存储器、大气采样控制方法、装置和设备与流程

1.本发明涉及大气污染物监测领域，特别涉及一种基于无人机的大气采样控制方法及控制装置。


背景技术：

2.当前大气污染问题严重，工业企业内各类大气污染物排放源的分析监测需求迫切，目前大部分还是采用现场采样后运回实验室进行离线分析的办法。但企业现场情况复杂，排放源多而分散，大气污染物在广阔空间内不均匀分布，部分排放口位置较高，人工难以到达或存在安全隐患，无法取得代表性样品用于离线分析。无人机的灵活性对于大气样品的采集可以提供很大帮助，因为其能不受限的快速到达地面以上一定高度内的任意位置。但无人机搭载的采样装置受到风速等气象条件影响，采样过程很难控制。
3.中国专利cn205280439u公开了一种大气采样装置，涉及大气检测技术领域，该现有技术的主要目的是提高对大气污染物浓度采集的便捷性。主要采用的技术方案为：大气采样装置，可安装在移动运载设备上对待检测空气进行采样，大气采样装置包括：气流罩、污染物过滤核心以及架设部。气流罩第一端具有进气口，气流罩第二端具有出气口,气流罩的内部具有分别连通进气口与出气口的采样空间。污染物过滤核心设置在采样空间内。架设部设置在气流罩上，用于将大气采样装置架设在移动运载设备上运动采样。该现有技术提供的大气采样装置，结构简单，重量较轻，能够被无人机携带至预定区域检测大气污染物，对特定危险区域的空气检测较为灵活。该方案为涉及采样装置的方案，是对硬件的改进，但方案的控制过程仍然较为简单粗糙，无法根据采样点的气相实时变化情况，调整采样位置和采样过程，无法保证采样结果的精确性。
4.因此，亟需一种大气采样控制方法及控制装置，既能根据采样计划进行常规采样，又能在风速等气相条件发生突变的情况下，实时调整采样位置和控制采样过程，使得采样结果更符合实际需求。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种大气采样控制方法及装置，在风速等气相条件变化较大的场合下，可实时调整采样位置和控制采样过程，使得采样结果更精确、更符合实际需求。
7.为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种大气采样控制方法，用于无人机的大气采样，包括如下步骤：建立一个或多个采样任务，确定采样点位、采样信息以及建立采样任务与采样设备的关联关系；在无人机飞抵预设的采样点位后，如果检测到采样点位的风速低于风速阈值时，采样设备在预设的采样点位依据预设的采样信息进行采样；如果检测到采样点位的风速高于风速阈值时，采样设备在预设的采样点位采样后，在
气流下游位置的第一预设距离处进行二次采样。
8.进一步，上述技术方案中，采样点位包括预设的水平经纬度以及垂直高度的定位位置。
9.进一步，上述技术方案中，采样信息包括但不限于：采样设备标识号、采样起始时间、采样结束时间以及采样任务状态等。
10.进一步，上述技术方案中，在检测到采样点位的风速高于风速阈值时，还包括风向检测步骤，风向检测步骤用于在实时判断风向后驱动无人机朝风向下游飞行第一预设距离后悬停。
11.进一步，上述技术方案中，预设的采样点位的采样控制可包括：以采样点位为圆心，以第二预设距离为半径在至少三个方向上进行多次采样。
12.进一步，上述技术方案中，预设的采样点位的采样控制还包括：记录采样容器电动阀门的打开和关闭时间信息；将记录的信息回传至地面控制系统，并将电动阀门的打开时间识别为采样开始时间、将电动阀门的关闭时间识别为采样结束时间；根据采样开始时间和结束时间的信息完整性显示采样状态。
13.进一步，上述技术方案中，二次采样的采样控制方式可与预设的采样点位的采样控制方式相同。
14.为实现上述目的，根据本发明的第二方面，本发明提供了一种大气采样控制装置，用于无人机的大气采样，包括：任务建立模块，用于建立一个或多个采样任务，确定采样点位、采样信息以及建立采样任务与采样设备的关联关系；风速判断模块，在无人机飞抵预设的采样点位后，将检测到的采样点位的实时风速与风速阈值进行比较：当检测到采样点位的风速低于风速阈值时，采样设备在预设的采样点位依据预设的采样信息进行采样；当检测到采样点位的风速高于风速阈值时，采样设备在预设的采样点位采样后，在气流下游位置的第一预设距离处进行二次采样。
