基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括與地面工作站進(jìn)行無(wú)線通信的無(wú)人機(jī)，所述無(wú)人機(jī)正上方通過(guò)支架搭載隔熱隔濕耐腐蝕密封艙，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙周邊均勻安裝若干旋臂，所述旋臂末端設(shè)有旋翼，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙頂端還設(shè)有導(dǎo)航天線，所述支架上還設(shè)有若干液晶顯示屏。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙氣監(jiān)測(cè)區(qū)域固定污染源煙氣排放情況的機(jī)動(dòng)、快速監(jiān)測(cè)，是對(duì)常規(guī)煙氣監(jiān)測(cè)的有益補(bǔ)充。
【專利說(shuō)明】基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煙氣排放監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)內(nèi)、特別是我國(guó)華北地區(qū)霧霾天數(shù)的增加，引起了民眾對(duì)大氣治理的關(guān)注。眾所周知，由氣體和煙塵形成的混合物——煙氣，是污染大氣的主要成分。煙氣的成分很復(fù)雜，氣體中包括水蒸汽、SO2, N2, 02、CO、CO2碳?xì)浠衔镆约暗趸衔锏?，煙塵包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高溫裂解產(chǎn)物等，因此煙氣對(duì)環(huán)境的污染是多種毒物的復(fù)合污染，對(duì)其監(jiān)測(cè)特別是對(duì)固定污染源煙氣排放情況的監(jiān)測(cè)從而實(shí)現(xiàn)有效治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。
[0003]固定污染源排放的煙氣由于其濃度高(比如煤發(fā)電廠如果沒(méi)有采取環(huán)保措施，其煙囪出口附近SO2濃度達(dá)到幾十?幾百ppm，甚至上千ppm、濕度高、溫度高(IOO0C以上)，其測(cè)量的方式不同于普通環(huán)保中涉及的S02、NO的測(cè)量(普通環(huán)保測(cè)量一般在常溫常壓下進(jìn)行，兩者濃度均低于0.1ppm),需要采用特殊的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。
[0004]目前監(jiān)測(cè)分析煙氣排放源的方法包括使用便攜式煙氣分析儀和在線式連續(xù)煙氣分析儀，兩者均需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽氣，如發(fā)電廠煙?特定位置進(jìn)行鉆孔取氣，如圖1所示，前期需要部署實(shí)施，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣排放源的快速、機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)。
[0005]采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行環(huán)保監(jiān)測(cè)技術(shù)也有公開，典型的中國(guó)發(fā)明專利(名稱:污染氣體無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，申請(qǐng)?zhí)?201210528041.9)，其實(shí)現(xiàn)的是常溫常壓濃度低的常規(guī)環(huán)保監(jiān)測(cè)，無(wú)法滿足環(huán)保部門對(duì)固定污染源高溫高濕高濃度、強(qiáng)腐蝕煙氣的監(jiān)測(cè)需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服煙氣監(jiān)測(cè)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)固定污染源現(xiàn)場(chǎng)條件的要求，提出一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，一種不需要人員親臨現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定污染源高溫高濕煙氣排放情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿足我國(guó)環(huán)保部門對(duì)固定污染源煙氣排放情況進(jìn)行機(jī)動(dòng)、快速監(jiān)測(cè)的需求。