一种环境污染自动寻源方法技术

本发明专利技术公开了一种环境污染自动寻源方法，属于自动控制轨迹跟踪技术领域。本发明专利技术通过在无人机端搭载检测模块、高精度定位模块和无线通信模块，从而实现对污染物的超视距监控；同时，结合MATLAB软件对无人机采集的数据进行分析处理，通过污染物浓度公式计算出各点污染物的浓度大小，并分析污染物扩散路径，结合浓度梯度信息，对无人机的飞行轨迹进行控制，从而确定污染源的位置信息并反馈，完成自动寻源过程，机动性强，检测范围广，而且不受场地限制。

An automatic source seeking method for environmental pollution

【技术实现步骤摘要】
一种环境污染自动寻源方法
本专利技术属于自动控制轨迹跟踪
，更具体地说，涉及一种环境污染自动寻源方法。
技术介绍
近年来，随着人们对环境质量的关注度越来越高，为了进一步改善我国的空气质量，很多空气污染监测装置也陆续登上市场。其中，扬尘监测、PM2.5监测等各种监测系统已经比较成熟，该种监测设备大多是通过采用相关检测污染物的传感器实现对污染物浓度的监测，然后反馈相关监测数据，并对数据进行处理，最终实现对空气污染的监测。但是，由于气体污染物不断从污染源中释放后，在风力的作用下会向周围扩散，同时，污染物浓度会受到气体自身的物理特性、地形地貌、建筑物等因素的影响，从而呈现间歇、浓度递减状态分布。然而现有的大气污染监测点位置固定，对于突发事件导致的污染源，很难准确定位其具体的位置。同时，现在的环境污染具有区域范围大、区域间污染物传输量大、污染源种类多、污染因子相对复杂等特点，环境监管难度非常大。此外，由于成本原因及监测的数据和分析系统的大小问题，现有的检测系统无法搭载多个监测器，使得传统的监测装置虽然能够监测大气环境的污染物浓度，但每次只能对一种污染物进行监测，效果显得比较单一。经检索，中国专利申请号为：201710315977.6，申请日为：2017年05月08日，专利技术创造名称为：一种无人机排查污染源的方法及污染源排查系统。该申请案公开了一种无风状态下无人机排查污染源的方法，包括以下步骤：(1)无人机升空后，按正六边形飞行，在每个顶点处测量空气中污染气体的含量，根据6个顶点处的污染气体含量，判断污染源方向；(2)无人机朝污染源方向飞行一段距离后，继续按照正六边形飞行，并在每个顶点处测量空气中污染气体的含量，根据6个顶点处的污染气体含量，再次判断污染源方向；直至测量到污染气体含量最高点时，即为所述污染源位置。但是，该申请案中没有考虑风扰动的情况，且在高度上是在一个定点控制无人机垂直上下飞行进行污染气体浓度检测，检测准确性有待进一步提高。
技术实现思路
1.要解决的问题本专利技术的目的在于克服传统污染监测装置难以准确定位污染源的位置、且只能对一种污染物进行检测，效果较为单一的不足，提供了一种环境污染自动寻源方法。采用本专利技术的技术方案能够实现自动寻源循环过程，最终确切的找到污染源的位置；还可通过多种传感器的搭载实现多种污染物的同时检测。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术的一种环境污染自动寻源方法，包括如下步骤：步骤一：将主控模块、检测模块、定位模块和无线通信模块搭载到无人机平台；步骤二：控制无人机在区域内飞行并进行污染物监测，然后将所得数据经地面接收站传输至数据分析模块；步骤三：数据分析模块对数据进行处理，利用污染物浓度公式计算出区域内最大污染物的浓度并获取其位置坐标；步骤四：以步骤三中所得最大污染物浓度的位置坐标为参考点构建大气污染物时空变化立体模型，并控制无人机飞往该模型区域，完成一个自动寻源过程；步骤五：无人机在步骤四中所构建的模型区域内重复步骤二至步骤四操作，最终找出污染源。更进一步的，步骤二中，无人机进行区域飞行时，设定高度h后，先上升至1/3h的高度并以S型轨迹飞满所在平面，再上升至2/3h的高度以S型轨迹飞满所在平面，直至飞满整个区域，然后将测得的多个污染物浓度及位置坐标的数据经主控模块整合后，由无线通信模块发送回地面接收站；最后由地面接收站的无线通信模块接收后传输至主控模块处理，再由数据转化模块转换成USB数据传输至数据分析模块。更进一步的，无人机采用APM自动驾驶控制器；所述主控模块采用STM32芯片；所述无线通信模块采用NRF24L01无线模块，且其通过SPI引脚与主控模块相连。更进一步的，所述NRF24L01无线模块采用SPI通信；步骤二中，所述数据转化模块采用CP2102串口转化模块；所述数据分析模块采用PC端MATLAB软件。更进一步的，步骤三中，所述污染物浓度公式如下：C浓度＝a×10(-b+c×log(vol/vcc)其中，a、b、c均为系数值，vol为传感器测得的电压值，vcc为参考电压值。更进一步的，步骤三中，所述污染物浓度公式如下：其中，a、b、c、d均为系数值，vol为传感器测得的电压值。更进一步的，步骤四中，采用MATLAB软件对检测所得数据进行分析处理，建立时空变化立体模型；步骤五中，无人机飞往模型区域后，根据MATLAB软件上生成的3D空间气体分布图，利用污染物浓度梯度变化，控制无人机飞往浓度较大的区域内进行检测，快速找到污染源。更进一步的，所述检测模块和定位模块均通过引脚与主控模块相连；其中，所述检测模块包括气体传感器、激光粉尘传感器；所述定位模块包括GPS定位装置。3.有益效果相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术的一种环境污染自动寻源方法，通过在无人机端搭载检测模块、高精度定位模块和无线通信模块，实现污染物的超视距监控；同时，结合MATLAB软件对无人机采集的数据进行分析处理，通过污染物浓度公式计算出各点污染物的浓度大小，并分析污染物扩散路径，结合浓度梯度信息，对无人机的飞行轨迹进行控制，从而确定污染源的位置信息并反馈，完成自动寻源过程，机动性强，检测范围广，而且不受场地限制。(2)本专利技术的一种环境污染自动寻源方法，通过将无人机与检测模块相结合，并结合定位模块和数据处理模块，利用污染物浓度的梯度变化实现自动寻找污染源的功能，其应用范围较为广泛，不仅可以搭载在无人机监测大气污染并寻找到污染源的位置，实现自动寻源过程，也可以搭载在水下工具上，用于监测水体污染并准确找到相关污染所排放的污染源位置，实行监督并反馈，从而实现自动寻源过程，其应用领域和监测种类较为广泛。(3)本专利技术的一种环境污染自动寻源方法，一方面，将各种高精度检测传感器搭载在无人机平台，并且可根据实际检测需求对传感器的种类进行组合和更换，以便更好地用于不同环境的检测，尤其是用于高危环境下的污染精准检测。另一方面，通过对无人机飞行的轨迹和方式进行优化设计，尤其是在某个固定高度下，在该平面内以S型轨迹进行飞行，然后再上升一定高度后，继续在新的平面内以S型轨迹进行飞行，从而有利于确保在监测区域内采集的数据更齐全，进而能够精准定位污染源，较现有检测方法而言，准确性更高。(4)本专利技术的一种环境污染自动寻源方法，无人机通过实时监测和数据分析反馈控制，通过不断更换参考点建立大气污染物时空变化立体模型，实现对污染源的定位，与传统环境监测手段相比，该方法中使用的设备简单、成本低、且便于操作；且其适用性广，可应用于野外、城市、尤其是高危等各种不同的环境和场合。同时，使用该方法采集的数据准确、时空分辨率高，另外，通过三维可视化处理，能够直观显示污染物分布(水平分布、垂直分布)，有利于快速确定污染源，从而减少了寻找污染源的时间，从而迅速精准的找到污染源。(5)本专利技术的一种环境污染自动寻源方法，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环境污染自动寻源方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一：将主控模块、检测模块、定位模块和无线通信模块搭载到无人机平台；/n步骤二：控制无人机在区域内飞行并进行污染物监测，然后将所得数据经地面接收站传输至数据分析模块；/n步骤三：数据分析模块对数据进行处理，利用污染物浓度公式计算出区域内最大污染物的浓度并获取其位置坐标；/n步骤四：以步骤三中所得最大污染物浓度的位置坐标为参考点构建大气污染物时空变化立体模型，并控制无人机飞往该模型区域，完成一个自动寻源过程；/n步骤五：无人机在步骤四中所构建的模型区域内重复步骤二至步骤四操作，最终找出污染源。/n

