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专利号: 2018106482858
申请人: 李洪博
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-04-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种利用无人机大气污染检测系统进行大气污染检测的方法,其特征在于无人机大气污染检测系统包括云端服务部和无人机,云端服务部包括云端服务器、操作终端和第一无线传输模块;操作终端连接在云端服务器上,用于云端服务器的人工控制,第一无线传输模块连接在云端服务器上,用于同无人机进行数据交互;无人机包括无人机控制器(505)、第二无线传输模块、飞行控制模块、飞行数据模块、检测控制模块、检测数据模块;其中第二无线传输模块、飞行控制模块、飞行数据模块、检测控制模块、检测数据模块分别同无人机控制器(505)连接,第二无线传输模块用于同云端服务器进行数据交互;飞行控制模块连接无人机的马达,控制无人机飞行;飞行数据模块连接速度计、加速度计、高度计和GPS,实时收集无人机的飞行的速度、加速度、高度和位置数据;检测控制模块连接喷头和激光源(503),喷头连接SERS溶胶罐(506),用于进行拉曼光谱检测的激发;检测数据模块连接分光仪(504),用于进行拉曼检测的数据收集;在检测时,激光源(503)发射激光检测大气环境的拉曼信号数据,检测前喷嘴向外喷射SERS溶胶,SERS溶胶与环境大气充分混合后,使大气的SERS信号增强;

所述无人机为四轴螺旋桨无人机,包括无人机主体(1)、螺旋桨臂(2)、螺旋桨(3)、马达(4)、吊架和支腿(6);其中无人机主体(1)包括四个侧壁(101)以及底膜(102),四个侧壁(101)与底膜(102)围成一个上端开放的检测腔,底膜(102)可以拆卸;检测腔内设置有第一激光发射头(103)、第二激光发射头(104)、第一喷头(105)、第二喷头(106)、第一散射光接收头(107),第二散射光接收头(108);第一激光发射头(103)和第二激光发射头(104)安装在同一个侧壁(101)上,第一激光发射头(103)安装在第二激光发射头(104)的正上方;第一激光发射头(103)的发射方向垂直于第一激光发射头(103)所在的侧壁(101)的平面;第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108)安装在第一激光发射头(103)相对的侧壁(101)上,第一散射光接收头(107)接收第一激光发射头(103)发出的激光;第二激光发射头(104)的发射方向对准底膜(102)的中心点,第二散射光接收头(108)位于第一散射光接收头(107)的正下方,第二散射光接收头(108)接收经底膜(102)反射的第二激光发射头(104)发射的激光;

第一喷头(105)安装在第一激光发射头(103)所在侧壁(101)的相邻侧壁(101)上,第二喷头(106)安装在第一喷头(105)相对的侧壁(101)上;吊架安装在无人机主体(1)的下方,与侧壁(101)固定连接;吊架由竖向梁(501)和横向梁(502)组成,横向梁(502)的个数为多个,竖向梁(501)连接在侧壁(101)下方,横向梁(502)两端固定连接于竖向梁(501),横向梁(502)设置有连接孔,可以连接多个需要挂载的设备;激光源(503)、分光仪(504)、无人机控制器(505)、SERS溶胶罐(506)均安装在吊架的横向梁(502)上;

所述激光源(503)连接第一激光发射头(103)和第二激光发射头(104),分光仪(504)连接第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108),SERS溶胶罐(506)连接第一喷头(105)和第二喷头(106);第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108)内设置有滤光片,用于过滤激光源(503)的波长,透过拉曼散射光;检测数据模块连接分光仪(504),接收分光仪(504)的检测数据,并得到拉曼散射光谱;飞行数据模块连接速度计、加速度计、高度计和GPS,实时收集无人机的飞行的速度、加速度、高度和位置数据;无人机控制器(505)将飞行数据模块和检测数据模块的数据通过第二无线传输模块和第一无线传输模块发送至云端服务器;云端服务器内设置有拉曼光谱检测模型,根据收集的拉曼光谱数据分析大气中所含污染物浓度;

检测方法包括如下步骤:

步骤一:从操作终端设置特征峰位、预订高度以及待测点坐标,所述特征峰位为待测污染物的线性特征峰位,所述线性特征峰位个数为1个,预订高度最多为20个并从低到高排列,待测点坐标为1个GPS坐标;线性特征峰位即待测污染物的浓度和该特征峰位的强度为线性关系;

步骤二:云端服务器将输入的线性特征峰位、预订高度、待测点坐标发送至无人机控制器(505);

步骤三:无人机控制器(505)控制无人机飞行至待测点坐标处,并在第一个预订高度停留;

步骤四:无人机控制器(505)控制喷头喷射SERS溶胶,并在喷射后立即控制激光源(503),使第一激光发射头(103)和第二激光发射头(104)发射激发光;无人机控制器(505)控制分光仪(504)收集第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108)接收的光谱数据,光谱数据包括所有线性特征峰位;无人机控制器(505)将第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108)接收的光谱数据P11和P12发送至云端服务器;

步骤五:无人机控制器(505)依次在每个预订高度停留,并重复步骤四,发送无人机控制器(505)将第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108)接收的光谱数据Pn1和Pn2发送至云端服务器;待所有预订高度均检测完成后,无人机控制器(505)控制无人机降落;

其中Pn1表示第n个预订高度的第一散射光接收头(107)收到的光谱数据,Pn2表示第n个预订高度的第二散射光接收头(108)收到的光谱数据;Pn1的格式为(X,Y,Hn,Qn1),Pn2的格式为(X,Y,Hn,Qn2),其中X、Y为GPS的经纬度,Hn为高度,Qn1和Qn2为线性特征峰位的强度;

步骤六:将无人机底膜(102)取下进行检测,获得待测成分的浓度值M0;在取下底膜(102)前进行一次拉曼检测,无人机控制器(505)控制激光源(503),使第一激光发射头(103)和第二激光发射头(104)发射激发光;无人机控制器(505)控制分光仪(504)收集第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108)接收的光谱数据,光谱数据包括所有线性特征峰位;无人机控制器(505)将第一散射光接收头(107)和第二散射光接收头(108)接收的光谱数据P01和P02发送至云端服务器;Pn1的格式为(X,Y,H0,Q01),Pn2的格式为(X,Y,H0,Q02);

步骤七:根据公式计算不同高度的待测物浓度Mn:Mn=M0×(Qn1/Q02)

其中Mn表示第n个预设高度的待测物浓度。

2.根据权利要求1所述的进行大气污染检测的方法,其特征在于:所述底膜(102)为含有活性炭材料的HEPA,用于过滤并吸附空气中的污染物。

3.根据权利要求2所述的进行大气污染检测的方法,其特征在于:所述污染物为散布于大气中的多环芳香烃。

4.根据权利要求3所述的进行大气污染检测的方法,其特征在于:操作终端连接于云端服务器,操作终端用于输入控制指令和显示检测结果。