申请/专利权人：环境保护部南京环境科学研究所;南通大学

申请日：2018-12-11

公开（公告）日：2024-04-23

公开（公告）号：CN109342667B

主分类号：G01N33/00

分类号：G01N33/00;G01N33/24;G01C7/04;G05D1/46

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.23#授权;2019.03.12#实质审查的生效;2019.02.15#公开

摘要：本发明公开了基于无人机的大范围气体动态检测装置及其检测方法，包括若干个定点动态检测器、无人机和管理终端，无人机上至少安装有采集器、若干个距离传感器、无人机无线信号收发器和电源，管理终端包括中控装置、信息输入端以及显示端，无人机对目标区域进行扫描，扫描信息经采集器汇总后发送至中控装置，中控装置根据信息绘出目标区域的地形模型；定点动态检测器包括环形底座和集气罩，环形底座为水平底座，无人机下端设有可开合的抓爪，抓爪能抓在集气罩上，将定点动态检测器固定在无人机下方，定点动态检测器能盖合在检测点上，环形底座密封地压在将检测点四周的土壤上，底座通孔位于检测点上，检测点土壤挥发的气体完全进入集气罩中。

主权项：1.基于无人机的大范围气体动态检测装置的检测方法，应用基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：大范围气体动态检测装置包括若干个定点动态检测器1、无人机2和管理终端3，所述的无人机2上至少安装有采集器21、若干个距离传感器22、无人机无线信号收发器24和电源，所述的距离传感器22和无人机无线信号收发器24均与采集器21连接，所述的距离传感器22的检测镜头面向地面，所述的管理终端3包括中控装置31、信息输入端32以及显示端33，所述的无人机无线信号收发器24与中控装置31无线信号连接，所述的中控装置31能通过无人机无线信号收发器24向距离传感器22发出指令，使距离传感器22对目标区域进行扫描，扫描信息经采集器21汇总后发送至中控装置31，所述的中控装置31根据信息绘出目标区域的地形模型；所述的定点动态检测器1包括环形底座11和集气罩12，所述的环形底座11为水平底座，中间具有底座通孔11a，所述的底座通孔11a的横截面积为预定值，所述的集气罩12的内腔与环形底座11的底座通孔11a一体连通，所述的集气罩12上开设有进气通道12a和出气通道12b，所述的进气通道12a和出气通道12b分别位于集气罩12相对的两侧，进气通道12a和出气通道12b均一端与外部连通，一端与集气罩12内腔连通，所述的进气通道12a上安装有进气气体检测器13，出气通道12b上安装有出气气体检测器14，所述的集气罩12的侧壁内还固定有检测器电源15和内置无线信号收发模块的检测器控制器16，所述的检测器电源15与进气气体检测器13、出气气体检测器14以及检测器控制器16连接并为三者供电，所述的检测器控制器16与进气气体检测器13以及出气气体检测器14并能接收进气气体检测器13、出气气体检测器14的信号，并将该信号发送至管理终端3，所述的无人机2下端设有可开合的抓爪25，所述的抓爪25能抓在集气罩12上，将定点动态检测器1固定在无人机2下方，所述的定点动态检测器1能盖合在检测点上，环形底座11密封地压在将检测点四周的土壤上，底座通孔11a位于检测点上，检测点土壤挥发的气体完全进入集气罩12中；具体检测方法包括以下步骤：步骤一、划定检测区域；步骤二、在检测区域附近定一标准点，以该标准点作为高度原点；步骤三、控制无人机2起飞，在检测区域上空飞行，要求两个距离传感器22能扫描到标准点，至少一个距离传感器22向下正对着地面，并且能扫描到检测区域，所述的距离传感器22扫描的数据经采集器21回传至管理终端3，由于已知能扫描到标准点的两个距离传感器22之间的距离，同时也获得了这两个距离传感器22到标准点的距离，从而可以换算出距离传感器22相对于标准点的高度，管理