CN106557091A - 基于无人机集群的空气质量监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机集群的空气质量监测***及方法，***包括总控服务器、无人机集群和若干个现场控制装置，每个无人机与一个现场控制装置相连，所有现场控制装置均通过无线网络与总控服务器相连，每个监测点设置一个现场控制装置和一个无人机，无人机上安装有空气质量传感器；所有无人机在总控服务器的控制下垂直上升或垂直下降，并且同时起飞和同时下降。本发明采用无人机集群对各监测点空气质量数据进行监测，能够提供各时间点上各监测点的空气质量数据，获取数据更加完整和全面；无人机集群仅垂直上升和垂直下降，且所有无人机同时上升和同时下降，不许进行编队控制，控制简单；本发明对无人机的控制无需人工干预，智能化程度高。

Description

基于无人机集群的空气质量监测***及方法

技术领域

本发明涉及空气质量监测领域，具体地，涉及一种基于无人机集群的空气质量监测***及方法。

背景技术

随着科技的日益发展，人民生活水平的不断增强，人类对自身生存环境和生活质量的要求也不断的提高，尤其是更加关心环境污染、空气污染等问题。

随着无人机技术的发展，无人机由于自身优良的性能被广泛应用于遥感探测、搭载救援物资设备等。随着大气污染被广泛重视，无人机也常用于空气监测时。

由于采用但现有技术中使用无人机监测时通常采用一个无人机依次飞到各个监测点进行循环监测，这种方式无法获取各时间点在各个监测点的空气质量数据，无法为空气质量数据分析提供完善的数据支撑。而采用多个无人机时，需要对无人机的飞行进行编队控制，控制复杂。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于无人机集群的空气质量监测***及方法，该基于无人机集群的空气质量监测***及方法采用无人机集群对各监测点空气质量数据进行监测，能够提供各时间点上各监测点的空气质量数据，获取数据更加完整和全面，而且无人机控制简单。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

基于无人机集群的空气质量监测***，包括总控服务器、无人机集群和若干个现场控制装置，无人机集群中的每个无人机与一个现场控制装置相连，所有现场控制装置均通过无线网络与总控服务器相连，每个监测点设置一个现场控制装置和一个无人机，所述无人机上安装有空气质量传感器；所有无人机在总控服务器的控制下垂直上升或垂直下降，并且同时起飞和同时下降。本方案中，在每个监测点布置一个无人机，无人机该监测点垂直上升或下降读取空气质量数据，能够提供各时间点上各监测点不同高度的空气质量数据，理论上最大值可以做到全年7*24小时不间断飞行和检测空气质量，读取的数据更加完整和全面。由于无人机集群中的无人机仅垂直上升和垂直下降，且所有无人机同时上升和同时下降，无需进行编队控制，控制简单。

作为本发明的进一步改进，所述无人机包括：数据接收模块，用于读取空气质量传感器采集的空气质量数据；数据存储模块，用于存储数据接收模块读取的空气质量数据；第一通信模块，用于接收现场控制装置转发至的总控服务器的控制指令；第二通信模块，用于每次下降到地面时将数据存储模块中存储的空气质量数据传输给现场控制装置；微处理模块，用于根据第一通信模块接收的控制指令控制无人机的飞行并对数据接收模块、数据存储模块、第一通信模块、第二通信模块进行综合控制。

进一步，所述无人机还包括与微处理模块相连的计时模块，用于在无人机起飞时开始计时，微处理器模块根据计时模块的计时控制数据接收模块定时读取空气质量传感器采集的空气质量数据。本方案中，接收模块定时读取空气质量数据，以保证采集的数据更加完整且在时间上分布均匀，采集的数据利用价值更大。

进一步，所述现场控制装置包括第三通信模块、第四通信模块和微控制模块，微控制模块用于将第三通信模块发送至的空气质量数据进行协议转换后发送给第四通信模块，并对第三通信模块和第四通信模块进行综合控制；第三通信模块用于从无人机中读取空气质量数据；第四通信模块用于将第三通信模块读取的空气质量数据发送给总控服务器以及接收总控服务器发送的控制指令并将该控制指令转发给无人机。