15.进一步，上述技术方案中，该控制装置还可包括：风向检测模块，用于在采样点位的风速高于风速阈值时，进行风向检测，并将风向信息发送至无人机飞行控制器控制无人机朝风向下游飞行第一预设距离后悬停。
16.进一步，上述技术方案中，该控制装置还可包括采样控制模块，该采样控制模块又具体包括：多点执行子模块，用于控制以采样点位为圆心，以第二预设距离为半径在至少三个方向上进行多次采样；信息记录子模块，用于记录采样容器电动阀门的打开和关闭时间信息；信息识别子模块，用于将记录的信息回传至地面控制系统，并将电动阀门的打开时间识别为采样开始时间、将电动阀门的关闭时间识别为采样结束时间；状态显示子模块，根据采样开始时间和结束时间的信息完整性显示采样状态。
17.为实现上述目的，根据本发明的第三方面，本发明提供了一种存储器，包括指令集，指令集适于处理器执行如前述大气采样控制方法中的步骤。
18.为实现上述目的，根据本发明的第四方面，本发明提供了一种大气采样控制设备，包括总线、输入装置、输出装置、处理器和如前述的存储器； 总线用于连接存储器、输入装置、输出装置和处理器；输入装置和输出装置用于实现与用户的交互；处理器用于执行存储器中的指令集。
19.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）本发明在风力达到一定级别后，除在预设的采样点进行采样外，可在气流的下游位置的一定距离处进行二次采样，可有效保证后续的采样分析结果更为精确；2）本发明采用预设点位和预设点位临近的点位进行多频次采样，再通过后续计算得出预设点位的采样数据，在复杂的气流环境中可进一步提高采样和后续分析的精确度。
20.根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
21.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
22.图1为本发明大气采样控制方法实施例1的流程示意图；图2为本发明大气采样控制方法实施例2的流程示意图；图3为本发明实施例3大气采样控制装置的模块结构示意图；图4为本发明实施例5大气采样控制设备的结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
25.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
26.另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
27.本发明的大气采样是通过无人机机载的采样容器进行大气采样，特别适用于排放口位置较高，人工难以到达或存在安全隐患，无法取得代表性样品用于离线分析的采样环境。本发明涉及的无人机具备水平经纬度和竖直高度的定位功能，可以根据给定目标位置自动规划合理的飞行路径，具备一定的载重能力，可以搭载采样容器、采样控制模块以及供电模块飞至给定位置并悬停进行大气采样。
28.本发明涉及的采样容器与无人机连接，并可随时组装和拆分，组装后能保证飞行过程中两者相对位置固定不变。采样容器具体可以是容积不等的金属采样罐、塑料采样袋或含有吸附材料的金属采样管等。容器进口设有电动阀门，阀门的开启和闭合分别代表样
品采集的开始与结束。阀门前端连接有过滤器，主要去除大气样品中的颗粒物。阀门在采样过程中为电动控制，在采样结束从无人机上取下后，阀门可以手动开关以便取用样品。
29.本发明涉及的采样控制模块可通过无线方式与地面控制系统通讯，通过信号传输电缆与采样容器和无人机通讯。采样控制模块从地面控制系统中获取采样任务，包括但不限于采样位置、采样时长等，然后将采样位置信息发送给无人机，将采样时长信息发送给采样容器，采样中记录采样容器阀门打开和关闭的具体时间作为采样开始和结束的时间，记录无人机的实际空间位置信息，采样完成后将信息回传至地面控制系统。