终端3再根据扫描到检测区域的距离传感器22的信息绘制出检测区域的地表三维模型；步骤四、在地表三维模型中，根据实际需要将地表三维模型分区，将检测区域切割为数个分区；每个分区中选定一个或几个检测点，要求监测点地面平整度便于放置定点动态检测器1；步骤五、在无人机2上搭载定点动态检测器1，管理终端3根据地表三维模型中的检测点坐标，控制无人机2飞到坐标点处，将定点动态检测器1放下；无人机2返回搭载另一个定点动态检测器1，管理终端3控制无人机2飞到另一个坐标点处，将定点动态检测器1放下；直至所有坐标点都放下了定点动态检测器1；步骤六、定点动态检测器1盖在坐标点上，气体经过进气通道12a进入集气罩12，经出气通道12b流出集气罩12，进气气体检测器13和出气气体检测器14实时检测流经气体中目标气体含量，并将信息发送至管理终端3；步骤七、管理终端3将出气气体检测器14检测到的目标气体含量减去进气气体检测器13检测到的目标气体含量，即获得该时间点定点动态检测器1内的目标气体挥发量；然后根据集气罩12围成的面积土壤面积大小，换算出单位面积检测点处土壤的目标气体挥发量以及挥发速度，此外，管理终端3还能以分区为单位换算成该分区的目标气体挥发量以及挥发速度；管理终端3将检测到的目标气体含量以及挥发速度以分区为单位集成至地表三维模型中，每个分区可以单独点击查看该分区不同时间段的目标气体挥发量曲线以及挥发速度曲线；管理终端3还能根据需要，计算任意个分区组合不同时间段的目标气体挥发量以及挥发速度；步骤八、在检测了预定时间后，通过无人机2将定点动态检测器1依次回收。

全文数据：基于无人机的大范围气体动态检测装置及其检测方法技术领域本发明属于气体检测设备的技术领域，具体涉及基于无人机的大范围气体动态检测装置及其检测方法。背景技术针对某挥发物的目标气体挥发量的测量，传统方法是需要采集样本至检测容器中，这个过程容易导致样本附近的自然环境发生变化，导致样本目标气体挥发量与实际情况并不相符，在原地检测气体挥发量时，会使用到气体检测箱，其工作原理是将气体检测箱罩在目标物上，目标物挥发出的气体会充斥气体检测箱，气体检测箱内安装气体检测器，实时记录气体检测箱内目标气体含量的变化情况，较为精确，然而，原地检测在某些地形情况下，难以达成，以检测禽畜粪山上部的氨气挥发量为例，养殖场禽畜粪山时常占地数亩，中部位置难以接近，原地检测无从谈起。发明内容本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种无视地形，通过飞行的方式到达检测地点、可以进行大区域检测的多点气体动态检测的监控系统及其检测方法。为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：基于无人机的大范围气体动态检测装置，其中：包括若干个定点动态检测器、无人机和管理终端，无人机上至少安装有采集器、若干个距离传感器、无人机无线信号收发器和电源，距离传感器和无人机无线信号收发器均与采集器连接，距离传感器的检测镜头面向地面，管理终端包括中控装置、信息输入端以及显示端，无人机无线信号收发器与中控装置无线信号连接，中控装置能通过无人机无线信号收发器向距离传感器发出指令，使距离传感器对目标区域进行扫描，扫描信息经采集器汇总后发送至中控装置，中控装置根据信息绘出目标区域的地形模型；定点动态检测器包括环形底座和集气罩，环形底座为水平底座，中间具有底座通孔，底座通孔的横截面积为预定值，集气罩的内腔与环形底座的底座通孔一体连通，集气罩上开设有进气通道和出气通道，进气通道和出气通道分别位于集气罩相对的两侧，进气通道和出气通道均一端与外部连通，一端与集气罩内腔连通，进气通道上安装有进气气体检测器，出气通道上安装有出气气体检测器，集气罩的侧壁内还固定有检测器电源和内置无线信号收发模块的检测器控制器，检测器电源与进气气体检测器、出气气体检测器以及检测器控制器连接并为三者供电，检测器控制器与进气气体检测器以及出气气体检测器并能接收进气气体检测器、出气气体检测器的信号，并将该信号发送至管理终端，无人机下端设有可开合的抓爪，抓爪能抓在集气罩上，将定点动态检测器固定在无人机下方，定点动态检测器能盖合在检测点上，环形底座密封地压在将检测点四周的土壤上，底座通孔位于检测点上，检测点土壤挥发的气体完全进入集气罩中。