进一步，所述总控服务器包括第五通信模块、监测数据处理模块、监测数据存储模块、无人机集群飞行控制模块，其中：第五通信模块，用于接收所有现场控制装置发送至的空气质量数据，并向所有现场控制装置发送控制指令；监测数据存储模块，用于对第五通信模块接收的空气质量数据进行存储；监测数据处理模块，用于对监测数据存储模块存储的空气质量数据进行处理；无人机集群飞行控制模块，用于形成对无人机的控制指令并将该控制指令通过第五通信模块发送。

进一步，上述基于无人机集群的空气质量监测***还包括若干个无线充电站，每个监测点设置一个无线充电站，所述无人机还包括无线充电模块，无人机到达地面时，无线充电站对无线充电模块进行充电。

基于无人机集群的空气质量监测方法，包括以下步骤：

S1、总控服务器发射控制指令控制所有无人机同时起飞，无人机垂直上升；

S2、当无人机高度上升到指定高度时开始垂直下降；

S3、无人机回到地面时将读取到的空气质量数据发送给总控服务器；

在步骤S1和步骤S2中，无人机在上升和下降的过程中每飞行指定时间读取一次空气质量传感器采集的空气质量数据。

进一步，在步骤S1之前还包括无人机集群部署步骤：确定监测点，在每个监测点布置一个无人机和现场控制装置。本方法中，将监控区域设置多个监测点，在每个监测点设置一个无人机对空气质量数据进行监测，能够提供各时间点上各监测点的空气质量数据，获取数据更加完整和全面；无人机集群中的无人机仅垂直上升和垂直下降，且所有无人机同时上升和同时下降，不许进行编队控制，控制简单；无人机的控制无需人工干预，全程无人值守，智能化程度高。

优选的，所述指定时间为5s，所述指定高度为500m-800m。

进一步，步骤S3中无人机回到地面时还对无人机进行自动充电。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明在监测区域设置多个监测点，采用无人机集群对各监测点空气质量数据进行监测，能够提供各时间点上各监测点的空气质量数据，理论上最大值可以做到365天7*24小时不间断飞行和检测空气质量，获取数据更加完整和全面；

2、本发明中无人机集群中的无人机仅垂直上升和垂直下降，且所有无人机同时上升和同时下降，不许进行编队控制，控制简单；

3、本发明对无人机的控制无需人工干预，全程无人值守，智能化程度高。

附图说明

图1是本发明的一种具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，基于无人机集群的空气质量监测***，包括总控服务器、布置在监测区域内各监测点的无人机集群和若干个现场控制装置，所述无人机集群包括若干个无人机，每个无人机上均安装有空气质量传感器，空气质量传感器用于采集所处位置的空气质量数据，一般吊装在无人机外，无人机在上升和下降的过程中按照一定的时间间隔（指定时间）读取空气质量传感器采集的空气质量数据。

在布置无人机集群时，根据需要监测的区域设置监测点，例如将检测区域分为边长为5000米的矩形栅格状小区域，每个小区域中心设置一个监测点。

每个监测点设置一个现场控制装置和一个无人机，现场控制装置安装在地面，每个监测点的无人机与位于同一监测点的现场控制装置通过无线网络相连，所有现场控制装置均通过无线网络与总控服务器相连，便于无人机通过现场控制装置向总控服务器传输读取的空气质量数据和接收总控服务器的控制指令；所有无人机在总控服务器的控制下垂直上升或垂直下降，并且同时起飞和同时下降。

所述无人机包括：

数据接收模块，用于读取空气质量传感器采集的空气质量数据；

数据存储模块，用于存储数据接收模块读取的空气质量数据，存储时还在空气质量数据中加入读取时间；

第一通信模块，用于接收现场控制装置转发至的总控服务器的控制指令；

第二通信模块，用于每次下降到地面时将数据存储模块中存储的空气质量数据传输给与其位于同一监测点的现场控制装置；

计时模块，用于在无人机起飞时开始计时；

微处理模块，用于对数据接收模块、数据存储模块、第一通信模块、第二通信模块、计时模块进行综合控制，根据计时模块的计时控制数据接收模块定时读取空气质量传感器采集的空气质量数据，根据第一通信模块接收的控制指令控制无人机的飞行。

