基于無人機的監(jiān)控裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及遠距離、大面積監(jiān)控【技術領域】，為實現(xiàn)低成本遠距離大面積監(jiān)控，為此，本發(fā)明采取的技術方案是，基于無人機的監(jiān)控裝置，包括：控制臺系統(tǒng)：用于規(guī)劃無人機飛行任務，對飛機飛行姿態(tài)、飛行航跡、有效載荷的操作與控制；通過光纖與基站交互通訊；無人機系統(tǒng)：主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)；用于按照控制臺系統(tǒng)的指令完成巡視監(jiān)控任務；基站系統(tǒng)：基站是無人機和控制臺傳遞信息的媒介，也為無人機提供停放、充電、保護；主要包括主控模塊，兩個通訊模塊，無人機保護模塊，電源模塊。本發(fā)明主要實現(xiàn)遠距離、大面積無人機監(jiān)控。
【專利說明】基于無人機的監(jiān)控裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及遠距離、大面積監(jiān)控【技術領域】；具體講，涉及基于無人機的監(jiān)控裝置。

【背景技術】
[0002]近年來，我國不斷加大對森林防火的投入，但森林防火還停留在運用衛(wèi)星進行資源普查和森林火場監(jiān)視的基礎層面，使用無人機系統(tǒng)對森林火情監(jiān)測也只停留在初始階段。目前無人機的應用技術，即根據(jù)森林防火的需要搭載相應的設備，比如高清CCD數(shù)碼相機、多光譜成像儀、紅外掃描儀等，具有成本低、能源消耗少的特點，尤其是具備多功能可重復使用等技術優(yōu)勢，減輕了人員風險，節(jié)約了人力、物力。近年來，無人機遙感技術不斷進步，并在多領域取得了突破性的發(fā)展。但目前我們國家還沒有完善的機制實現(xiàn)無人機對森林的長期監(jiān)控，只是人為遙控無人機對森林進行短暫的監(jiān)控。要想實現(xiàn)無人值守的無人機監(jiān)控機制，就要解決對無人機供電和對其保護的問題。
[0003]另外，無人機作為空中機器人，主要希望能獲得高分辨率、能描述物體集合形態(tài)的二位或三維圖像，但是高分辨率圖像數(shù)據(jù)量相當大，而且隨著地面分辨率提高，需要傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增長，數(shù)據(jù)碼數(shù)率也迅速增長，因此，在數(shù)據(jù)鏈路方面，要求通訊連路有更有效的傳輸方式。隨著無人機向更深更細層面發(fā)展，其占用的通信帶寬也越來越多，無人機的信息收集、傳回和接收處理要通過衛(wèi)星和地面基站來傳輸語音、數(shù)據(jù)和視頻要占用的特定的無線電頻率，需要強大的通信帶寬來支撐。但是無人機進行無線通訊時，信號功率低，無法遠距離傳輸，所以可以考慮設計一個提供大帶寬的裝置。


【發(fā)明內容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術的不足，實現(xiàn)低成本遠距離大面積監(jiān)控，為此，本發(fā)明采取的技術方案是，基于無人機的監(jiān)控裝置，包括:
[0005]控制臺系統(tǒng):用于規(guī)劃無人機飛行任務，對飛機飛行姿態(tài)、飛行航跡、有效載荷的操作與控制；通過光纖與基站交互通訊；
[0006]無人機系統(tǒng):主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)；用于按照控制臺系統(tǒng)的指令完成巡視監(jiān)控任務；
[0007]基站系統(tǒng):基站是無人機和控制臺傳遞信息的媒介，也為無人機提供停放、充電、保護；主要包括主控模塊，兩個通訊模塊，無人機保護模塊，電源模塊。
[0008]基站主控模塊:由無人機和控制臺傳來的信號，都經通訊模塊傳給主控模塊進行分析，再有下一步的動作。它還可以控制把基站系統(tǒng)和無人機的安全狀況定期報告給控制臺，使控制臺能夠及時了解到無人值守的基站系統(tǒng)的狀況；