30.本发明涉及的供电模块与无人机、采样控制模块、采样容器通过电缆连接，负责提供各模块运行所需电力，有充电接口可以连接市电进行充电。供电模块有电量监测功能，若剩余电量难以支持一次采样行动则会报警提示需要充电。
31.本发明涉及的地面控制系统具有数据传输、数据处理以及显示功能。数据处理功能主要是根据采样需要，编辑生成采样计划，并可将每个采样计划的全部信息记录并存储，便于后期选择查看历史采样计划的执行情况。
32.实施例1如图1所示，本发明的大气采样控制方法包括如下步骤：步骤s101，建立一个或多个采样任务，确定采样点位、采样信息以及建立所述采样任务与采样设备的关联关系。即提前采集需要进行采样分析的所有点位的位置信息，包括水平经纬度和竖直高度等，然后将点位名称和位置信息一一对应存储在地面控制系统中，在编辑采样计划时选择点位名称即自动调用详细位置信息。为采样设备分配唯一的识别码，扫描识别码可以获取采样设备编号及相关信息，通过扫描识别码并传入地面控制系统来实现采样设备与采样点位的任务关联，此时采样设备与地面控制系统完成时间同步。
33.步骤s102，在无人机飞抵预设的采样点位后，检测采样点位的实际风速并将实际风速与风速阈值进行比较。例如，风速阈值根据需要可以为10.8米/秒的强风级别。如果检测到采样点位的风速低于风速阈值时，执行步骤s103；如果检测到采样点位的风速高于风速阈值时，则执行步骤s104；步骤s103，采样设备在预设的采样点位（即建立采样任务时已经明确的坐标位置）依据预设的采样信息（即采样设备标识号、采样开始时间、采样结束时间等）进行采样；步骤s104，采样设备在完成既定的采样任务，即在预设的采样点位采样后，在气流的下游位置的第一预设距离处进行二次采样。该第一预设距离可以根据需要提前设定，假如风速阈值设置为10.8米/秒的强风级别时，该第一预设距离可以设置为3至5米。
34.由于高空的气流环境较为复杂，风速和风向在采样过程中可能会实时发生变化，因此在风速较大的情况下，仅在计划的采样点位进行采样会造成较大的误差。因此本发明实施例1在风力达到一定级别后，除在预设的采样点进行采样外，可在气流的下游位置的一定距离处进行二次采样，可有效保证后续的采样分析结果更为精确。
35.一般情况下，在采样点位均需要进行多频次的采样。本发明在预设的采样点位的采样和气流下游位置一定距离处进行二次采样均可采用如下的方式进行：即以采样点位为圆心，以第二预设距离为半径在至少三个方向上进行多次采样。例如：无人机飞抵预设的采样点位后，当实际风速低于风速阈值时，可仅在采样点位进行采样，无需进行二次采样。而仅在采样点位进行采样包括在原地采样后，再通过无人机巡航，以采样点位为圆心在东西
南北四个方向上分别运动至一个预设距离（例如1至3米的距离）后悬停，在这四个临近点位分别进行采样，在后续的采样分析中可通过将该五个点位的采样数据加权平均后计算该预设的采样点位的采样数据。在实际风速高于风速阈值的情况下进行的二次采样可同样采用上述方式进行。本发明采用预设点位和预设点位临近的点位进行多频次采样，在复杂的气流环境中可进一步提高采样和后续分析的精确度。
36.在每个具体点位执行采样的控制过程具体如下：无人机启动飞往采样点位，相应的采样任务的状态显示为正在采样。到达采样点位后，无人机悬停，采样容器的电动阀门打开，采样控制模块记录阀门打开的准确时间，到达设定采样时长后，电动阀门关闭，采样控制模块记录阀门关闭的准确时间。完成采样后，无人机携带采样设备飞回，采样控制模块将记录的信息回传至控制系统，包括将阀门打开的准确时间识别为采样开始时间、将阀门关闭的准确时间识别为采样结束时间，随后相应采样任务的状态显示为采样完成。如因各种因素，计划中的一条或多条采样任务未能按计划完成，则该条采样任务显示的状态为采样中断，整个采样计划的状态显示为未完成。在重新分配采样设备后，可以单独选中状态为采样中断的采样任务，再次运行该采样计划。直到一个采样计划中的所有采样任务的状态均为采样完成，则该计划的状态显示为运行完成。
37.实施例2如图2所示，本发明的大气采样控制方法的实施例2是在实施例1的基础上增加了风向检测步骤。即在判断采样点位的实际风速高于风速阈值时进行风向检测，可在实时判断风向后在无人机巡航系统的协助下驱动无人机朝风向下游飞行前述第一预设距离后悬停，悬停后进行二次采样。