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的无人机为升降式无人机，无人机上安装有飞行控制器和摄像头，管理终端与飞行控制器无线信号连接，飞行控制器与无人机的螺旋桨电机和尾翼连接，管理终端能向飞行控制器发出控制信息，使飞行控制器调节螺旋桨电机转速和尾翼方向，从而控制无人机的飞行方向和飞行高度。上述的距离传感器的数量为三个，这三个距离传感器均固定在无人机水平机架的下部。上述的距离传感器为激光扫描仪或超声波扫描仪。上述的飞行控制器、采集器以及检测器控制器均为为单片机，型号为STM32L系列。上述的管理终端为电脑。上述的集气罩为透明塑料板或透明玻璃板。上述的进气气体检测器以及出气气体检测器为氨气检测器。基于无人机的大范围气体动态检测装置的检测方法，包括以下步骤：步骤一、划定检测区域；步骤二、在检测区域附近定一标准点，以该标准点作为高度原点；步骤三、控制无人机起飞，在检测区域上空飞行，要求两个距离传感器能扫描到标准点，至少一个距离传感器向下正对着地面，并且能扫描到检测区域，距离传感器扫描的数据经采集器回传至管理终端，由于已知能扫描到标准点的两个距离传感器之间的距离，同时也获得了这两个距离传感器到标准点的距离，从而可以换算出距离传感器相对于标准点的高度，管理终端再根据扫描到检测区域的距离传感器的信息绘制出检测区域的地表三维模型；步骤四、在地表三维模型中，根据实际需要将地表三维模型分区，将检测区域切割为数个分区；每个分区中选定一个或几个检测点，要求监测点地面平整度便于放置定点动态检测器；步骤五、在无人机上搭载定点动态检测器，管理终端根据地表三维模型中的检测点坐标，控制无人机飞到坐标点处，将定点动态检测器放下；无人机返回搭载另一个定点动态检测器，管理终端控制无人机飞到另一个坐标点处，将定点动态检测器放下；直至所有坐标点都放下了定点动态检测器；步骤六、定点动态检测器盖在坐标点上，气体经过进气通道进入集气罩，经出气通道流出集气罩，进气气体检测器和出气气体检测器实时检测流经气体中目标气体含量，并将信息发送至管理终端；步骤七、管理终端将出气气体检测器检测到的目标气体含量减去进气气体检测器检测到的目标气体含量，即获得该时间点定点动态检测器内的目标气体挥发量；然后根据集气罩围成的面积土壤面积大小，换算出单位面积检测点处土壤的目标气体挥发量以及挥发速度，此外，管理终端还能以分区为单位换算成该分区的目标气体挥发量以及挥发速度；管理终端将检测到的目标气体含量以及挥发速度以分区为单位集成至地表三维模型中，每个分区可以单独点击查看该分区不同时间段的目标气体挥发量曲线以及挥发速度曲线；管理终端还能根据需要，计算任意个分区组合不同时间段的目标气体挥发量以及挥发速度；步骤八、在检测了预定时间后，通过无人机将定点动态检测器依次回收。本发明的基于无人机的大范围气体动态检测装置及其检测方法，具有以下优点：1、装备有无人机，可以到达人不易到达的地形，因此适用范围更广，非常适合地形复杂的检测场景。2、通过无人机和电脑的配合，绘制地形图，并设置分区，每个分区都设置了检测点，以分区为单位进行检测，有效挺高检测效率，防止检测点布设不均，提高检测精度。3、通过对检测区域进行多点同时检测，可以获取同一时间点，不同的检测点的目标气体挥发量，然后通过对数据进行换算，可以获得精度更高的检测值，相比于现有的单点检测，大大缩短了检测时间，同时还提高了检测精度。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是定点动态检测器的结构示意图；图3是无人机的俯视图；图4是无人机在检测区域检测的示意图。