本发明涉及污染源追踪技术领域，特别涉及一种基于无人机的大气污染源追踪方法及无人机系统。
背景技术：
随着国内特别是华北地区雾霾天数的增加，民众对大气污染治理的关注度也日益增大，掌握准确污染信息是民众的关键诉求。在大气污染中，由气体和烟尘形成的混合物——烟气，是污染大气的主要成分。烟气的组成复杂，气体中包括水蒸气、二氧化硫、氮气、扬起、一氧化碳、二氧化碳等，还包括一些碳氢化合物及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及石油化工行业高温裂解常务等，因此烟气对环境大气的污染是多种成分的复合污染，对其进行监测特别是确定污染源烟气排放情况，是实现有效治理大气污染的重要途径，具有重要的现实意义和社会价值。
目前的大气污染源监测追踪装备一般是地面设施，通过手提或车载人工进行监测判断。中国发明专利CN201710315977.6《一种无人机排查污染源的方法及污染源排查系统》提供了一种无人机排查污染源的方法，其通过无人机在空中进行六边形飞行，确定相应的污染源位置，但该方法及系统仅能用于无风状态下的污染源排查追踪，而在现实情况下，区域内无风的概率是极其微小的，因此该发明专利的实用性弱，无法实现在普通环境因素下不受干扰地对污染源进行追踪排查。
因此，现有的污染源监测追踪方法或设施，无法实现在较复杂的现实环境下自动化地、全方位地进行监测追踪。
技术实现要素：
为解决上述提到的现有技术中存在的无法在较复杂环境下自动化、全方位对大气污染源进行追踪的问题，本发明提供一种基于无人机的大气污染源追踪方法及无人机系统。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种基于无人机的大气污染源追踪方法，包括以下步骤：
步骤一、令无人机以固定点为圆心按圆形轨迹飞行多次，每次飞行半径大于上一次飞行半径，并记录圆形轨迹上空气中污染气体的含量变化，确定每个圆形轨迹上污染气体含量最高的位置；
步骤二、将每个圆形轨迹上污染气体含量最高的位置按顺序连接，进行线性拟合，得到污染源方向线，进而确定次轮前进方向；
步骤三、无人机沿次轮前进方向飞行次轮前进距离至另一固定点，所述次轮前进距离为固定值；
步骤四、以无人机沿次轮前进方向到达的固定点为圆心，重复步骤一、步骤二和步骤三，直至某一轮飞行中得到的次轮前进方向与上一轮飞行中得到的次轮前进方向的延长线相交于一点，则使无人机沿该轮飞行中得到的次轮前进方向飞行1/N次轮前进距离，并重复步骤一和步骤二，N为固定值且大于等于2；
步骤五、步骤四后每一轮无人机沿次轮前进方向飞行的距离都为上一轮飞行距离的1/N，直至沿次轮前进方向飞行的距离小于设定值时，最后一轮飞行轨迹的圆心即为污染源位置。
进一步地，步骤一、令无人机以固定点为圆心按圆形轨迹飞行多次，每次飞行半径为上一次飞行半径的2倍，并记录圆形轨迹上空气中污染气体的含量变化，确定每个圆形轨迹上污染气体含量最高的位置，将该位置依次记为污染点A、污染点B、污染点C……；
步骤二、将污染点A、污染点B、污染点C……位置按顺序连接，进行线性拟合，得到污染源方向线，将所述污染源方向线指向远离步骤一中固定点的方向定为次轮前进方向；
步骤三、无人机沿次轮前进方向飞行次轮前进距离至另一固定点，所述次轮前进距离为固定值；
步骤四、以步骤三中无人机到达的固定点为圆心，重复步骤一、步骤二和步骤三，直至某一轮飞行中得到的次轮前进方向与上一轮飞行中得到的次轮前进方向的延长线相交于一点，则使无人机沿该轮飞行中得到的次轮前进方向飞行1/2次轮前进距离，并重复步骤一和步骤二；