所述现场控制装置包括第三通信模块、第四通信模块、微控制模块，微控制模块还用于将第三通信模块发送至的空气质量数据进行协议转换后发送给第四通信模块，微控制模块用于对第三通信模块和第四通信模块进行综合控制；第三通信模块用于从与其位于同一监测点的无人机中读取空气质量数据，第四通信模块用于将第三通信模块读取的空气质量数据发送给总控服务器以及接收总控服务器发送的控制指令并将该控制指令转发给与其位于同一监测点的无人机。

所述总控服务器包括第五通信模块、监测数据处理模块、监测数据存储模块、无人机集群飞行控制模块、中央处理单元，其中：

第五通信模块，用于接收所有现场控制装置发送至的空气质量数据，并向所有现场控制装置发送控制指令；

监测数据存储模块，用于对第五通信模块接收的空气质量数据进行存储；

监测数据处理模块，用于对监测数据存储模块存储的空气质量数据进行处理，例如对数据进行分类、分析获得空气质量情况，监测数据处理模块对空气质量数据的处理采用现有技术中常用的空气质量分析处理方法即可，本实施例中不再赘述；

无人机集群飞行控制模块，用于形成对无人机的控制指令并将该控制指令通过第五通信模块发送，该控制指令主要包括无人机的起飞指令、下降指令等；

中央处理单元，用于对第五通信模块、监测数据接收模块、监测数据存储模块、无人机集群飞行控制模块进行综合控制。

本实施例中，所述数据接收模块可以采用串口、RS485接口等接口来读取空气质量传感器采集的空气质量数据。

所述第一通信模块、第四通信模块、第五通信模块采用无线电模块，使无人机、现场控制装置、总控服务器利用无线电业余频段发射数据，在现有通信网络的基础上实现无线通信，并不影响无线电正常频段的使用。所述第二通信模块和第三通信模块采用蓝牙模块，使得无人机与现场控制装置通过蓝牙传输空气质量数据。所述空气质量传感器采用夏普GP2Y10检测模块，微处理模块和微控制模块可采用FPGA、CPLD、DSP、CPU等处理器实现，中央处理单元采用一般服务器使用的CPU。上述微控制模块还用于将第三通信模块发送至的空气质量数据进行协议转换后发送给第四通信模块，微控制模块主要是进行通信协议匹配，本实施例中主要是将第三通信模块接收的蓝牙数据转换为适用于第四通信模块传输的无线电传输协议，该转换是通信领域常用技术，本实施例中不再赘述其实现方法。上述数据存储模块在空气质量数据中加入读取时间为现有技术中常用的加时间戳的方法，本实施例也不赘述。

基于无人机集群的空气质量监测方法，包括以下步骤：

S1、总控服务器发射控制指令控制所有无人机同时起飞，无人机垂直上升，此时各无人机的计时模块开始计时；

S2、当无人机高度上升到指定高度时开始垂直下降，该指定高度优选为500m-800m；本步骤中无人机的下降可以由总控服务器发射控制指令控制，也可以不经由总控服务器控制而由无人机自身的微处理模块控制；

S3、无人机回到地面时将读取到的空气质量数据发送给总控服务器，并对无人机进行无线充电；

在步骤S1和步骤S2中，无人机每飞行指定时间空气质量数据无人机在上升和下降的过程中根据计时模块的计时情况，每飞行指定时间读取一次空气质量传感器采集的空气质量数据。

本实施例中，以指定时间为5s，指定高度为800m为例，总控服务器控制无人机开始上升时无人机的计时模块开始计时，无人机垂直上升，无人机每飞行5S进行一次空气质量数据读取，当无人机高度上升到800m时，无人机开始垂直下降。无人机的高度确定可以采用GPS定位后由总控服务器分析获取无人机高度，也可以由总控服务器或微处理模块根据无人机的飞行速度和飞行时间计算。本实施例中，无人机每升空5秒进行一次空气质量数据的读取和记录，假定无人机的速度使得无人机10分钟完成一次上升和下降，则每个无人机10分钟内读取120个数据样本；这些数据根据其读取时间可以计算得出其采集位置。