其中的附图标记为：定点动态检测器1、环形底座11、底座通孔11a、集气罩12、进气通道12a、出气通道12b、进气气体检测器13、出气气体检测器14、检测器电源15、检测器控制器16、无人机2、采集器21、距离传感器22、摄像头23、无人机无线信号收发器24、抓爪25、飞行控制器26、管理终端3、中控装置31、信息输入端32、显示端33。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。本发明的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其中：包括若干个定点动态检测器1、无人机2和管理终端3，无人机2上至少安装有采集器21、若干个距离传感器22、无人机无线信号收发器24和电源，距离传感器22和无人机无线信号收发器24均与采集器21连接，距离传感器22的检测镜头面向地面，管理终端3包括中控装置31、信息输入端32以及显示端33，无人机无线信号收发器24与中控装置31无线信号连接，中控装置31能通过无人机无线信号收发器24向距离传感器22发出指令，使距离传感器22对目标区域进行扫描，扫描信息经采集器21汇总后发送至中控装置31，中控装置31根据信息绘出目标区域的地形模型；定点动态检测器1包括环形底座11和集气罩12，环形底座11为水平底座，中间具有底座通孔11a，底座通孔11a的横截面积为预定值，集气罩12的内腔与环形底座11的底座通孔11a一体连通，集气罩12上开设有进气通道12a和出气通道12b，进气通道12a和出气通道12b分别位于集气罩12相对的两侧，进气通道12a和出气通道12b均一端与外部连通，一端与集气罩12内腔连通，进气通道12a上安装有进气气体检测器13，出气通道12b上安装有出气气体检测器14，集气罩12的侧壁内还固定有检测器电源15和内置无线信号收发模块的检测器控制器16，检测器电源15与进气气体检测器13、出气气体检测器14以及检测器控制器16连接并为三者供电，检测器控制器16与进气气体检测器13以及出气气体检测器14并能接收进气气体检测器13、出气气体检测器14的信号，并将该信号发送至管理终端3，无人机2下端设有可开合的抓爪25，抓爪25能抓在集气罩12上，将定点动态检测器1固定在无人机2下方，定点动态检测器2能盖合在检测点上，环形底座11密封地压在将检测点四周的土壤上，底座通孔11a位于检测点上，检测点土壤挥发的气体完全进入集气罩12中。实施例中，无人机2为升降式无人机，无人机2上安装有飞行控制器26和摄像头23，管理终端3与飞行控制器26无线信号连接，飞行控制器26与无人机的螺旋桨电机和尾翼连接，管理终端3能向飞行控制器26发出控制信息，使飞行控制器26调节螺旋桨电机转速和尾翼方向，从而控制无人机2的飞行方向和飞行高度。实施例中，距离传感器22的数量为三个，这三个距离传感器22均固定在无人机2水平机架的下部。实施例中，距离传感器22为激光扫描仪或超声波扫描仪。实施例中，飞行控制器26、采集器21以及检测器控制器16均为为单片机，型号为STM32L系列。实施例中，管理终端3为电脑。实施例中，集气罩12为透明塑料板或透明玻璃板。实施例中，进气气体检测器13以及出气气体检测器14为氨气检测器。基于无人机的大范围气体动态检测装置的检测方法，包括以下步骤：步骤一、划定检测区域；步骤二、在检测区域附近定一标准点，以该标准点作为高度原点；步骤三、控制无人机2起飞，在检测区域上空飞行，要求两个距离传感器22能扫描到标准点，至少一个距离传感器22向下正对着地面，并且能扫描到检测区域，距离传感器22扫描的数据经采集器21回传至管理终端3，由于已知能扫描到标准点的两个距离传感器22之间的距离，同时也获得了这两个距离传感器22到标准点的距离，从而可以换算出距离传感器22相对于标准点的高度，管理终端3再根据扫描到检测区域的距离传感器22的信息绘制出检测区域的地表三维模型；步骤四、在地表三维模型中，根据实际需要将地表三维模型分区，将检测区域切割为数个分区；每个分区中选定一个或几个检测点，要求监测点