[0009]基站通訊模塊:通訊模塊有兩個，分別是與無人機之間的通訊和與控制臺之間的通訊；
[0010]基站無人機保護模塊:采用光傳感器，把光傳感器內置在無人機停放的站臺處，當無人機降落或離開站臺時，會觸發(fā)光傳感器，通過控制開關實現(xiàn)防護罩的打開或閉合。
[0011]無人機采用直升機的形式，通過發(fā)射回收系統(tǒng)保證無人機順利的垂直升空以達到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務后，按規(guī)定航線飛回起降點下降高度完成自主開傘著陸；無人機底部安裝電磁共振線圈，加入到電源系統(tǒng)中，當無人機在停放點待命時，由地下的電磁共振線圈通過電磁感應原理完成基站對無人機的無線充電。
[0012]在基站設置有充電座，充電座上的電磁感應線圈會形成一個電磁場，這個磁場與另外一個連接在需要充電的設備上電磁感應線圈接觸后，就會向其輸送電力。
[0013]與已有技術相比，本發(fā)明的技術特點與效果:
[0014]本發(fā)明采用無人機和基站系統(tǒng)，解決了監(jiān)控系統(tǒng)在森林中布線造價成本較高并且施工難度較大等問題?；镜脑O立，為無人機提供停放、充電和保護的裝置，這樣不僅實現(xiàn)了無人機對森林隨時、長期的監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守，還充當中繼站的角色，接收和發(fā)射控制臺與無人機之間傳遞的信號，實時高效的傳遞視頻圖像信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1、本發(fā)明拓撲圖。
[0016]圖2、本發(fā)明示意圖。
[0017]圖3、本發(fā)明流程圖。

【具體實施方式】
[0018]目前無人機在森林監(jiān)控方面的機制還不完善，沒有形成系統(tǒng)的模式使無人機對森林進行無人值守的監(jiān)控；而且無人機傳輸視頻信息所要占用的信息帶寬要求越來越高，由于其功率有限，所以信號不能傳的足夠遠，無法到達控制臺，所以可以建立一個基站，這個基站可以有很寬的帶寬，通過光纖就可以把信號傳給控制臺。通過由無人機與基站通信，基站再與控制臺通信的方式，實現(xiàn)無人機對森林進行長期無人值守的監(jiān)控。整個系統(tǒng)包括控制臺系統(tǒng)、基站系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)三大部分。其中基站系統(tǒng)又包括主控模塊，兩個通訊模塊，無人機保護模塊，電源模塊。其中基站的兩個通訊模塊，分別是基站與控制臺的通訊和基站與無人機的通訊。這兩個通訊頻段不同，基站與控制臺的通訊采用有線的方式，基站與無人機的通訊采用無線的形式。當控制臺發(fā)射控制信號時，通過有線接收，到達基站中與控制臺的通訊模塊，經主控模塊分析，傳給與無人機的通訊模塊，最后由天線把信號發(fā)送給無人機。無人機向控制臺反饋信息則用同樣的方式。因為是無人值守，基站和無人機還可以定時向總部發(fā)送安全信息。對于基站的供電很重要，主要采取有線供電的方式，基站中還要有電池，由專人定期更換，太陽能發(fā)電只是起補充的作用。
[0019]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0020]控制臺系統(tǒng):首先是任務規(guī)劃功能，任務規(guī)劃功能的復雜程度取決于任務的復雜程度。其次是在任務執(zhí)行過程中，對飛機飛行姿態(tài)、飛行航跡、有效載荷的操作與控制。對他們控制的好壞程度決定了任務的最終結果。對這些單元的控制是通過專用的器件完成的，通過使用這些專業(yè)器件再結合數(shù)據(jù)鏈路、飛行控制程序等，最終實現(xiàn)對飛行姿態(tài)、飛行航跡、有效載荷的操作和控制。最后是導航和目標定位功能。傳統(tǒng)的慣性導航結合先進的GPS導航技術成為了無人機系統(tǒng)導航的主流導航技術。目標定位是為了順利完成任務而必須由地面控制站完成的一項功能。另外，要接光纖到基站，通過光纖與基站交互通訊。