本实施例数据传输的流向为：

（1）空气质量数据：空气质量传感器采集的空气质量数据发送给无人机，无人机的数据接收模块读取后将空气质量数据存储到数据存储模块中，数据存储模块在存储空气质量数据时还向空气质量数据中加入读取时间（之后传递的空气质量数据中都含有各空气质量数据的采集时间），无人机下降到地面时通过第二通信模块将数据存储模块存储的空气质量数据发送给现场控制装置，现场控制装置的第三通信模块接收到空气质量数据后发送给微控制模块，微控制模块将采用蓝牙协议的空气质量数据进行解析并重新封装成支持无线电传输协议的数据包，并通过第四通信模块发送给总控服务器；总控服务器的第五通信模块接收到空气质量数据后存储到监测数据存储模块中。

（2）总控服务器的控制指令：总控服务器的无人机集群飞行控制模块生成无人机的控制指令后交由第五通信模块通过无线网络发送给现场控制装置，现场控制装置的第四通信模块接收到控制指令后转发给无人机；无人机的第一通信模块接收到控制指令后发送给微处理模块，微处理模块根据该控制指令控制无人机的飞行。

本发明采用无人机集群对各监测点空气质量数据进行监测，能够提供各时间点上各监测点不同高度的空气质量数据，理论上最大值可以做到365天7*24小时不间断飞行和检测空气质量，采集的数据更加完整和全面。

本发明中无人机集群仅垂直上升和垂直下降，且所有无人机同时上升和同时下降，无需进行编队控制，控制简单；且无人机的控制无需人工干预，无人机返航后直接蓝牙传出数据，整个过程无需人工干预，全程无人值守，智能化程度高。

该方法在实际应用中，在步骤S1之前还包括无人机集群部署步骤：根据需要监测的区域设置监测点，将检测区域分为一定边长例如5000米的矩形栅格状小区域，每个小区域中心设置一个监测点，在每个监测点布置一个无人机和现场控制装置。实际应用中，上述每个小区域的大小根据实际监测需要确定，不限于5000m*5000m的矩形区域。上述指定时间也可以根据实际监测需要确定，不限于5s。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中还对基于无人机集群的空气质量监测***进行以下改进：每个监测点地面上还设置有一个对无人机进行充电的无线充电站，所述无人机还包括与微处理模块相连的无线充电模块。所述无人机的数据接收模块还可以进一步包括信号调理模块，信号调理模块对用于接收空气质量传感器发送至的空气质量数据，并进行接收、放大、滤波、数模转换等处理，无人机的微处理器模块根据计时模块的计时控制在指定时间读取一次空气质量数据时，也可以不用控制数据接收模块的接收，而是控制数模转换时的采样率实现，例如每5s进行一次采样也就实现了每5s读取一次空气质量数据，控制更加方便；无线充电模块主要支持无人机回到地面时无线充电站对无人机进行无线充电。

此外，基于无人机集群的空气质量监测方法的步骤S3中，无人机回到地面时还对无人机进行自动充电。

本实施例中，增设无线充电站，无人机还包括自动充电模块，便于及时对无人机进行自动充电，补充能源，该充电过程不需要人为控制，整个充电过程为全自动无人值守充电过程。因此整个无人机集群的起飞、下降、数据读取、充电、数据传输、无人机集群控制都不需要人参与，全程自动控制，实现整个无人机群全自动无人值守控制。无人机的自动充电模块和无线充电站可采用现有技术的自动充电模块和无线充电站，本实施例中不再赘述。