步骤五、步骤四后每一轮无人机沿次轮前进方向飞行的距离都为上一轮飞行距离的1/2，直至沿次轮前进方向飞行的距离小于10～20米，则最后一轮飞行轨迹的圆心即为污染源位置。
进一步地，所述次轮前进方向的获得步骤为：
a、以无人机飞行轨迹的圆心为原点，建立平面坐标系；
b、获得污染点A、污染点B、污染点C……的平面坐标(x,y)i，i为污染点标记；
c、将平面坐标(x,y)i使用最小二乘法进行线性拟合，获得线性公式；
d、将得到的线性公式绘制在a中的平面坐标系上，得到污染源方向线，过原点作污染源方向线的垂线，该垂线将无人机飞行轨迹分为两部分，以其中含有污染点较多的部分所在的方向为污染源方向线的正向延伸方向，该正向延伸方向即为次轮前进方向。
进一步地，所述步骤一中具体包括以下步骤：
a、无人机升空过程中对空气中污染气体的含量进行监测，当测得污染气体含量超过设定值时，以该位置为圆心同时按预设半径以圆形轨迹飞行一圈，同时测量圆形轨迹上的污染气体含量，得到在圆形轨迹上污染气体含量最高的位置；
b、以a中圆形轨迹上污染气体含量最高的位置为起点，以预设斜率向上飞行至预设高度，在向上飞行中同步测量空气中污染气体的含量，并以a中设定的圆心为圆心进行圆形轨迹飞行一圈，同时测量圆形轨迹上的污染气体含量，得到在圆形轨迹上污染气体含量最高的位置；该次飞行的半径大于a中飞行的半径；
c、若b中在向上飞行过程中测量的空气中污染气体的含量的最高值所在的位置位于两次飞行轨迹所在平面之间，则令无人机以b中圆形轨迹上污染气体含量最高的位置为起点，按预设斜率向下飞行至b中无人机向上飞行过程中测量的空气中污染气体的含量最高值所在位置的所在平面，并以a中设定的圆心为圆心进行圆形轨迹飞行一圈，同时测量圆形轨迹上的污染气体含量，得到在圆形轨迹上污染气体含量最高的位置；该次飞行的半径大于b中飞行的半径；此时无人机完成首轮飞行，将a、b、c中得到的圆形轨迹上污染气体含量最高的位置按顺序连接后进行线性拟合，得到污染源方向线，进而得到次轮前进方向，令无人机以第三圈飞行的起点为起点，按照次轮前进方向飞行，进行之后的步骤；
d、若b中在向上飞行过程中测量的空气中污染气体的含量的最高值所在的位置位于第二次飞行轨迹所在的平面，则令无人机以b中圆形轨迹上污染气体含量最高的位置为起点，按预设斜率向上飞行至预设高度，在向上飞行中同步测量空气中污染气体的含量，并以a中设定的圆心为圆心进行圆形轨迹飞行一圈，同时测量圆形轨迹上的污染气体含量，得到在圆形轨迹上污染气体含量最高的位置；该次飞行的半径大于b中飞行的半径；
e、若d中在向上飞行过程中测量的空气中污染气体的含量的最高值所在的位置位于两次飞行轨迹之间，则按照c的方法进行；若d中在向上飞行的过程中测量的空气中污染气体的含量的最高值位于第三次飞行轨迹所在的平面，则按照d的方法继续进行飞行；
f、根据无人机向上飞行中测量得到的空气中污染气体的含量的最高值所在的位置的不同，按照c或d进行飞行测量，直至完成首轮飞行测量；之后得到相应的次轮前进方向后，令无人机以最后一圈飞行的起点为起点，按照次轮前进方向飞行，进行之后的步骤；
g、之后的每一轮飞行都按照上述a至f的步骤进行，直到确定污染源位置。
进一步地，令一轮飞行中每一圈的飞行半径为Ri，向上飞行时的预设高度为H，则预设斜率为k＝(Ri+1-Ri)/H。
