基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统

技术领域

本发明涉及大气环境监测科学领域，尤其涉及一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统。

背景技术

臭氧是近地面大气中的一种重要空气污染物，较高的臭氧浓度水平不仅能够严重威胁到人们的身心健康安全，还会导致农作物的大面积减产和加快建筑材料的老化速度。此外，臭氧还是一种重要的温室气体。截止目前，全国各个城市已经建立了比较完善的大气环境质量监测网络，能够及时获取不同地区近地面大气中臭氧浓度，为臭氧污染防控措施的制定与实施提供了必要的实测数据支撑。

近地面大气中的臭氧分子主要来源于局地光化学反应，同时也受到不同类型臭氧外部输送过程的显著影响。因此，当研究区域近地面大气中臭氧污染过程的主要形成机制时，仅仅依靠地面环境监测站点的观测资料还远远不够，需要同时获取对流层底部大气中臭氧浓度的垂直分布结构及其发展演变规律数据。臭氧浓度的垂直观测数据有助于分析大气边界层内臭氧分子的外部来源，确定研究区域内臭氧污染的主要外部输送通道，进而有助于分析近地面大气中典型臭氧污染过程的主要形成机制。

近年来，民用无人机技术和产业的快速发展为对流层底部大气中空气污染过程的研究提供了新的垂直观测手段。小型化主动式空气污染物监测设备的发展也为无人机大气环境监测平台的使用与发展奠定了坚实的技术基础。与传统的系留气球、探空气球、臭氧激光雷达和有人驾驶飞机等垂直观测平台相比，无人机垂直观测平台的机动灵活性较高，能够在复杂地形环境下完成对流层底部大气中臭氧的垂直观测任务，并且具有更低的运营和维护成本。

以往的无人机大气环境监测平台主要使用被动式臭氧传感器，即将微型电化学臭氧传感器安装在无人机上面，被动地获取环境大气中不同高度处臭氧浓度。但是，被动式电化学臭氧传感器的响应时间一般较长，并且观测数据的精度普遍较差，很难满足对流层底部大气中臭氧垂直分布的相关研究需求。针对这一问题，小型化主动式臭氧监测设备被引入，其采用与传统大型设备相同的测量原理，能够快速准确地获取环境大气中的臭氧浓度值，具有较高的采样精度和可靠性。但是，随之而来的一个挑战是在对流层底部大气中，气象参数(比如温度、湿度和风向风速等)在垂直方向上的波动较大，会造成臭氧监测设备的测量结果的显著偏差。因此，当小型化主动式臭氧监测设备在无人机大气环境监测平台上使用时，非常关键的一点在于需要针对无人机平台的运行特性设计相应的垂直观测系统，以保证臭氧垂直观测数据的质量。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，解决被动式采样的低精度、慢响应问题，同时结合无人机灵活部署的优势，应对垂直观测的数据质量控制挑战，可以实现对流层底部大气中(0-1500m)臭氧浓度数据的高精度采集与可视化分析。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，包括一主动式大气臭氧检测系统、一多旋翼无人机和一地面控制基站，所述主动式大气臭氧检测系统安装于所述多旋翼无人机上并与所述地面控制基站通信连接。

优选地，所述主动式大气臭氧检测系统包括一进气采样装置、一气体干燥装置、一设备搭载单元、一无人机控制单元、一信息处理单元和一第一数据传输单元；所述进气采样装置和所述气体干燥装置安装于所述多旋翼无人机的上部；所述设备搭载单元、所述无人机控制单元、所述信息处理单元和所述第一数据传输单元安装于所述多旋翼无人机的下部；所述进气采样装置通过所述气体干燥装置连接所述设备搭载单元；所述设备搭载单元、所述第一数据传输单元和所述无人机控制单元连接所述信息处理单元；所述第一数据传输单元与所述地面控制基站通信连接。

优选地，所述地面控制基站包括一笔记本计算机和一第二数据传输单元，所述笔记本计算机通过所述第二数据传输单元与所述主动式大气臭氧检测系统通信连接；所述笔记本计算机安装有飞行控制软件和数据可视化软件。

优选地，所述进气采样装置包括一进气导管和一导管支架，所述进气导管通过所述导管支架垂直固定于所述多旋翼无人机的机身上部；所述进气导管的管口朝上设置。

优选地，所述进气导管采用具有聚全氟乙丙烯内衬的聚乙烯导管；所述导管支架采用碳纤维材料支架。

优选地，所述气体干燥装置包括一除湿管和一除湿管保护壳；所述除湿管采用全氟磺酸材料气体导管，所述除湿管安装于所述除湿管保护壳内部并连接所述进气采样装置。

优选地，所述设备搭载单元包括一恒温设备箱和一主动式大气臭氧检测设备；所述设备搭载单元通过固定螺栓与所述多旋翼无人机的底部的支架相连；所述主动式大气臭氧检测设备安装于所述恒温设备箱内；所述恒温设备箱包括加热单元、温度传感器和绝热材料正方形箱体；所述恒温设备箱预留一进气采样口和一出气口，所述进气导管通过所述进气采样口进入所述恒温设备箱与所述主动式大气臭氧检测设备连接；所述主动式大气臭氧检测设备的排气口连接所述出气口；所述主动式大气臭氧检测设备还连接所述信息处理单元。