本发明的应用范围非常广阔，还可以进一步扩展应用于以下方面：

一、辅助消防指挥

在无人机上安装化学传感器、风速风向传感器等用于火灾应急，这种情况下可以高空监测有毒有害气体种类、高空监测风速风向，给地面指挥提供可靠信息。

二、人群流量监控

在无人机上加装航拍装置，使其具有航拍功能，在辖区人群密集度和速度突然变化时触发自动起飞监控，进行公共区域人群流量控制，预警踩踏等治安事件。

三、业内元器件评测

该***中，无人机将成为国内起降最频繁的飞行器，可以对无人机关键元器件进行寿命检测，全称记录待测元器件的参数，提供电机等关键部件生命周期参数集，填补国内空白。

四、灾害应急

用于救灾、救援、勘测，例如无人机加装图像传感器，由地震自动触发起飞，定高读取震区图像。

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。

Claims (10)

1.基于无人机集群的空气质量监测***，其特征在于，包括总控服务器、无人机集群和若干个现场控制装置，无人机集群中的每个无人机与一个现场控制装置相连，所有现场控制装置均通过无线网络与总控服务器相连，每个监测点设置一个现场控制装置和一个无人机，所述无人机上安装有空气质量传感器；所有无人机在总控服务器的控制下垂直上升或垂直下降，并且同时起飞和同时下降。

2.根据权利要求1所述的基于无人机集群的空气质量监测***，其特征在于，所述无人机包括：

数据接收模块，用于读取空气质量传感器采集的空气质量数据；

数据存储模块，用于存储数据接收模块读取的空气质量数据；

第一通信模块，用于接收现场控制装置转发至的总控服务器的控制指令；

第二通信模块，用于每次下降到地面时将数据存储模块中存储的空气质量数据传输给现场控制装置；

微处理模块，用于根据第一通信模块接收的控制指令控制无人机的飞行并对数据接收模块、数据存储模块、第一通信模块、第二通信模块进行综合控制。

3.根据权利要求2所述的基于无人机集群的空气质量监测***，其特征在于，所述无人机还包括与微处理模块相连的计时模块，用于在无人机起飞时开始计时，微处理器模块根据计时模块的计时控制数据接收模块定时读取空气质量传感器采集的空气质量数据。

4.根据权利要求1至3任一所述的基于无人机集群的空气质量监测***，其特征在于，所述现场控制装置包括第三通信模块、第四通信模块和微控制模块，微控制模块用于将第三通信模块发送至的空气质量数据进行协议转换后发送给第四通信模块，并对第三通信模块和第四通信模块进行综合控制；第三通信模块用于从无人机中读取空气质量数据；第四通信模块用于将第三通信模块读取的空气质量数据发送给总控服务器以及接收总控服务器发送的控制指令并将该控制指令转发给无人机。

5.根据权利要求1至3任一所述的基于无人机集群的空气质量监测***，其特征在于，所述总控服务器包括第五通信模块、监测数据处理模块、监测数据存储模块、无人机集群飞行控制模块，其中：

第五通信模块，用于接收所有现场控制装置发送至的空气质量数据，并向所有现场控制装置发送控制指令；

监测数据存储模块，用于对第五通信模块接收的空气质量数据进行存储；

监测数据处理模块，用于对监测数据存储模块存储的空气质量数据进行处理；

无人机集群飞行控制模块，用于形成对无人机的控制指令并将该控制指令通过第五通信模块发送。

6.根据权利要求1至3任一所述的基于无人机集群的空气质量监测***，其特征在于，还包括若干个无线充电站，每个监测点设置一个无线充电站，所述无人机还包括无线充电模块。

7.基于无人机集群的空气质量监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、总控服务器发射控制指令控制所有无人机同时起飞，无人机垂直上升；

S2、当无人机高度上升到指定高度时开始垂直下降；

S3、无人机回到地面时将读取到的空气质量数据发送给总控服务器；

在步骤S1和步骤S2中，无人机在上升和下降的过程中每飞行指定时间读取一次空气质量传感器采集的空气质量数据。

8.根据权利要求7所述的基于无人机集群的空气质量监测方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括无人机集群部署步骤：确定监测点，在每个监测点布置一个无人机和现场控制装置。

9.根据权利要求7所述的基于无人机集群的空气质量监测方法，其特征在于，所述指定时间为5s，所述指定高度为500m-800m。

10.根据权利要求7所述的基于无人机集群的空气质量监测方法，其特征在于，步骤S3中无人机回到地面时还对无人机进行自动充电。