38.实施例3如图3所示，本发明的大气采样控制装置用于无人机的大气采样，包括：任务建立模块10和风速判断模块20，任务建立模块10用于建立一个或多个采样任务，确定采样点位、采样信息以及建立采样任务与采样设备的关联关系；风速判断模块20可在无人机飞抵预设的采样点位后，将检测到的采样点位的实时风速与风速阈值进行比较：当检测到采样点位的风速低于风速阈值时，采样设备在预设的采样点位依据预设的采样信息进行采样；当检测到采样点位的风速高于风速阈值时，采样设备在预设的采样点位采样后，在气流下游位置的第一预设距离处进行二次采样。
39.进一步如图3所示，本发明的大气采样控制装置还可包括风向检测模块30。该风向检测模块30用于在采样点位的风速高于风速阈值时，进行风向检测，并将风向信息发送至无人机飞行控制器控制无人机朝风向下游飞行第一预设距离后悬停，悬停后进行二次采样。
40.进一步如图3所示，本发明的大气采样控制装置，还包括采样控制模块40，该采样控制模块40具体包括：多点执行子模块41、信息记录子模块42、信息识别子模块43以及状态显示子模块44。其中，多点执行子模块41用于控制以采样点位为圆心，以第二预设距离为半径在至少三个方向上进行多次采样；信息记录子模块42用于记录采样容器电动阀门的打开和关闭时间信息；信息识别子模块43用于将记录的信息回传至地面控制系统，并将电动阀门的打开时间识别为采样开始时间、将电动阀门的关闭时间识别为采样结束时间；状态显示子模块44可根据采样开始时间和结束时间等的信息完整性显示采样状态。
41.实施例4本实施例提供了一种存储器，该存储器可以是非暂态（非易失性）计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中大气采样控制方法的各个步骤，并实现相同的技术效果。
42.实施例5本实施例提供了一种大气采样控制设备，该设备所包括的存储器中，包括有相应的计算机程序产品，该计算机程序产品所包括程序指令被计算机执行时，可使所述计算机执行以上各个方面所述的大气采样控制方法，并实现相同的技术效果。
43.图4是本实施例作为电子设备的硬件结构示意图，如图4所示，该设备包括一个或多个处理器610以及存储器620。以一个处理器610为例。该设备还可以包括：输入装置630和输出装置640。
44.处理器610、存储器620、输入装置630和输出装置640可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。
45.存储器620作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块。处理器610通过运行存储在存储器620中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行电子设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的处理方法。
46.存储器620可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储数据等。此外，存储器620可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器620可选包括相对于处理器610远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
47.输入装置630可接收输入的数字或字符信息，以及产生信号输入。输出装置640可包括显示屏等显示设备。
48.所述一个或者多个模块存储在所述存储器620中，当被所述一个或者多个处理器610执行时，执行：本发明的大气采样控制方法。上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
49.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。