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括飛行于固定污染源煙氣排放位置附近的且與地面工作站通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線通信的無(wú)人機(jī)，所述無(wú)人機(jī)正上方通過(guò)支架搭載隔熱隔濕耐腐蝕密封艙，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙艙體采用耐高溫高濕耐腐蝕的碳纖板，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)部采用耐高溫高濕強(qiáng)腐蝕的碳纖板作為隔板分為兩個(gè)區(qū):高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)和常溫區(qū)，其中直接接觸待測(cè)量煙氣的高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)內(nèi)設(shè)有煙氣檢測(cè)模塊，常溫區(qū)內(nèi)設(shè)有無(wú)線傳輸模塊、飛行控制模塊和導(dǎo)航模塊；所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙周邊均勻安裝若干旋臂，所述旋臂末端設(shè)有旋翼，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙頂端還設(shè)有導(dǎo)航天線，所述支架上還設(shè)有若干液晶顯示屏，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙的煙氣檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)分別傳輸給無(wú)線傳輸模塊和飛行控制器，所述飛行控制器分別與無(wú)線傳輸模塊和導(dǎo)航模塊通信，所述無(wú)線傳輸模塊與地面工作站通信，所述導(dǎo)航模塊與導(dǎo)航天線連接。
[0009]所述煙氣檢測(cè)模塊包括:依次串聯(lián)連接的采樣軟管、溫濕度傳感器、汽水分離器、過(guò)濾器、單向閥、抽氣泵和傳感器腔，所述傳感器腔上設(shè)有若干傳感器，所述傳感器腔與清洗泵連接。
[0010]所述煙氣檢測(cè)模塊，能夠在煙道溫度0-650°C范圍內(nèi)正常工作；氣泵采用德國(guó)THOMAS微型真空泵，能夠在高溫、高濕及強(qiáng)腐蝕氣體環(huán)境中工作，泵流量能達(dá)到0.6升/分鐘的恒定控制。
[0011]所述導(dǎo)航模塊由高度計(jì)和GPS模塊組成，高度計(jì)和GPS模塊均與飛行控制模塊連接，所述高度計(jì)采用測(cè)量氣壓方式，換算成無(wú)人機(jī)所處的高度值，滿足無(wú)人機(jī)保持恒定高度飛行的需要。所述無(wú)人機(jī)通過(guò)GPS模塊實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度、高度、航跡方向、地速(指無(wú)人機(jī)相對(duì)于地面物體的速度)等信息。
[0012]一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，無(wú)人機(jī)通過(guò)飛行控制飛行到設(shè)定的高度及二維水平位置信息后，無(wú)人機(jī)保持飛行的高度不變，啟動(dòng)抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊開始工作，進(jìn)行煙氣信息的采集，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到無(wú)人機(jī)上和/或通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)射到地面工作站，無(wú)人機(jī)飛行的水平位置的調(diào)整由無(wú)人機(jī)上隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)的煙氣檢測(cè)模塊測(cè)得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)確定，無(wú)人機(jī)飛行的垂直位置通過(guò)導(dǎo)航模塊內(nèi)部的高度計(jì)保持恒定高度，始終在設(shè)定的水平位置范圍內(nèi)朝高溫及煙氣濃度最高的位置飛行；無(wú)人機(jī)返回時(shí)，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊停止工作。
[0013]無(wú)人機(jī)的飛行控制有手工控制和自主飛行兩種方式:
[0014]I)手工控制方式，由地面工作站進(jìn)行遙控，無(wú)人機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊接收到遙控信號(hào)后，進(jìn)行起飛，無(wú)人機(jī)到達(dá)設(shè)定高度后，保持此高度進(jìn)行水平面飛行，尋找監(jiān)測(cè)的中心點(diǎn)，如果監(jiān)測(cè)發(fā)電廠的煙氣排放情況，以煙囪口的中心位置作為無(wú)人機(jī)水平飛行的中心位置，在該中心位置附近，操作人員根據(jù)機(jī)載煙氣檢測(cè)模塊測(cè)得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)，調(diào)整無(wú)人機(jī)朝溫度及煙氣濃度較高處飛行，測(cè)試完成后，通過(guò)遙控，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊停止工作，無(wú)人機(jī)按照收到的遙控指令進(jìn)行返航；
