全气路润洗大气环境质量高空梯度采样双光无人机的制作方法

本实用新型属于环境质量监测气体采样领域，具体涉及一种全气路润洗大气环境质量高空梯度采样双光无人机。

背景技术：

2015.8.12天津滨海新区瑞海公司危险品仓库爆炸事故中，现场环境危机四伏、浓烟滚滚，空气中充满各种有毒有害气体。传统的大气采样器、有毒有害气体分析仪等监测设备的安放与使用必须由技术人员进入现场，现场安放、现场操作，但是，爆炸现场又根本不具备救援人员和气体分析人员进入条件。如何才能准确找到有毒、有害、易燃、易爆气体的源头，科学、精准地采集到“样气”成为了最为棘手的技术难题。

另外在众多的大气污染物排放或事故中，许多有毒、有害气体和可挥发性有机物是“无色”，或者是与大气背景色相接近的，仅靠肉眼或嗅觉难以找到“排放源、污染源”等目标气团，这就给大气环境质量采样工作带来很大困难。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述存在的问题，提供一种能够快速找到污染气体的源头，安全、科学、精准地采集到“样气”的全气路润洗大气环境质量高空梯度采样双光无人机。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种全气路润洗大气环境质量高空梯度采样双光无人机，包括无人机主体和无人机脚架，其特征在于，还包括双光影像系统和全气路润洗大气采样系统，所述双光影像系统包括安装在所述无人机主体上的红外热成像单元和白光相机单元，通过红外热成像单元区分拟采样目标气团与大气背景环境，通过白光相机单元指引无人机飞行到拟采样目标气团位置，所述全气路润洗大气采样系统动作进行大气采样。

作为本实用新型的优选技术方案，还包括机载大气采样数传控制模块和大气采样地面数传控制端，所述全气路润洗大气采样系统包括安装在所述无人机脚架上且依次连接的气体采样泵、电磁阀A、气体质量流量计A、气体采样袋、电磁阀B和气体质量流量计B，所述气体质量流量计A与气体采样袋的进气咀连接，所述电磁阀B与气体采样袋的排气咀连接；其中，所述机载大气采样数传控制模块分别与气体采样泵、电磁阀A、气体质量流量计A、电磁阀B和气体质量流量计B电连接，所述机载大气采样数传控制模块安装在所述无人机主体上且与所述大气采样地面数传控制端无线连接。

作为本实用新型的优选技术方案，所述气体采样泵、电磁阀A、气体质量流量计A、电磁阀B和气体质量流量计B均通过采样系统固定卡扣连接在无人机脚架上。

作为本实用新型的优选技术方案，所述无人机为电动多旋翼无人机，所述无人机的动力源采用锂离子聚合物电池。

作为本实用新型的优选技术方案，所述气体采样泵的进口连接有大气采样探针，所述大气采样探针为细长管，所述大气采样探针的进口远离无人机的旋翼。

作为本实用新型的优选技术方案，所述大气采样探针为碳纤维细长管。

作为本实用新型的优选技术方案，所述气体采样袋为双弧边菱形气体采样袋，所述双弧边菱形气体采样袋包括采样袋本体及连接在采样袋本体上的进气咀和排气咀，所述采样袋本体展开时整体为菱形，采样袋本体的其中两个对角处设置为弧形，所述采样袋本体的另外两个对角处分别连接所述进气咀和排气咀；所述采样袋本体的侧边直线均布设置有固定孔。

作为本实用新型的优选技术方案，所述采样袋本体包括基本层和覆膜层，所述基本层外侧壁复合设置覆膜层，所述基本层为所述气体采样袋本体的基体，所述覆膜层为复合在所述基本层外的样品保质层。

作为本实用新型的优选技术方案，所述基本层为聚氟乙烯Tedlar膜层、聚全氟乙烯Teflon膜层、聚偏氟乙烯膜PVDF膜层和聚全氟乙丙烯FEP膜层中的任意一种。

作为本实用新型的优选技术方案，所述覆膜层为聚氟乙烯Tedlar膜层、聚全氟乙烯Teflon膜层、聚偏氟乙烯膜PVDF膜层、聚全氟乙丙烯FEP膜层和铝箔层中的任意一种。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

