氧化氮等腐蚀性气体。能够有效延长微量腐蚀气体组分在采样袋中的存放时间。

目前存在的四旋翼飞行器以外挂云台进行航拍为主，对于四旋翼飞行器的应用方面还是存在一定的局限。本方案将四旋翼飞行器应用到了实际的环境中，通过在飞行器上增加了一个气体实时监测及采集装置实现了对化工园区排放的气体进行了监测。利用飞行器在复杂、危险的环境下可以完成特定的飞行任务，并实现了对有害气体的监测和采集。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本申请的目的是提供一种基于四旋翼飞行器的有毒气体实时监测及采集装置，本申请技术方案提出一种基于四旋翼飞行器的气体采集，通过四旋翼飞行器的空中飞行能力，实现了对化工园区排放气体的监测功能。

为实现上述目的，本申请是通过以下技术手段来实现的：

一种基于四旋翼飞行器的气体实时监测及采集装置，包括四旋翼飞行器和气体实时监测及采集装置，气体实时监测及采集装置设于四旋翼飞行器上；

四旋翼飞行器包括飞控系统、动力系统、电源和机架，飞控系统和动力系统均安装于机架上，电源为飞控系统和动力系统提供电力，飞控系统根据四旋翼飞行器的飞行姿态调整控制动力系统的动力输出；

气体实时监测及采集装置包括气体采样袋和检测电路，气体采样袋上设有进气口和出气口，进气口上设有气泵，检测电路设于气体采样袋内，检测电路包括气敏电阻Rx和温度显示模块，温度显示模块用于显示气敏电阻Rx的温度。

把气敏电阻Rx两端的电压U加到继电器上，继电器与气泵串联，通过继电器控制电路断开或连通。

飞控系统包括微控制器和传感器，微控制器采用的是32位STM32F1微控制器，传感器采用整合9轴组合传感器的GY-86模块，用于感知四旋翼飞行器的飞行姿态，并将飞行姿态信息传送给微控制器，微控制器获取到飞行姿态，进行姿态解算，经过PID处理后输出最终姿态角，输出控制动力系统的转速，保持稳定飞行。

动力系统包括无刷电机、电调和螺旋桨；无刷电机采用2212型号的电机，电调采用40A的电调，螺旋桨采用1045型号的桨；电调一端与飞控系统连接，另一端与无刷电机连接，螺旋桨安装在无刷电机上，通过电调输出信号控制无刷电机带动螺旋桨转动。

机架采用S500四轴机架，机架中心上方安装飞控系统，四个机架臂安装电调，四个机架臂末端安装无刷电机和螺旋桨，机架下方安装起落架。

电源采用3S锂电池，由三个电池片串联组成的11.1V的锂电池。

本申请的有益效果是：本方案提出了一种基于四旋翼飞行器的气体采集，利用多旋翼飞行器良好的可操控性和稳定性的特性，对工业园区排放的气体进行采集，这样可以避免人工采集时可能吸入毒性气体的可能性和企业的防范，并能够有效监测各个时间段，工业园区排放气体的情况，实现了化工园区有害气体排放的高效管理。

附图说明

图1是四旋翼飞行器的结构示意图；

图2实时气体监测的流程图；

图3是有利用传感器两端电压控制继电器的电路图，

图4是气体收集装置的结构示意图。

其中，1-螺旋桨，2-无刷电机，3-机架，4-起落架，5-电源，6-飞控系统，7-气泵，8-继电器，9-气体采样袋。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本申请作进一步的说明。

四旋翼飞行器主要包括飞控系统、动力系统、电源和机架。

飞控系统采用的是低成本高性能的32位STM32F1微控制器，STM32系列是基于ARM公司Cortex-M3内核的一款高性能、低功耗、资源丰富的微控制器，丰富的硬件资源使得它非常适合用作四旋翼飞行器的主控芯片；传感器采用整合9轴组合传感器的GY-86模块，用于感知四旋翼飞行器的飞行姿态，如何实时低噪声地获取飞行器的姿态信息是整个控制系统的关键。

动力系统包括无刷电机、电调和螺旋桨；无刷电机采用2212型号的电机，电调采用40A的电调，螺旋桨采用1045型号的桨；电调一端与飞控系统连接，另一端与无刷电机连接，螺旋桨安装在无刷电机上，通过电调输出信号控制无刷电机带动螺旋桨转动，给飞行器提供动力。

电源采用3S锂电池，由三个电池片串联组成的11.1V的锂电池。

机架采用S500四轴机架，材料轻便硬实；机架中心上方安装飞控系统，四个机架臂安装电调，四个机架臂末端安装电机和螺旋桨，机架下方安装起落架。

在一定温度条件下气敏电阻Rx的灵敏度会变得更高，当气敏电阻Rx被加热至稳定状态时通入待测气体，可引起气敏电阻Rx阻值的变化，电路重新达到另一种稳定状态，此时输出电压U_o的变化就可反应出气敏电阻R_x阻值的变化，通过有毒气体的信息标定，便可得知此时通入气体的浓度大小。并利用传感器两端的电压实现了继电器对气体采集袋开关的控制，继电器中加了一个定时装置，当达到定时时间时继电器就会使电路断开，从而停止气体的采集。

图2为实时气体监测的流程图，其工作流程是：首先判断气体是否具有氧化性或还原性，如果包含其中一个特性，则对气体进行敏感性分析，进而判断出是哪一种有毒气体，并计算其气体浓度，本实验主要针对的有毒气体主要为Cl₂、NO₂、CO、SO₂。

本申请的工作原理是：本申请采用四旋翼机型，3S电池供电，飞控系统采用高性能32位STM32微控制器并整合9轴组合传感器，传感器用于感知四旋翼飞行器的飞行姿态，微控制器获取到飞行姿态，进行姿态解算，经过PID处理后输出最终姿态角，输出控制电机转速，保持稳定飞行；通过有毒气体传感器实现了对有毒气体的实时监测，因为待测气体浓度的变化会导致敏感电阻阻值的变化，后端电路通过对电阻信号的处理实现气体浓度的检测。并采集传感器两端电压，利用继电器实现了气体采集装置的开关控制。

本申请的有益效果是：本方案提出了一种基于四旋翼飞行器的气体采集，利用多旋翼飞行器良好的可操控性和稳定性的特性，对工业园区排放的气体进行采集，这样可以避免人工采集时易吸入毒性气体的可能性和企业的防范，并能够有效监测各个时间段，工业园区排放气体的情况。

本申请的技术方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本申请的理想实例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。