一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)，包括北斗/GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)，無線傳感器網(wǎng)無線連接3G網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)分別無線連接地面站和用戶，地面站無線連接無人機(jī)，北斗/GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)連接無人機(jī)。本實用新型的有益效果是在利用無人機(jī)投放節(jié)點的基礎(chǔ)上對監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行三維定位，在人員難以進(jìn)入的地區(qū)實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)的快速部署，實現(xiàn)對特殊山地等地形的監(jiān)測，同時還可以利用無人機(jī)攜帶的攝像頭對途經(jīng)區(qū)域進(jìn)行遙感信息的采集。
【專利說明】一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于環(huán)境監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面已有一些應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計實現(xiàn)的三層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測體系，實現(xiàn)了太湖藍(lán)藻預(yù)警平臺；黃山風(fēng)景區(qū)在智慧黃山景區(qū)“十二五”數(shù)字化規(guī)劃中，專門對物聯(lián)網(wǎng)在黃山風(fēng)景區(qū)的應(yīng)用作了詳細(xì)規(guī)劃。據(jù)報道，目前秦嶺生態(tài)保護(hù)建設(shè)規(guī)劃體系已逐步形成，下一步市秦嶺辦將積極著手建設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高環(huán)境監(jiān)測、管理的科學(xué)化水平。可以預(yù)見在今后的秦嶺生態(tài)保護(hù)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將得到深入應(yīng)用。要實現(xiàn)環(huán)境在線監(jiān)控就需要在點線面源的合適位置上安裝各種監(jiān)測節(jié)點，目前環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點的布置主要依靠人工方式進(jìn)行，秦嶺國家級生態(tài)功能保護(hù)區(qū)的總面積約為5.11萬平方公里，包括陜西境內(nèi)的秦嶺山區(qū)及腹地，整個保護(hù)區(qū)覆蓋面積廣闊，地形復(fù)雜，許多地區(qū)人員進(jìn)入困難，不可能完全依靠人工方式進(jìn)行節(jié)點布置。
[0003]無人機(jī)是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測中有三個方面的應(yīng)用:第一，利用無人機(jī)進(jìn)行低空遙感來感知環(huán)境變化。美國的綜合海洋觀測系統(tǒng)(IOOS)中，提出使用無人機(jī)對海岸的環(huán)境、有害物質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測?！?.12汶川地震”中，在地形復(fù)雜的山區(qū)，道路和通訊設(shè)施損壞，無法獲取災(zāi)情情況下，相關(guān)部門利用無人機(jī)攜帶光學(xué)傳感器，沿江河走向?qū)Φ卣鹚a(chǎn)生的山體滑坡、崩塌等地貌變化造成的堰塞湖和相關(guān)災(zāi)害進(jìn)行高分辨率、低空遙感的災(zāi)害信息獲取，為相關(guān)部門的抉擇提供了準(zhǔn)確的依據(jù)；第二，在無人機(jī)上直接安裝專門的傳感器來實現(xiàn)環(huán)境的感知。中科宇圖資源環(huán)境科學(xué)研究院利用無人機(jī)搭載氣體監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)對大氣環(huán)境的監(jiān)測；第三，利用無人機(jī)進(jìn)行測量設(shè)備的空投。
[0004]無人機(jī)完成監(jiān)測節(jié)點投放后需要解決節(jié)點三維定位問題，定位算法分為基于測距(Range-based)和非測距(Range-free)的定位算法?；跍y距的定位算法包括RSS1、T0A、TDOA和AOA ;質(zhì)心法、DV-Hop, Amorphous、APIT、凸規(guī)劃和MDS-MAP是目前較常見的非測距定位方法。以上定位算法多為基于二維平面，實際應(yīng)用時，由于山區(qū)、森林、湖泊等地形和環(huán)境的限制，傳感器節(jié)點必須部署在立體的空間中，傳統(tǒng)的二維定位顯然滿足不了，因此對三維空間節(jié)點定位算法的研究至關(guān)重要。COLA算法借助超級信標(biāo)節(jié)點將三維定位問題用二維空間的三邊測量法來解決，減少了計算復(fù)雜度，但是超級信標(biāo)節(jié)點的硬件要求高，并且在實際應(yīng)用中難于部署。