一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统的制作方法

1.本发明涉及对大气气溶胶数谱进行监测及数据处理。除此之外，技术领域还包括对监测系统的安全防护措施和无人机相对位姿获取的方法。


背景技术：

2.气溶胶数浓度是影响能见度、人体健康以及气候变化的重要参数，在地-气系统中扮演着重要的角色。基于气溶胶数谱的观测结果，可以进一步推算出颗粒物的浓度（如pm
2.5
、pm1）、散射和消光系数等重要参数。目前观测的气溶胶数浓度主要以地面观测为主，极少涉及垂直廓线的观测，因此极大限制了对大气污染物等的预报预警和合理决策。整合微型光学粒径谱探空仪、气温、气压等传感器于一体，利用无人机作为载体探测大气环境中气溶胶数谱的垂直廓线是目前的切实可行的方案。同时，为了防止高空探测作业出现意外情况，需要对飞机的飞行状态、仪器保护等进行协同监控和应急处理。


技术实现要素：

3.本发明提出一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统。此发明以工业无人机为载体，获取气溶胶数浓度谱和气压、气温数的垂直廓线，并对数据进行分析处理。同时，该系统还设置了内部和外部的两种安全保护措施，即通过速度传感器、角度传感器和气温气压传感器监测无人机的飞行状态，当出现异常事件时，系统内具有缓冲性质的填充材料可以减轻数谱观测仪的损害,同时,系统外置的安全气囊和降落伞也同步打开，最大限度保护仪器装置、降低附带财产损失。
4.本发明整合微型光学粒径谱探空仪、气温气压传感器于无人机平台，利用气压反算成海拔高度来标记无人机距离地面的高度，分析仪器在上升、下降过程中采样流量稳定性、气溶胶数浓度谱、粒径谱的垂直分布特征。
5.利用气温气压传感器算高度的经验算法：
[0006][0007]
式中为距离地面的高度（m），为标准气压，为观测的气压，单位均为hpa。
[0008]
本发明所采用的方案是：一种具有保护装置的无人机气溶胶数谱监测系统是由微型光学粒径谱探空仪、气温气压传感器等仪器密封在保护盒内。微型光学粒径谱探空仪质量比较重，处于保护盒的中心位置，防止重心偏移，保护盒在无人机平台顶部，气温气压传感器质量较轻，放置在微型光学粒径谱探空仪右侧，采样气体分别进入两个仪器进行数据检测。保护盒外四周表面镶嵌安全气囊系统，在无人机硬着陆时起到对仪器的缓冲作用，降低碰撞对仪器的损坏。此外，当角度传感器、速度传感器和气温气压传感器监测到无人机飞行状态出现异常，并判断有坠落风险时，无人机飞控系统自动切断螺旋桨供电，避免旋翼工作扰乱无人机坠落位置和切断降落伞牵引线。根据高度参数的变化自主决定在200米高度处打开降落伞，避免无人机及设备在高空丢失，同时尽量避免造成地面人员伤害和财产损
失。
[0009]
上述的一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统，整合微型光学粒径谱探空仪、气温气压传感器于无人机平台，利用气压和气温订正仪器观测的气溶胶数谱，同时反算成海拔高度来标记仪器距离地面的高度，分析仪器在上升、下降过程中采样流量稳定性、气溶胶数浓度、粒径谱的垂直分布特征。微型光学粒径谱探空仪、气温气压的数据采集器封装在保护盒内，内壁衬有缓冲性质的材料作为填充物。保护盒外四周表面镶嵌安全气囊系统，侧面配有降落伞，通过单片机监控飞行状态，以达到对观测系统的多重保护效果。在开展气溶胶数谱采样监测作业的同时，根据无人机运动的角度、速度和气压参数来决定是否打开安全气囊和降落伞，实时保护整个监测系统。
[0010]
上述的一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统，在无人机上升、下降过程中，分析仪器都可以采样分析数据，通过一次飞行两次采样的情况更能获得真实的数据和气溶胶数浓度谱、粒径谱的垂直分布特征。
[0011]
上述的一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统，所述的安全气囊系统是单气囊，此安全气囊的阀门是否打开由角度传感器、速度传感器监测无人机的飞行状态参数决定，气温气压传感器用以判断无人机当前所处高度，以决定何时打开无人机降落伞。
[0012]
上述的一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统，整个系统主要利用单片机去控制，类型为arm公司设计的stm32 f103单片机。
[0013]
上述的一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统，所述的保护盒是泡沫板材质的具有保护特性的外壳，可缓解碰撞的冲击，泡沫板厚度为0.8cm，保护盒长34cm，宽22cm，高22cm。
[0014]
上述的一种气溶胶数浓度谱的无人机监测系统，所述的填充物是具有缓冲特性的epe珍珠棉。它是一种抗震能力强的环保材料，具有柔软、轻巧、柔韧，能弯曲吸收和分散外部冲击力等性能，变形后响应率高，克服了普通泡沫塑料易碎、变形、回弹性差的缺点。
[0015]
本发明的有益效果是，可以监测不同位置、不同高度的气溶胶数谱并分析采集的数据。在高空作业的同时还能将探测系统的损害降到最低。
附图说明
[0016][0017]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
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图1为本发明系统外部结构示意图；
[0019]
图2为本发明系统外部结构俯视图；
[0020]
图3为本发明保护盒内部结构图
[0021]
图1中1.保护盒，2.安全气囊系统，3.无人机降落伞，4.速度传感器和角度传感器，5.单片机，6.采样孔，7.导线，8.无人机平台。
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图2中1.保护盒，2.安全气囊系统，3.无人机降落伞，4.速度传感器和角度传感器，5.单片机，6.采样孔，7.导线，8.无人机平台。
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图3中1.微型光学粒径谱探空仪，2.气体采样管，3.气温气压的数据采集器。
具体实施方式
[0024][0025]
【实施例1】
[0026]
此发明的工业无人机在设定的飞行速度范围内，以垂直的运动轨迹连续采样监测大气气溶胶的数浓度、粒径谱和高度等参数，并存储在数采内。通过分析这些数据，可以得到边界层内不同高度气溶胶数谱的垂直分布，提升环境污染和防治的能力。
[0027]
【实施例2】
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在“实施例1”的基础之上增加整套系统的安全防护措施。主要情况有两种：无人机的飞行状态由本发明中的速度传感器和角度传感器来监测。当无人机失控使飞行速度超过系统所规定的速度和角度阈值时，意味着坠落事件的发生。此时，速度传感器和角度传感器会发送相应的异常信号给中央监控系统，再执行相应的指令，完成
①
安全气囊系统的电子阀门打开、
②
气囊充气，
③
降落伞打开、
④
发送警报给地面的控制中心等程序，确保仪器和人员安全风险降到最低。此外，本发明放置在无人机的背面、无人机的动力系统在旋翼的下方。这种设计使整个无人机观测系统的重心下移，在发生坠落时保证动力装置先着陆，进一步减小对探测系统的损坏。