优选地，所述主动式大气臭氧检测设备采用基于紫外光吸收原理的便携式臭氧检测仪；所述主动式大气臭氧检测设备内置有一气体流量泵，所述气体流量泵连接于所述主动式大气臭氧检测设备的采样口与排气口之间；所述主动式大气臭氧检测设备包括一存储设备。

优选地，所述第一数据传输单元和所述第二数据传输单元采用无线数据传输电台。

优选地，所述多旋翼无人机采用使用锂电池驱动的多旋翼无人驾驶飞行器，所述多旋翼无人驾驶飞行器采用四旋翼无人机或六旋翼无人机；所述多旋翼无人机的有效载重大于等于2.5kg；有效续航时间大于等于30分钟。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明的基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，其主动式大气臭氧检测系统能够主动获取高时空分辨率、高精度的臭氧体积浓度；地面控制基站能够实现与完成地面对无人机平台的各种操控，并将无人机平台运行参数以及获取的各种大气参数进行可视化显示。本发明一方面可以灵活部署在兴趣区域快速准确地获取对流层底部大气中(0-1500m)臭氧浓度的垂直分布数据，另一方面针对无人机垂直观测平台的特点，发展的包括进气处理、除湿处理以及保温处理技术为高精度的廓线数据质量提供了有效保证。根据臭氧浓度的垂直分布廓线可以进一步分析研究区域内典型大气臭氧污染过程的主要形成机制，以及近地面大气中的光化学反应特征和臭氧分子的主要外部输送通道。此外，基于本系统获取的大气臭氧垂直观测数据，还可以对其他大气臭氧垂直观测平台和空气质量模式进行校准与评价，提高其他大气臭氧垂直观测(研究)手段获取数据的稳定性与可靠性，为区域大气臭氧污染防控措施的制定提供理论和实践支撑。

附图说明

图1为本发明实施例的基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1，本发明实施例的一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，包括一主动式大气臭氧检测系统1、一多旋翼无人机2和一地面控制基站3，主动式大气臭氧检测系统1安装于多旋翼无人机2上并与地面控制基站3通信连接。

主动式大气臭氧检测系统1是一种能够主动获取环境大气中的空气样本，并能够检测空气样本中臭氧体积浓度的臭氧检测系统，同时包括了为保证数据的可靠性而专门针对无人机平台设计的进气装置、除湿装置与保温装置。多旋翼无人机2是利用电池驱动的多旋翼(四旋翼或六旋翼)无人驾驶飞行器，能够作为垂直观测平台搭载主动式大气臭氧检测系统1，并且按照预先设计的垂直观测方案完成相应的垂直观测任务。地面控制基站3为一套地面控制系统，主要负责完成地面工作人员对多旋翼无人机2的控制和对主动式大气臭氧检测系统1观测数据的预分析。

本实施例的，多旋翼无人机2采用使用锂电池驱动的多旋翼无人驾驶飞行器，多旋翼无人驾驶飞行器采用四旋翼无人机或六旋翼无人机；多旋翼无人机2的有效载重大于等于2.5kg；有效续航时间大于等于30分钟。

主动式大气臭氧检测系统1包括一进气采样装置11、一气体干燥装置12、一设备搭载单元13、一无人机控制单元14、一信息处理单元15和一第一数据传输单元16；进气采样装置11和气体干燥装置12安装于多旋翼无人机2的上部；设备搭载单元13、无人机控制单元14、信息处理单元15和第一数据传输单元16安装于多旋翼无人机2的下部；进气采样装置11通过气体干燥装置12连接设备搭载单元13；设备搭载单元13、第一数据传输单元16和无人机控制单元14连接信息处理单元15；第一数据传输单元16与地面控制基站3通信连接。

本实施例中，进气采样装置11包括一进气导管111和一导管支架112，进气导管111通过导管支架112垂直固定于多旋翼无人机2的机身上部，防止进气导管111在多旋翼无人机2飞行过程中脱落；进气导管111的管口朝上设置，与多旋翼无人机2机身垂直，与多旋翼无人机2的垂直飞行方向一致，在多旋翼无人机2飞行过程中，进气导管111的管口朝上能够避免进气导管111管口的负压影响。

进气导管111采用具有聚全氟乙丙烯内衬的聚乙烯导管；导管支架112采用碳纤维材料支架。

进气采样装置11用于执行适配于多旋翼无人机2的进气处理操作，主要用于获取环境大气中的空气样本。

本实施例中，气体干燥装置12包括一除湿管121和一除湿管保护壳122；除湿管121采用全氟磺酸材料气体导管，除湿管121安装于除湿管保护壳122内部并连接进气采样装置11，利用管内外的湿度差原理将经过其内部的气体进行干燥处理。除湿管保护壳122是一种铝合金材料制成的中空圆柱体，安装在多旋翼无人机2上部，将除湿管121安装在除湿管保护壳122内部，防止外部尖锐物体刺破除湿管121，造成测量数据出现偏差。