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在提供一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將傳感器節(jié)點投放至指定區(qū)域，同時利用無人機(jī)作為移動錨節(jié)點完成對傳感器節(jié)點的定位，解決了對于復(fù)雜地形進(jìn)行傳感器節(jié)點布置和三維定位的問題，同時該系統(tǒng)還可進(jìn)行遙感信息的采集。[0006]本實用新型所采用的技術(shù)方案是包括北斗衛(wèi)星和無線傳感器網(wǎng)，無線傳感器網(wǎng)無線連接3G網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)分別無線連接地面站和用戶，地面站無線連接無人機(jī)，北斗衛(wèi)星連接無人機(jī)。
[0007]本實用新型的特點還在于無人機(jī)包括使用微處理器MCU，MCU分別連接北斗模塊、慣性導(dǎo)航器件、數(shù)傳電臺、投放裝置、伺服系統(tǒng)和定位裝置，定位裝置無線連接所述無線傳感器網(wǎng)的監(jiān)測節(jié)點，衛(wèi)星定位模塊無線連接北斗模塊，數(shù)傳電臺無線連接地面站，無人機(jī)上還配有攝像頭，攝像頭通過無線視頻傳輸設(shè)備無線連接所述地面站。投放裝置包括固定銷，固定銷在支架內(nèi)做平行移動，支架連接連桿，連桿連接曲軸。
[0008]本實用新型的有益效果是在利用無人機(jī)投放節(jié)點的基礎(chǔ)上對監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行三維定位，在人員難以進(jìn)入的地區(qū)實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)的快速部署，實現(xiàn)對復(fù)雜地形的環(huán)境監(jiān)測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本實用新型一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點無人機(jī)部署和定位系統(tǒng)應(yīng)用不意圖；
[0010]圖2是環(huán)境監(jiān)測節(jié)點無人機(jī)部署和定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0011]圖3是系統(tǒng)節(jié)點投放裝置示意圖；
[0012]圖4是四邊測量法示意圖。
[0013]圖中，1.北斗衛(wèi)星，2.無線傳感器網(wǎng)，3.3G網(wǎng)絡(luò)，4.地面站，5.用戶，6.無人機(jī)，
7.固定銷，8.支架，9.連桿，10.曲軸。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0015]如圖1所示，包括北斗衛(wèi)星I和無線傳感器網(wǎng)2，無線傳感器網(wǎng)2無線連接3G網(wǎng)絡(luò)3，3G網(wǎng)絡(luò)3分別無線連接地面站4和用戶5，地面站4無線連接無人機(jī)6，北斗衛(wèi)星I連接無人機(jī)6，也可采用GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS衛(wèi)星無線連接無人機(jī)6，均可以實現(xiàn)定位。如圖2所示，無人機(jī)6搭載的主要設(shè)備包括使用微處理器MCU，MCU連接北斗模塊，也可連接GPS模塊實現(xiàn)衛(wèi)星定位功能、MCU還連接慣性導(dǎo)航器件、數(shù)傳電臺、投放裝置、伺服系統(tǒng)和定位裝置，定位裝置無線連接無線傳感器網(wǎng)2的監(jiān)測節(jié)點，衛(wèi)星定位模塊無線連接所述北斗衛(wèi)星1，數(shù)傳電臺無線連接地面站4，無人機(jī)6上還配有攝像頭，攝像頭通過無線視頻傳輸設(shè)備無線連接所述地面站4。如圖3所示，投放裝置包括固定銷7，固定銷7在支架8內(nèi)做平行移動，支架8連接連桿9，連桿9連接曲軸10。
[0016]系統(tǒng)主要由無人機(jī)6和地面站4構(gòu)成，該系統(tǒng)在整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示，無人機(jī)6先通過導(dǎo)航飛至監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域，投下傳感器節(jié)點，而后以無人機(jī)自身作為錨節(jié)點對所部署的傳感器節(jié)點進(jìn)行定位，地面站4負(fù)責(zé)對無人機(jī)6下達(dá)各種任務(wù)，跟蹤監(jiān)視無人機(jī)6的動作情況，獲得各種信息參數(shù)(包括無人機(jī)6的飛行數(shù)據(jù)，完成定位后的無線傳感器節(jié)點的位置信息，實時的遙感圖像等)。傳感器節(jié)點部署完成后，可組成無線傳感網(wǎng)2，即WSN網(wǎng)，通過3G網(wǎng)絡(luò)3、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星進(jìn)行接入供用戶使用，從而實現(xiàn)對所部署區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測任務(wù)。