[0015]2)自主飛行方式，無(wú)人機(jī)在起飛前，設(shè)定飛行的軌跡以及飛行后到達(dá)的高度及水平面中心點(diǎn)位置，地面工作站發(fā)出起飛指令后，無(wú)人機(jī)根據(jù)設(shè)定的軌跡進(jìn)行飛行，抵達(dá)設(shè)定的高度及水平面中心點(diǎn)位置后，抽氣泵及煙氣檢測(cè)模塊開始工作，無(wú)人機(jī)根據(jù)機(jī)載煙氣檢測(cè)模塊測(cè)得的溫濕度及煙氣濃度數(shù)據(jù)，飛行控制模塊保持恒定的高度調(diào)整無(wú)人機(jī)朝高溫及煙氣濃度較高處進(jìn)行水平飛行，測(cè)試完成后，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊停止工作，無(wú)人機(jī)根據(jù)設(shè)定的飛行軌跡進(jìn)行返航。
[0016]在手工控制方式飛行中，煙氣監(jiān)測(cè)得到的煙氣濃度及溫濕度數(shù)據(jù)及無(wú)人機(jī)飛行的實(shí)時(shí)位置信息數(shù)據(jù)需要通過(guò)無(wú)線的方式傳送回地面工作站，通過(guò)這些數(shù)據(jù)，人為判斷后，再發(fā)出飛行指令。自主飛行的方式，煙氣監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)設(shè)定存儲(chǔ)于機(jī)載的存儲(chǔ)設(shè)備上，也能夠通過(guò)無(wú)線的方式傳送回地面工作站。
[0017]所述無(wú)人機(jī)的飛行控制方法，依據(jù)需要的俯仰角、油門、滾轉(zhuǎn)角，結(jié)合飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)和飛行控制方法公式解算出合適的舵機(jī)控制量，使飛機(jī)保持預(yù)定的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角。
[0018]所述無(wú)人機(jī)的飛行控制方法公式是:
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是，包括飛行于固定污染源煙氣排放位置附近的且與地面工作站通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線通信的無(wú)人機(jī)，所述無(wú)人機(jī)正上方通過(guò)支架搭載隔熱隔濕耐腐蝕密封艙，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙艙體采用耐高溫高濕耐腐蝕的碳纖板，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)部采用耐高溫高濕強(qiáng)腐蝕的碳纖板作為隔板分為兩個(gè)區(qū):高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)和常溫區(qū)，其中直接接觸待測(cè)量煙氣的高溫高濕強(qiáng)腐蝕區(qū)內(nèi)設(shè)有煙氣檢測(cè)模塊，常溫區(qū)內(nèi)設(shè)有無(wú)線傳輸模塊、飛行控制模塊和導(dǎo)航模塊；所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙周邊均勻安裝若干旋臂，所述旋臂末端設(shè)有旋翼，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙頂端還設(shè)有導(dǎo)航天線，所述支架上還設(shè)有若干液晶顯示屏，所述隔熱隔濕耐腐蝕密封艙的煙氣檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)分別傳輸給無(wú)線傳輸模塊和飛行控制器，所述飛行控制器分別與無(wú)線傳輸模塊和導(dǎo)航模塊通信，所述無(wú)線傳輸模塊與地面工作站通信，所述導(dǎo)航模塊與導(dǎo)航天線連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是，所述煙氣檢測(cè)模塊包括:依次串聯(lián)連接的采樣軟管、溫濕度傳感器、汽水分離器、過(guò)濾器、單向閥、抽氣泵和傳感器腔，所述傳感器腔上設(shè)有若干傳感器，所述傳感器腔與清洗泵連接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是，所述煙氣檢測(cè)模塊，能夠在煙道溫度0-650°C范圍內(nèi)正常工作；抽氣泵采用德國(guó)THOMAS微型真空泵，能夠在高溫、高濕及強(qiáng)腐蝕氣體環(huán)境中工作，泵流量能達(dá)到0.6升/分鐘的恒定控制。