本发明还提供一种采用以上任意所述的基于无人机的大气污染源追踪方法的无人机系统，所述无人机为旋翼无人机，所述旋翼无人机上设有二氧化硫、氮气、扬起、一氧化碳、二氧化碳、PM2.5、PM10空气质量传感器，所述旋翼无人机上还设有微处理器和4G无线通讯模块，所述微处理器分别于所述空气质量传感器和所述4G无线通讯模块电性连接。
进一步地，所述旋翼无人机上还设有影像采集设备，所述微处理器与所述影像采集设备电性连接。
进一步地，还包括地面遥控监测终端，所述地面遥控监测终端与所述4G无线通讯模块通讯连接，并可传输信息至所述微处理器。
本发明提供的一种基于无人机的大气污染源追踪方法及无人机系统具有以下有益效果：
1、本发明所述的基于无人机的大气污染源追踪方法，利用无人机飞行过程测量空气中污染气体含量，经过特殊轨迹多次飞行后，自动化追踪污染源位置，解决了现有技术中需要人工操作、地面监测的效率及安全问题。
2、本发明所述的基于无人机的大气污染源追踪方法，设定特殊的飞行轨迹，对飞行轨迹中污染气体含量最高的点进行标记，经过计算拟合后对污染源进行追踪，可以适用于复杂的现实环境下的污染源追踪，解决了现有技术中仅能在无风情况下追踪污染源的缺点，实现了在有风环境下的污染源追踪。
3、本发明所述的基于无人机的大气污染源追踪方法，在垂直方向上同步进行测量，可以确定污染源所在位置的高度信息，便于更精准地定位污染源位置。
4、本发明所述的采用基于无人机的大气污染源追踪方法的无人机系统，可通过影响采集设备采集污染源所在位置的影像信息，并通过4G无线通讯模块与地面遥控监测终端通讯，使监测人员可远距离地获得污染源位置的相关信息，大大提高了污染源追踪的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于无人机的大气污染源追踪方法的流程图1；
图2为本发明提供的基于无人机的大气污染源追踪方法的流程图2；
图3为实施例的飞行轨迹俯视图；
图4为实施例的第一轮飞行轨迹侧视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供的基于无人机的大气污染源追踪方法采用如图1和图2所示的流程，具体的实施例如下所述：
如图3所示，图3为本发明提供的基于无人机的大气污染源追踪方法及无人机系统的实施例的飞行轨迹图的俯视图，即从正上方向下俯视观察到的无人机飞行轨迹图及最后所确定的污染源所在位置，具体步骤如下：
S001、无人机升空进行第一轮飞行，具体飞行轨迹如图4所示。无人机在升空过程中对空气中污染气体的含量进行监测，当测得污染气体含量超过设定值时，无人机上升至124米空中某一点，并以此点为圆心以50为半径进行第一圈飞行，飞行轨迹如图3和图4所示，同时测量圆形轨迹上的污染气体含量，得到在圆形轨迹上污染气体含量最高的位置即污染点A；
S002、以污染点A为起点，以1为斜率向上飞行垂直高度50米，到达第二圈飞行轨迹的高度，同时在向上飞行过程中测量空气中污染气体的含量，测得污染气体含量最高处为图4中第二圈飞行轨迹上的黑色三角形位置，此时在该高度以第一圈飞行的圆心为圆心，以100米为半径进行第二圈圆形飞行，同时测量第二圈飞行圆形轨迹上的污染气体含量，得到污染点B；
S003、以污染点B为起点，以1.2为斜率向上飞行垂直高度50米，到达第三圈飞行轨迹的高度，同时在向上飞行过程中测量空气中污染气体的含量，测得污染气体含量最高处为图4中第二圈飞行轨迹和第三圈飞行轨迹上的黑色三角形位置，此时在该高度以第一圈飞行的圆心为圆心，以160米为半径进行第三圈圆形飞行，同时测量第三圈飞行圆形轨迹上的污染气体含量，得到污染点C；