1、本实用新型利用有毒、有害气体和可挥发性有机物与大气背景环境的温度差和无人机双光影像系统的红外热成像单元，即可准确的将“拟采样目标气团”与大气背景环境区别开来，进而在白光相机单元安全飞航指引下，控制无人机飞行到“拟采样目标气团”位置，实现科学、准确、高精度的大气采样；2、该无人机采用电动多旋翼无人机，相比传统固定翼无人机的“悬停失速”，无人机可实现三维空间的定点、定高悬停大气采样；3、该无人机采用超高能量密度和超高功重比的锂离子聚合物电池，相比传统以“油、酒精”等化学能作为动力源的飞机，无人机可实现在飞行过程的“零排放”，即在飞行过程中无VOC（可挥发性有机物）、SO2、NOX、H2O、CO2等气体排放，不会对“拟采样目标气团”造成二次污染，影响大气采样的准确性和精度；另外相比传统以“油、酒精”等化学能作为动力源的无人机，在发生“坠机”意外飞行事故时，无人机不会发生“燃料爆炸、燃烧”等次生安全事故；4、本实用新型设计的基于“大气采样无人机专用双弧边菱形气体采样袋”的“全气路润洗大气采样系统”，可完全消除传统“大气采样”在系统、结构上的“死角”，保证“大气样气”替换率≥99.8%，极大的提高了采集“大气样气”的科学性、精准度，完全满足实验室定性、定量分析的实际工作要求；5、利用无人机三度冗余导机载航系统的差分定位，通过“航迹复飞”可以实现“厘米级误差”的同一三维空间点的多次重复采样；6、可以利用双光无人机超视距（≥15m）飞行，实现对大气污染气团“排放源、污染源”的三维空间精准定位,和大气污染气团扩散路径跟踪与趋势预判；7、大气采样过程安全、高效，环境监察或大气采样人员无需深入大气污染现场,即可利用双光无人机超视距飞行,快速搜索排查大面积空域；8、全气路润洗大气采样系统，可实现全气路润洗，保证满足《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）、《环境空气质量监测点位布设技术规范（试行）》（HJ 664-2013）、《环境空气 半挥发性有机物采样技术导则》(HJ 691-2014)、《环境空气质量手工监测技术规范》（HJ/T 194-2005 ）、《环境空气质量监测规范（试行）》的技术要求，填补了我国“大气环境质量高空梯度采样”的空白，极大的提高了大气环境质量高空梯度采样”的科学性、精准度，完全满足大气实验室定性、定量分析的实际工作要求；9、可随时根据不同气态污染物监测因子的不同技术要求，选挂不同容量大小、内壁基材的“双弧边菱形气体采样袋”，满足“大气样气”的科学性、精准度，完全满足实验室定性、定量分析的实际工作要求。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为全气路润洗大气采样系统的部分结构示意图。

图中序号：100为无人机、101为无人机主体、102为无人机脚架、200为采样系统固定卡扣、300为机载大气采样系统、301为大气采样探针、302为气体采样泵、303为连接软管、304为电磁阀A、305为气体流量计A、306为气体采样袋、3061为进气咀、3062为固定孔、3063为排气咀、307为电磁阀B、308为气体质量流量计B、400为双光影像系统、401为白光相机单元、402为红外热成像单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。

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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-2所示，一种全气路润洗大气环境质量高空梯度采样双光无人机，包括无人机主体101、无人机脚架102、双光影像系统400、全气路润洗大气采样系统、机载大气采样数传控制模块和大气采样地面数传控制端，双光影像系统400包括安装在无人机主体101上红外热成像单元402和白光相机单元401，通过红外热成像单元区分拟采样目标气团与大气背景环境，通过白光相机单元指引无人机飞行到拟采样目标气团位置，所述全气路润洗大气采样系统动作进行大气采样。

本实施例的无人机可以选用大疆的电动多旋翼无人机，无人机100的动力源采用锂离子聚合物电池；红外热成像单元402可以选用型号为禅思Zenmuse XT的红外相机，白光相机单元401可以选用型号为禅思Z30的云台相机，其支持30x光学变焦。

在本实施例中，全气路润洗大气采样系统包括安装在无人机脚架102上且依次连接的气体采样泵302、电磁阀A304、气体质量流量计A305、气体采样袋306、电磁阀B307和气体质量流量计B308，气体质量流量计A305与气体采样袋306的进气咀3061连接，电磁阀B307与气体采样袋306的排气咀3063连接，气体流量计B308的出口端连接有一段连接软管303；其中，机载大气采样数传控制模块分别与气体采样泵302、电磁阀A304、气体质量流量计A305、电磁阀B307和气体质量流量计B308电连接，机载大气采样数传控制模块安装在无人机主体上且与大气采样地面数传控制端无线连接。

其中，本实施例的气体质量流量计A305和气体质量流量计B308的型号可以选用霍尼韦尔HAF-10SLPM。

在一种可能的操作中，无人机的地面站获取由红外热成像单元402拍摄获得的红外图像和由白光相机单元401拍摄获得的可见光图像并在一个显示屏上显示红外影像和可见光影像，当某个位置的影像在红外图像中的区域位置中的温度明显高于其他区域的温度，则可能是一个采样目标气团位置，然后飞手对照可见光影像，通过飞控控制无人机飞到采样目标气团位置后让无人机悬停，然后通过大气采样地面数传控制端，给机载大气采样数传控制模块发出信号，使其控制全气路润洗大气采样系统进行采样动作。

在上述过程中，无人机的机载导航系统定位采样点位置并记录飞行路径。

本实施例中，无人机100包括两个无人机脚架102，气体采样泵302、电磁阀A304和气体质量流量计A305安装在其中一个无人机脚架102上，气体采样袋306、电磁阀B307和气体质量流量计B308安装在另一个无人机脚架102上，气体采样泵302、电磁阀A304、气体质量流量计A305、电磁阀B307和气体质量流量计B308均通过采样系统固定卡扣200连接在无人机脚架102上。