[0017]系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，由無人機(jī)6、地面站4、北斗衛(wèi)星I的定位系統(tǒng)及無線傳感網(wǎng)2的監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)構(gòu)成。無人機(jī)6平臺包括固定翼無人機(jī)和/或無人直升機(jī)，無人機(jī)6上搭載相應(yīng)的機(jī)械和電子設(shè)備來執(zhí)行任務(wù)，采用高性能微處理器作為系統(tǒng)MCU，北斗/GPS模塊和慣性導(dǎo)航器件負(fù)責(zé)提供無人機(jī)導(dǎo)航需要的相關(guān)信息，伺服系統(tǒng)完成無人機(jī)的飛行姿態(tài)控制，投放裝置完成環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的投放，定位裝置同傳感器節(jié)點進(jìn)行通信實現(xiàn)所布置節(jié)點的定位，攝像頭采集實時圖像通過無線視頻傳輸設(shè)備供地面站使用。
[0018]地面站4能夠接收到無人機(jī)6傳來的視頻信號，同時通過數(shù)傳電臺同無人機(jī)6進(jìn)行雙向通信，及時獲取相關(guān)信息和發(fā)布命令，無線通信范圍可達(dá)數(shù)公里，當(dāng)無線聯(lián)絡(luò)失效時，還可以利用北斗衛(wèi)星I的北斗系統(tǒng)提供的雙向短信報文功能完成無人機(jī)6和地面站4的通信。地面站4系統(tǒng)采用VC++編寫應(yīng)用程序，主線程負(fù)責(zé)顯示人機(jī)界面和信息，子線程負(fù)責(zé)完成數(shù)傳電臺的通信。系統(tǒng)電子導(dǎo)航地圖采用MapInfo組件開發(fā)。
[0019]投放裝置采用電動脫鉤器的方式設(shè)計，如圖3所示。固定銷7在支架8內(nèi)做平行移動，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動曲軸滑塊機(jī)構(gòu)動作，完成固定銷7的打開和閉鎖。被投放節(jié)點帶有起吊環(huán)，可通過固定銷7閉鎖后吊起，到達(dá)投放區(qū)域后，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)打開固定銷7完成投放過程。
[0020]傳感器節(jié)點的三維定位擬采用四邊測量法，其模型如圖4所示。假設(shè)4個錨節(jié)點的坐標(biāo)分別為 Aa (xa, ya, za), Ab (xb, yb, zb), Ac (xc, y。，zc)和 Ad (xd, yd, zd)。未知節(jié)點 0 的坐標(biāo)為(x，y，z)，該未知節(jié)點到各錨節(jié)點的測量距離分別為da，db，d。和dd，通過求解可以獲得未知節(jié)點的三維坐標(biāo)。
[0021]無人機(jī)對所部署節(jié)點進(jìn)行定位時，通過路徑規(guī)劃分別飛行至4個不同位置作為錨節(jié)點，錨節(jié)點的坐標(biāo)由北斗/GPS定位系統(tǒng)提供，在4個錨節(jié)點上采用異步的雙邊測距算法分別測出與未知節(jié)點的距離，計算出未知節(jié)點的三維坐標(biāo)。
[0022]本實用新型一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測中不但能夠完成環(huán)境參數(shù)的測量、空中遙感，最主要是完成無線傳感節(jié)點的部署同時完成了無線節(jié)點的三維定位，為人員不易到達(dá)區(qū)域的采集節(jié)點的布置提供一種快速有效的解決方案。實現(xiàn)了一機(jī)多用。提高了環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)急響應(yīng)能力。
【權(quán)利要求】
1.一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)，其特征在于:包括北斗衛(wèi)星(I)和無線傳感器網(wǎng)(2)，無線傳感器網(wǎng)(2)無線連接3G網(wǎng)絡(luò)(3)，3G網(wǎng)絡(luò)(3)分別無線連接地面站⑷和用戶(5)，地面站(4)無線連接無人機(jī)(6)，北斗衛(wèi)星(I)連接無人機(jī)(6)。
2.按照權(quán)利要求1所述一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)，其特征在于:所述無人機(jī)(6)包括使用微處理器MCU，MCU分別連接衛(wèi)星定位模塊、慣性導(dǎo)航器件、數(shù)傳電臺、投放裝置、伺服系統(tǒng)和定位裝置，定位裝置無線連接所述無線傳感器網(wǎng)(2)的監(jiān)測節(jié)點，衛(wèi)星定位模塊無線連接所述北斗衛(wèi)星(I)，數(shù)傳電臺無線連接地面站(4)，無人機(jī)(6)上還配有攝像頭，攝像頭通過無線視頻傳輸設(shè)備無線連接所述地面站(4)。
3.按照 權(quán)利要求1所述一種多功能環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)系統(tǒng)，其特征在于:所述投放裝置包括固定銷(7)，固定銷(7)在支架⑶內(nèi)做平行移動，支架⑶連接連桿(9)，連桿(9)連接曲軸(10)。
【文檔編號】G01S19/48GK203745655SQ201420061201
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月11日
【發(fā)明者】李國柱 申請人:西安文理學(xué)院