【技术特征摘要】
1.一种环境污染自动寻源方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将主控模块、检测模块、定位模块和无线通信模块搭载到无人机平台；
步骤二：控制无人机在区域内飞行并进行污染物监测，然后将所得数据经地面接收站传输至数据分析模块；
步骤三：数据分析模块对数据进行处理，利用污染物浓度公式计算出区域内最大污染物的浓度并获取其位置坐标；
步骤四：以步骤三中所得最大污染物浓度的位置坐标为参考点构建大气污染物时空变化立体模型，并控制无人机飞往该模型区域，完成一个自动寻源过程；
步骤五：无人机在步骤四中所构建的模型区域内重复步骤二至步骤四操作，最终找出污染源。


2.根据权利要求1所述的一种环境污染自动寻源方法，其特征在于：步骤二中，无人机进行区域飞行时，设定高度h后，先上升至1/3h的高度并以S型轨迹飞满所在平面，再上升至2/3h的高度以S型轨迹飞满所在平面，直至飞满整个区域，然后将测得的多个污染物浓度及位置坐标的数据经主控模块整合后，由无线通信模块发送回地面接收站；最后由地面接收站的无线通信模块接收后传输至主控模块处理，再由数据转化模块转换成USB数据传输至数据分析模块。


3.根据权利要求2所述的一种环境污染自动寻源方法，其特征在于：无人机采用APM自动驾驶控制器；所述主控模块采用STM32芯片；所述无线通信模块采用NRF24L01无线模块，且其通过SPI引脚与主控模块相连。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海金，袁凡，郁昌平，汪利胜，任浩，赵杰，胡梦姿，刘旭彪，傅民，朱子航，张金辉，钱靖，宿文志，毛钰，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34