[0021]無人機系統(tǒng):傳統(tǒng)無人機主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。在此，我們的無人機可以采用直升機的形式，通過發(fā)射回收系統(tǒng)保證無人機順利的垂直升空以達到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務后，按規(guī)定航線飛回起降點下降高度完成自主開傘著陸；另外我們要在飛機底部安裝電磁共振線圈，加入到電源系統(tǒng)中，當無人機在停放點待命時，由地下的電磁共振線圈通過電磁感應原理完成基站對無人機的無線充電。
[0022]基站系統(tǒng):可以選取森林幾個最優(yōu)點，分別建立基站。這個基站是無人機和控制臺傳遞信息的媒介，也為無人機提供停放、充電、保護的功能。主要包括主控模塊，兩個通訊模塊，無人機保護模塊，電源模塊。
[0023]主控模塊:主控模塊就像基站系統(tǒng)的大腦，起分析控制的作用。由無人機和控制臺傳來的信號，都經通訊模塊傳給主控模塊進行分析，再有下一步的動作。它還可以控制把基站系統(tǒng)和無人機的安全狀況定期報告給控制臺，使控制臺能夠及時了解到無人值守的基站系統(tǒng)的狀況。
[0024]通訊模塊:通訊模塊有兩個，分別是與無人機之間的通訊和與控制臺之間的通訊，這兩個通訊頻段不同。當無人機發(fā)射采集的視頻信號時，因為無人機傳輸功率有限，這就導致傳輸距離有限，所以先經由天線通過無線的形式傳給基站的無線通訊模塊，再傳給主控模塊，經分析后傳給有線通訊模塊，通過光纖有線傳給控制臺來接收。由控制臺發(fā)射控制信號給無人機也是經過這樣的過程。
[0025]無人機保護模塊:因為是無人值守的系統(tǒng)，所以要考慮平時對無人機的保護。這里我們使用光傳感器，把光傳感器內置在無人機停放的站臺處，當無人機降落或離開站臺時，會觸發(fā)光傳感器，通過控制開關實現(xiàn)防護罩的打開或閉合。
[0026]電源模塊:由于是無人值守的系統(tǒng)，所以首先要保證基站和無人機的供電問題。對于基站，主要是通過周邊村落對基站進行有線供電，還要在基站上安裝電池，由人定期更新，這樣可以應對突發(fā)狀況。還可以在基站上安裝太陽能電池，起補充作用。對于無人機的供電，可以采取無線的形式，通過基站對無人機進行無線充電。無線充電原理是，充電座上的電磁感應線圈會形成一個電磁場，這個磁場與另外一個電磁感應線圈接觸后(這個線圈一般連接在需要充電的設備上)，就會向其輸送電力。我們采用了兩個能夠實現(xiàn)共振的銅線圈，一團線圈放在無人機停放點的地下，由基站來供電，另一團在無人機底部。當傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經過電磁場擴散到接受方，電力就實現(xiàn)了無線傳導。利用電磁感應現(xiàn)象，加上共振的原理，能夠提升無線充電的效率。與充電站、充電粧的建設投資相比成本較低，并且免去了接線所需的操作和等待的時間，具有布置靈活、使用便利、安全可靠等絕對優(yōu)勢。我們可以從基站底部接出電纜，電纜安在地下，伸到無人機停放點的地下，接電磁共振線圈，由于無人機底部也安裝有電磁共振線圈，利用電磁感應原理，每當無人機在停放點待命時，基站即對無人機進行無線充電。
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】進一步詳細說明本發(fā)明。
[0028]由I拓撲圖可知，整個系統(tǒng)是由控制臺系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)和基站系統(tǒng)三大部分組成，其中基站可以有多個，這樣，無人機可以就近降落。無人機和控制臺信號的傳輸只能通過基站系統(tǒng)。