S004、以污染点C为起点，以3.6为斜率向下飞行至图4中第二圈飞行轨迹和第三圈飞行轨迹上的黑色三角形位置所在平面，在该高度以第一圈飞行的圆心为圆心，以250米为半径进行第四圈圆形飞行，同时测量第四圈飞行圆形轨迹上的污染气体含量，得到污染点D；
S005、以污染点D所在平面建立平面坐标系，坐标系原点为飞行轨迹的圆心，将污染点A、污染点B、污染点C投影至坐标系上，进行线性拟合，得到如图3所示的污染源方向线，同时对污染源方向线过原点做垂线，该垂线将无人机飞行轨迹分为两部分，含有污染点较多的部分所在的方向即图3中第一轮飞行轨迹得到的污染源方向线上的箭头指向方向，即为无人机的次轮前进方向；
S006、令无人机以污染点D为起点，朝次轮前进方向飞行250米，到达第二轮飞行的圆心位置，以50米为半径飞行后得到污染点A，以污染点A为起点，以0.71为斜率向上飞行垂直高度70米，测得向上飞行过程中污染气体含量最高值处位于第二圈飞行轨迹和第一圈飞行轨迹之间，以100米为半径进行第二圈飞行后，得到污染点B，以污染点B为起点，以4.3为斜率向下飞行至第二圈飞行轨迹和第一圈飞行轨迹之间的污染气体含量最高值处，以250米为半径进行第三圈飞行，得到污染点C；以第二轮飞行中的污染点C所在平面建立坐标系，对污染点A、污染点B、污染点C在坐标系上的投影进行线性拟合后，得到无人机的次轮前进方向；
S007、令无人机以第二轮飞行的污染点C为起点，朝次轮前进方向前进250米，到达第三轮飞行轨迹的圆心处。后续步骤与上述类同，如图3所示，直到无人机进行第四轮飞行时，得到的次轮前进方向与上一轮飞行得到的次轮前进方向的延长线相交于一点，此时令无人机朝该轮飞行得到的次轮前进方向飞行125米，到达第五轮飞行轨迹的圆心处；
S008、如图3所示，令无人机朝着后续飞行得到的次轮前进方向飞行时，到达第六轮飞行轨迹的圆心处的距离为62.5米，到达第七轮飞行轨迹的圆心处的距离为31.25米，朝着第七轮飞行得到的次轮前进方向飞行16.625米，此时飞行距离处于10～20米之间，此时无人机所在的位置即为污染源位置；
S009、无人机在确定的污染源位置开启影像采集设备，将采集到的影像通过4G无线通论模块传输至地面遥控监测终端；地面遥控监测终端可向无人机的微处理器传输指令信息，令无人机从多个角度采集污染源位置的相关信息。
上述实施例中所述的各个点所在的平面，皆与该点到地面的连线垂直。
无人机在上述的飞行过程中，在每轮飞行中，依次地进行平面飞行和上升飞行，在平面飞行中确定飞行轨迹上污染气体含量最高的位置，由于飞行轨迹为圆形，且每轮中都会进行多圈飞行，通过多圈飞行确定每一圈飞行中污染气体含量最高的位置，再通过线性拟合后得到相应的次轮前进方向，可以有效解决在有风的情况下污染气体扩散不均导致无法确定污染源大致方向的问题。同时，在S007及后续步骤中，无人机朝次轮前进方向飞行的距离等比减少，通过一步步地缩小区域，从而确定污染源所在的位置，达到了自动化追踪的目的，同时往复的飞行避免了污染源在风的作用下污染气体分布不均导致的无法锁定污染源确定区域的问题。
除此之外，无人机在竖直方向上的飞行策略，使无人机通过简单的步骤即可确定在竖直方向上的污染气体含量最高的位置，使之后的每一轮飞行都可以进一步地确定污染气体在空气中竖直方向上的分布情况，进而确定污染源所在位置的高度信息，便于更精准地定位污染源所在的位置。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。