关键词:
土壤重金属污染
无人机
XRF探测仪
嵌入式开发
快速检测
摘要:
土壤是人类生存发展最重要的物质基础,经济社会的快速发展也带来了全球化的土壤污染问题,特别是土壤重金属污染已经严重威胁到粮食食品安全。土壤重金属污染检测的化学分析与仪器分析方法存在检测成本高、周期长且容易产生二次污染等不可避免的缺点,在实际应用中存在一定的限制,因此快速便捷化的土壤重金属污染检测方式具有巨大的现实需求。利用XRF(X射线荧光)光谱分析元素含量是一种应用广泛的新型分析技术,XRF技术具有便捷、迅速、不破坏样品属性、结果稳定可靠等显著优点,而且该技术能够同时分析检测多种元素,但是当前商业便携式XRF分析仪需要手动操作,难以快速完成对较大范围区域内整体污染状况的检测评估工作。无人机(UAV)技术近年来得到了高速的发展,因灵活机动、成本低、受地形约束小等特点,其应用领域正在被不断扩展。本研究针对较大范围区域内土壤重金属污染快速检测的问题,将XRF技术和无人机技术结合,充分发挥两者各自的技术优势,综合嵌入式开发、计算机软件、电子信息等技术方法,进行无人机机载土壤重金属污染快速检测系统关键技术研究,主要研究内容包括:(1)基于无人机、便携式XRF分析仪、树莓派4B、压力传感器、测距传感器、电动推杆和直流推拉式电磁铁等硬件设备,研制系统定高模块和触地监测模块,辅助无人机实现安全精确的定点悬停;研制数据采集的驱动装置从而替代手动控制,实现XRF数据自动采集;(2)使用树莓派4B并结合线性最小二乘法拟合的数据反演方法,在近地面使用便携式XRF分析仪采集数据后,进行土壤内特定重金属元素含量反演处理的算法研究实现,使得便携式XRF分析仪能够在一定距离下自动准确检测土壤内重金属含量;(3)在上述研究内容的基础上,完成无人机协同控制与自动飞行的关键算法设计与实现,实现飞行任务规划与任务队列构建、飞行高度及速度自动控制等功能。本研究最后将实现的软硬件模块进行有机统一和优化集成,得到一套无人机机载XRF土壤重金属污染快速检测软硬件设备系统,以便最终实现区域化、快速化、便捷化的土壤重金属污染检测,为当前土壤重金属污染检测实际应用中遇到的问题提供新的解决方案。