本实施例中，气体采样泵302的进口连接有大气采样探针301，大气采样探针301为碳纤维细长管，大气采样探针301的进口远离无人机100的旋翼。

本实施例中，气体采样袋306为双弧边菱形气体采样袋，双弧边菱形气体采样袋包括采样袋本体3064及连接在采样袋本体3064上的进气咀3061和排气咀3063，采样袋本体3064展开时整体为菱形，采样袋本体3064的其中两个对角处设置为弧形，采样袋本体3064的另外两个对角处分别连接进气咀3061和排气咀3063；采样袋本体3064的侧边直线均布设置有固定孔3062，固定孔3062的作用是方便采样袋固定在无人机脚架上，固定牢固，使用方便，特殊形状的设计有利于提高气体采样袋的润洗替换率，大大的提高了样品的精准度，使实验数据更具有说服力，另外此结构也有利于采样袋方便捆绑到无人机载荷挂架上，方便无人机的工作。

本实施例中，采样袋本体3064包括基本层和覆膜层，基本层外侧壁复合设置覆膜层，基本层为聚氟乙烯Tedlar膜层、聚全氟乙烯Teflon膜层、聚偏氟乙烯膜PVDF膜层和聚全氟乙丙烯FEP膜层中的任意一种，覆膜层为聚氟乙烯Tedlar膜层、聚全氟乙烯Teflon膜层、聚偏氟乙烯膜PVDF膜层、聚全氟乙丙烯FEP膜层和铝箔层中的任意一种，基本层为气体采样袋本体的基体，覆膜层为复合在基本层外的样品保质层，显著提高了采样袋的避光性能，提高了采样袋的机械强度，有利于保护其中采样气体的稳定性。

本实用新型全气路润洗大气环境质量高空梯度采样双光无人机主要适用于：突发大气环境污染事故现场采样，石油、化工、制药等行业可挥发性有机物无组织排放源查找与采样，高空大气断面梯度采样。

利用我公司研发的全气路润洗大气环境质量高空梯度采样双光无人机，进行大气环境质量高空梯度采样的具体工作操作流程如下：

1、在安全区域，无人机进行升空前安全检查；

2、在安全区域，做好地面气象参数检查，其中影响无人机飞行的气象要素主要是风力、风向、风速、雨量、雷电等气象要素；无人机飞行安全气象条件：风力≤5级；小雨无雷电；

3、无人机升空；

4、无人机在安全区域起飞，自上风向进入现场，利用机载红外热成像单元，准确发现并定位爆炸点、燃烧点、有毒有害气体挥发气团；

5、为便于“样品气体”的抽取，利用机载白光相机单元，找到安全航线，定点绕飞至下风向，以逆风姿态抵近“拟采样目标气团”；

6、大气采样地面数传控制端给出信号，将电磁阀A调至“常开”状态，电磁阀B调至“常闭”状态；

7、大气采样地面数传控制端给出信号，命令气体采样泵开始工作，以较大流量抽气采样；

8、待气体采样泵工作n1秒，双弧边菱形气体采样袋充满气体，并保持有一定压力后；将电磁阀B调至“常开”状态，并将气体采样泵调整至较小流量，继续抽气采样，并维持双弧边菱形气体采样袋内压力n2秒，机载大气采样数传控制系统的气体质量流量计B测出“B排气咀”排除气体量（不小于预估全气路和双弧边菱形气体采样袋总体积的2倍），实现“全气路润洗”。并通过无人机载大气采样数传控制系统的“ 数传模块”将信息实时下传至大气采样地面数传控制端；

9、“全气路润洗”结束后，大气采样地面数传控制端给出信号，依次将电磁阀B调至“常闭”状态，将电磁阀A调至“常闭”状态，关闭气体采样泵；

10、完成“样品气体”的采样任务，无人机返回安全区域；

11、无人机返航着陆后，“飞手”将充有“样品气体”的“双弧边气体采样袋”交于环件监测技术人员，环境监测技术人员即可利用“气相色谱仪”或“气相色谱-质谱联用仪”对样品气体进行定性和定量分析，为领导决策提供科学、准确的数据技术支撑；

12、环境监测技术人员可以根据气体质量流量计A、气体质量流量计B测得的样气进样量和排除气体量精确地计算出“双弧边菱形气体采样袋”中“样品气体采集量”；

13、“飞手”可根据机载导航系统记录的首次“样品气体”采集三维空间坐标，进行“航迹复飞”，精确地实现“同一三维空间坐标点”、“同一二维坐标点不同高空梯度”或“同一高空梯度不同二维坐标点”的“样品气体”多次反复采集，以便于技术人员分析爆炸点、燃烧点、有毒有害气体挥发气团的污染物“扩散变化趋势”。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。