气体干燥装置12用于执行适配于多旋翼无人机2的除湿处理操作，对所采集的空气样本进行干燥处理，将空气样本中的水汽含量降低到相应阈值以下，从而避免空气样本中水汽含量的变化对臭氧测量结果精度的影响。

本实施例中，设备搭载单元13包括一恒温设备箱131和一主动式大气臭氧检测设备132；设备搭载单元13通过固定螺栓与多旋翼无人机2的底部的支架相连，从而保证多旋翼无人机2的整体稳定性；主动式大气臭氧检测设备132安装于恒温设备箱131内；恒温设备箱131包括加热单元、温度传感器和绝热材料正方形箱体；恒温设备箱131预留一进气采样口和一出气口，进气导管111通过进气采样口进入恒温设备箱131与主动式大气臭氧检测设备132连接；主动式大气臭氧检测设备132的排气口连接出气口，通过预留出气口将主动式大气臭氧检测设备132的检测废气导出恒温设备箱131；主动式大气臭氧检测设备132还连接信息处理单元15。

主动式大气臭氧检测设备132采用基于紫外光吸收原理的便携式臭氧检测仪；主动式大气臭氧检测设备132内置有一气体流量泵，气体流量泵连接于主动式大气臭氧检测设备132的采样口与排气口之间，以一定的体积流量从环境大气中抽取空气样本，能够主动获取环境大气中的空气样本，完成空气样本中臭氧浓度的测量工作；主动式大气臭氧检测设备132包括一存储设备，主动式大气臭氧检测设备132具有数据存储和通信功能，能够将观测获取的大气臭氧测量数据存储在设备内部，并与信息处理单元15连接，将观测数据传输至信息处理单元15。此外，主动式大气臭氧检测设备132的工作原理为紫外光吸收原理，根据Beer-Lambert法则以及相应的气压和温度参数计算空气样本中臭氧分子的体积混合比。因此，主动式大气臭氧检测设备132观测数据对外部气压和温度数据的变化不敏感，能够获取稳定且可靠的臭氧浓度垂直观测数据。

设备搭载单元13将进气采样装置11和气体干燥装置12处理之后的空气样本进行检测，并将检测数据实时传送至信息处理单元15。恒温设备箱131用于执行适配于多旋翼无人机2的保温处理操作，将主动式大气臭氧检测设备132和温度传感器安置在其内部，并且能够按照要求调节其内部温度，使主动式大气臭氧检测设备132能够在一定的温度范围内正常工作，获取稳定可靠的大气臭氧垂直观测数据。

信息处理单元15安装在多旋翼无人机2机身下部，与无人机处理单元和数据传输单元相连接，多旋翼无人机2搭载的各个单元的记录数据实时传输至信息处理单元15。信息处理单元15将收集到的各个单元的数据进行集成处理之后，通过第一数据传输单元16发送给地面控制基站3。此外，信息处理单元15还负责协调地面控制基站3发送至多旋翼无人机2的各个操控指令，控制各个机载单元完成相应的任务指令。

无人机控制单元14安装在多旋翼无人机2的下部，主要负责完成多旋翼无人机2的各种飞行控制(比如改变无人机的飞行速度和进行悬停操作等)，并将多旋翼无人机2的各种飞行状态参数(如飞行高度、经纬度坐标、机头方位角、上升/下降速度、水平飞行速度、俯角、仰角和翻滚角等)实时传输至信息处理单元15。

第一数据传输单元16安装在多旋翼无人机2机身的下部，主要负责完成多旋翼无人机2与地面控制基站3之间的各种通信交流与数据传输功能。

本实施例中，地面控制基站3包括一笔记本计算机32和一第二数据传输单元31，笔记本计算机32通过第二数据传输单元31与主动式大气臭氧检测系统1通信连接；笔记本计算机32安装有飞行控制软件321和数据可视化软件322。

第一数据传输单元16和第二数据传输单元31采用无线数据传输电台，主要负责完成安装在多旋翼无人机2机身底部的信息处理单元15与地面控制基站3之间的数据传输任务。

地面控制基站3主要负责完成地面控制人员对多旋翼无人机2和主动式大气臭氧观测系统的监测与操控。第二数据传输单元31与笔记本计算机32连接，负责完成地面控制基站3与多旋翼无人机2之间的各种通信交流与控制。

飞行控制软件321安装在笔记本计算机32上面，地面工作人员通过飞行控制软件321完成对多旋翼无人机2的飞行控制，以及无人机航线的规划与设计，在多旋翼无人机2执行飞行任务期间还能够实时监测飞行状态信息。此外，通过飞行控制软件321可以完成无人机飞行航线的规划与设计(如航点规划、上升/下降速度和水平巡航速度设定等)，还可以在无人机执行飞行任务期间重新设定其飞行参数(如飞行路径重新规划和飞行速度重新设定等)。

数据可视化软件322安装在笔记本计算机32上面，按照提前设计好的算法对大气臭氧观测数据进行初步处理分析，并对观测结果在笔记本计算机32的终端显示器上面进行可视化显示与分析。此外，还根据数据可视化软件322的显示分析结果，实时调整多旋翼无人机2的垂直观测方案。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。