地面平整度便于放置定点动态检测器1；步骤五、在无人机2上搭载定点动态检测器1，管理终端3根据地表三维模型中的检测点坐标，控制无人机2飞到坐标点处，将定点动态检测器1放下；无人机2返回搭载另一个定点动态检测器1，管理终端3控制无人机2飞到另一个坐标点处，将定点动态检测器1放下；直至所有坐标点都放下了定点动态检测器1；步骤六、定点动态检测器1盖在坐标点上，气体经过进气通道12a进入集气罩12，经出气通道12b流出集气罩12，进气气体检测器13和出气气体检测器14实时检测流经气体中目标气体含量，并将信息发送至管理终端3；步骤七、管理终端3将出气气体检测器14检测到的目标气体含量减去进气气体检测器13检测到的目标气体含量，即获得该时间点定点动态检测器1内的目标气体挥发量；然后根据集气罩12围成的面积土壤面积大小，换算出单位面积检测点处土壤的目标气体挥发量以及挥发速度，此外，管理终端3还能以分区为单位换算成该分区的目标气体挥发量以及挥发速度；管理终端3将检测到的目标气体含量以及挥发速度以分区为单位集成至地表三维模型中，每个分区可以单独点击查看该分区不同时间段的目标气体挥发量曲线以及挥发速度曲线；管理终端3还能根据需要，计算任意个分区组合不同时间段的目标气体挥发量以及挥发速度；步骤八、在检测了预定时间后，通过无人机2将定点动态检测器1依次回收。本发明非常适合用于养殖场禽畜粪山的氨气挥发量检测，这种地形人迹不易到达，而氨气又是雾霾产生的重要因素，氨气的产生有很大一部分是养殖场禽畜排泄物挥发出来的，因此，对养殖场禽畜粪山的氨气挥发量检测是处理雾霾的重要一环，因此，对养殖场禽畜粪山的氨气挥发量检测是非常有必要的。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：包括若干个定点动态检测器1、无人机2和管理终端3，所述的无人机2上至少安装有采集器21、若干个距离传感器22、无人机无线信号收发器24和电源，所述的距离传感器22和无人机无线信号收发器24均与采集器21连接，所述的距离传感器22的检测镜头面向地面，所述的管理终端3包括中控装置31、信息输入端32以及显示端33，所述的无人机无线信号收发器24与中控装置31无线信号连接，所述的中控装置31能通过无人机无线信号收发器24向距离传感器22发出指令，使距离传感器22对目标区域进行扫描，扫描信息经采集器21汇总后发送至中控装置31，所述的中控装置31根据信息绘出目标区域的地形模型；所述的定点动态检测器1包括环形底座11和集气罩12，所述的环形底座11为水平底座，中间具有底座通孔11a，所述的底座通孔11a的横截面积为预定值，所述的集气罩12的内腔与环形底座11的底座通孔11a一体连通，所述的集气罩12上开设有进气通道12a和出气通道12b，所述的进气通道12a和出气通道12b分别位于集气罩12相对的两侧，进气通道12a和出气通道12b均一端与外部连通，一端与集气罩12内腔连通，所述的进气通道12a上安装有进气气体检测器13，出气通道12b上安装有出气气体检测器14，所述的集气罩12的侧壁内还固定有检测器电源15和内置无线信号收发模块的检测器控制器16，所述的检测器电源15与进气气体检测器13、出气气体检测器14以及检测器控制器16连接并为三者供电，所述的检测器控制器16与进气气体检测器13以及出气气体检测器14并能接收进气气体检测器13、出气气体检测器14的信号，并将该信号发送至管理终端3，所述的无人机2下端设有可开合的抓爪25，所述的抓爪25能抓在集气罩12上，将定点动态检测器1固定在无人机2下方，所述的定点动态检测器2能盖合在检测点上，环形底座11密封地压在将检测点四周的土壤上，底座通孔11a位于检测点上，检测点土壤挥发的气体完全进入集气罩12中。2.