[0029]圖2整個示意圖，基站系統(tǒng)由2主控模塊，3、4兩個通訊模塊，10無人機保護模塊，電源模塊組成。對于供電方面，一般情況下由周邊村落通過14有線電纜對基站進行供電，基站還安裝了 6電池，由專人定期更換，以防突發(fā)情況。另外還安裝有11太陽能電池，起補充作用。無人機待命時，由從基站13地下電纜接出的的7電力發(fā)送共振線圈對無人機內置的8電力接收共振線圈通過電磁共振無線充電。
[0030]控制臺發(fā)射控制信號時，由16光纖光纜發(fā)送給基站的3有線通訊模塊，再傳給2主控模塊，經分析后傳給4無線通訊模塊，經5天線發(fā)送無線信號給I無人機，無人機接收信號后由地面彈射起飛，自主完成起飛過程并飛向預先劃定的巡邏區(qū)域進行巡航，圖像采集系統(tǒng)開始工作，通過上述逆過程由基站將畫面?zhèn)骰乜刂婆_。當巡邏任務結束無人機按規(guī)定航線飛回起降點下降高度完成自主開傘著陸。著陸后，無人機觸發(fā)4站臺的9光傳感器，通過開關打開3防護罩，對無人機進行保護?；驹俅瓮ㄟ^電磁感應線圈對無人機充電。
[0031]通過基站的主控模塊，可以定期發(fā)送基站和無人機的安全運行狀況給控制臺，保證基站和無人機在無人值守情況下的正常運行。
[0032]無人機上安裝有攝像頭，同時在無人機上安裝無線發(fā)射機，此發(fā)射機可以無線收發(fā)音視頻信號，無人機收集到的視頻信息通過此來傳遞給基站。由基站的天線接收無線信號，交給基站的主控模塊，主控模塊通過程序分析，知道這是由天線發(fā)射來的信號，再把此信號通過有線通訊模塊經過光纖傳輸給控制臺。
【權利要求】
1.一種基于無人機的監(jiān)控裝置，其特征是，包括: 控制臺系統(tǒng):用于規(guī)劃無人機飛行任務，對飛機飛行姿態(tài)、飛行航跡、有效載荷的操作與控制；通過光纖與基站交互通訊； 無人機系統(tǒng):主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、攝像頭、無線收發(fā)裝置；用于按照控制臺系統(tǒng)的指令完成巡視監(jiān)控任務； 基站系統(tǒng):基站是無人機和控制臺傳遞信息的媒介，也為無人機提供停放、充電、保護；主要包括主控模塊，兩個通訊模塊，無人機保護模塊，電源模塊。
2.如權利要求1所述的基于無人機的監(jiān)控裝置，其特征是，基站主控模塊:由無人機和控制臺傳來的信號，都經通訊模塊傳給主控模塊進行分析，再有下一步的動作。它還可以控制把基站系統(tǒng)和無人機的安全狀況定期報告給控制臺，使控制臺能夠及時了解到無人值守的基站系統(tǒng)的狀況； 基站通訊模塊:通訊模塊有兩個，分別是與無人機之間的通訊和與控制臺之間的通訊；基站無人機保護模塊:采用光傳感器，把光傳感器內置在無人機停放的站臺處，當無人機降落或離開站臺時，會觸發(fā)光傳感器，通過控制開關實現(xiàn)防護罩的打開或閉合。
3.如權利要求1所述的基于無人機的監(jiān)控裝置，其特征是，無人機采用直升機的形式，通過發(fā)射回收系統(tǒng)保證無人機順利的垂直升空以達到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務后，按規(guī)定航線飛回起降點下降高度完成自主開傘著陸；無人機底部安裝電磁共振線圈，加入到電源系統(tǒng)中，當無人機在停放點待命時，由地下的電磁共振線圈通過電磁感應原理完成基站對無人機的無線充電。
4.如權利要求1所述的基于無人機的監(jiān)控裝置，其特征是，在基站設置有充電座，充電座上的電磁感應線圈會形成一個電磁場，這個磁場與另外一個連接在需要充電的設備上電磁感應線圈接觸后，就會向其輸送電力。
5.如權利要求1所述的基于無人機的監(jiān)控裝置，其特征是，攝像頭收集到的視頻信息通過無線收發(fā)模塊傳遞給基站，由基站的天線接收無線信號，交給基站的主控模塊，主控模塊再把此信號通過有線通訊模塊經過光纖傳輸給控制臺。
【文檔編號】G05D1/10GK104503349SQ201410764991
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權日:2014年12月10日
【發(fā)明者】劉立, 韓永欣, 杜一帆, 吳煜, 趙碩 申請人:天津大學