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是，所述導(dǎo)航模塊由高度計(jì)和GPS模塊組成，高度計(jì)和GPS模塊均與飛行控制模塊連接，所述高度計(jì)采用測(cè)量氣壓方式，換算成無(wú)人機(jī)所處的高度值，滿足無(wú)人機(jī)保持恒定高度飛行的需要；所述無(wú)人機(jī)通過(guò)GPS模塊實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度、高度、航跡方向、地速信息。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的一種基于無(wú)人機(jī)的固定污染源煙氣排放機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，其特征是，無(wú)人機(jī)通過(guò)飛行控制飛行到設(shè)定的高度及二維水平位置信息后，無(wú)人機(jī)保持飛行的高度不變，啟動(dòng)抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊開始工作，進(jìn)行煙氣信息的采集，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到無(wú)人機(jī)上和/或通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)射到地面工作站，無(wú)人機(jī)飛行的水平位置的調(diào)整由無(wú)人機(jī)上隔熱隔濕耐腐蝕密封艙內(nèi)的煙氣檢測(cè)模塊測(cè)得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)確定，無(wú)人機(jī)飛行的垂直位置通過(guò)導(dǎo)航模塊內(nèi)部的高度計(jì)保持恒定高度，始終在設(shè)定的水平位置范圍內(nèi)朝高溫及煙氣濃度最高的位置飛行；無(wú)人機(jī)返回時(shí)，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊停止工作。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，無(wú)人機(jī)的飛行控制有手工控制和自主飛行兩種方式: I)手工控制方式，由地面工作站進(jìn)行遙控，無(wú)人機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊接收到遙控信號(hào)后，進(jìn)行起飛，無(wú)人機(jī)到達(dá)設(shè)定高度后，保持此高度進(jìn)行水平面飛行，尋找監(jiān)測(cè)的中心點(diǎn)，如果監(jiān)測(cè)發(fā)電廠的煙氣排放情況，以煙囪口的中心位置作為無(wú)人機(jī)水平飛行的中心位置，在該中心位置附近，操作人員根據(jù)機(jī)載煙氣檢測(cè)模塊測(cè)得的煙氣濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)，調(diào)整無(wú)人機(jī)朝溫度及煙氣濃度較高處飛行，測(cè)試完成后，通過(guò)遙控，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊停止工作，無(wú)人機(jī)按照收到的遙控指令進(jìn)行返航；2)自主飛行方式，無(wú)人機(jī)在起飛前，設(shè)定飛行的軌跡以及飛行后到達(dá)的高度及水平面中心點(diǎn)位置，地面工作站發(fā)出起飛指令后，無(wú)人機(jī)根據(jù)設(shè)定的軌跡進(jìn)行飛行，抵達(dá)設(shè)定的高度及水平面中心點(diǎn)位置后，抽氣泵及煙氣檢測(cè)模塊開始工作，無(wú)人機(jī)根據(jù)機(jī)載煙氣檢測(cè)模塊測(cè)得的溫濕度及煙氣濃度數(shù)據(jù)，飛行控制模塊保持恒定的高度調(diào)整無(wú)人機(jī)朝高溫及煙氣濃度較高處進(jìn)行水平飛行，測(cè)試完成后，關(guān)閉抽氣泵，煙氣檢測(cè)模塊停止工作，無(wú)人機(jī)根據(jù)設(shè)定的飛行軌跡進(jìn)行返航。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是， 所述無(wú)人機(jī)的飛行控制方法，依據(jù)需要的俯仰角、油門、滾轉(zhuǎn)角，結(jié)合飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)和飛行控制方法公式解算出合適的舵機(jī)控制量，使飛機(jī)保持預(yù)定的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角； 所述無(wú)人機(jī)的飛行控制方法公式是:
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK103823028SQ201410092446
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】吳曉明, 于長(zhǎng)斌, 劉祥志, 梁峰, 馬耿, 汪付強(qiáng), 劉宏, 張建強(qiáng), 梁艷, 孟祥艷, 胡一帆 申請(qǐng)人:山東省計(jì)算中心