根据权利要求1所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：所述的无人机2为升降式无人机，无人机2上安装有飞行控制器26和摄像头23，所述的管理终端3与飞行控制器26无线信号连接，所述的飞行控制器26与无人机的螺旋桨电机和尾翼连接，管理终端3能向飞行控制器26发出控制信息，使飞行控制器26调节螺旋桨电机转速和尾翼方向，从而控制无人机2的飞行方向和飞行高度。3.根据权利要求2所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：所述的距离传感器22的数量为三个，这三个距离传感器22均固定在无人机2水平机架的下部。4.根据权利要求3所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：所述的距离传感器22为激光扫描仪或超声波扫描仪。5.根据权利要求4所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：所述的飞行控制器26、采集器21以及检测器控制器16均为为单片机，型号为STM32L系列。6.根据权利要求5所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：所述的管理终端3为电脑。7.根据权利要求6所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：所述的集气罩12为透明塑料板或透明玻璃板。8.根据权利要求7所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置，其特征是：所述的进气气体检测器13以及出气气体检测器14为氨气检测器。9.如权利要求3所述的基于无人机的大范围气体动态检测装置的检测方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一、划定检测区域；步骤二、在检测区域附近定一标准点，以该标准点作为高度原点；步骤三、控制无人机2起飞，在检测区域上空飞行，要求两个距离传感器22能扫描到标准点，至少一个距离传感器22向下正对着地面，并且能扫描到检测区域，所述的距离传感器22扫描的数据经采集器21回传至管理终端3，由于已知能扫描到标准点的两个距离传感器22之间的距离，同时也获得了这两个距离传感器22到标准点的距离，从而可以换算出距离传感器22相对于标准点的高度，管理终端3再根据扫描到检测区域的距离传感器22的信息绘制出检测区域的地表三维模型；步骤四、在地表三维模型中，根据实际需要将地表三维模型分区，将检测区域切割为数个分区；每个分区中选定一个或几个检测点，要求监测点地面平整度便于放置定点动态检测器1；步骤五、在无人机2上搭载定点动态检测器1，管理终端3根据地表三维模型中的检测点坐标，控制无人机2飞到坐标点处，将定点动态检测器1放下；无人机2返回搭载另一个定点动态检测器1，管理终端3控制无人机2飞到另一个坐标点处，将定点动态检测器1放下；直至所有坐标点都放下了定点动态检测器1；步骤六、定点动态检测器1盖在坐标点上，气体经过进气通道12a进入集气罩12，经出气通道12b流出集气罩12，进气气体检测器13和出气气体检测器14实时检测流经气体中目标气体含量，并将信息发送至管理终端3；步骤七、管理终端3将出气气体检测器14检测到的目标气体含量减去进气气体检测器13检测到的目标气体含量，即获得该时间点定点动态检测器1内的目标气体挥发量；然后根据集气罩12围成的面积土壤面积大小，换算出单位面积检测点处土壤的目标气体挥发量以及挥发速度，此外，管理终端3还能以分区为单位换算成该分区的目标气体挥发量以及挥发速度；管理终端3将检测到的目标气体含量以及挥发速度以分区为单位集成至地表三维模型中，每个分区可以单独点击查看该分区不同时间段的目标气体挥发量曲线以及挥发速度曲线；管理终端3还能根据需要，计算任意个分区组合不同时间段的目标气体挥发量以及挥发速度；步骤八、在检测了预定时间后，通过无人机2将定点动态检测器1依次回收。

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