一種多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，包括北斗/GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)無(wú)線連接3G網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)分別無(wú)線連接地面站和用戶，地面站無(wú)線連接無(wú)人機(jī)，北斗/GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)連接無(wú)人機(jī)。本實(shí)用新型的有益效果是在利用無(wú)人機(jī)投放節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維定位，在人員難以進(jìn)入的地區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)的快速部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊山地等地形的監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可以利用無(wú)人機(jī)攜帶的攝像頭對(duì)途經(jīng)區(qū)域進(jìn)行遙感信息的采集。
【專利說(shuō)明】一種多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)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(jì)實(shí)現(xiàn)的三層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了太湖藍(lán)藻預(yù)警平臺(tái)；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(duì)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(bào)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)、管理的科學(xué)化水平?？梢灶A(yù)見(jiàn)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(shí)現(xiàn)環(huán)境在線監(jiān)控就需要在點(diǎn)線面源的合適位置上安裝各種監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，目前環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的布置主要依靠人工方式進(jìn)行，秦嶺國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)的總面積約為5.11萬(wàn)平方公里，包括陜西境內(nèi)的秦嶺山區(qū)及腹地，整個(gè)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(diǎn)布置。
[0003]無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)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(wú)人駕駛航空器，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中有三個(gè)方面的應(yīng)用:第一，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空遙感來(lái)感知環(huán)境變化。美國(guó)的綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)(IOOS)中，提出使用無(wú)人機(jī)對(duì)海岸的環(huán)境、有害物質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。“5.12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(wú)法獲取災(zāi)情情況下，相關(guān)部門利用無(wú)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(wú)人機(jī)上直接安裝專門的傳感器來(lái)實(shí)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(wú)人機(jī)搭載氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)；第三，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量設(shè)備的空投。
[0004]無(wú)人機(jī)完成監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)投放后需要解決節(jié)點(diǎn)三維定位問(wèn)題，定位算法分為基于測(cè)距(Range-based)和非測(cè)距(Range-free)的定位算法?；跍y(cè)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(jiàn)的非測(cè)距定位方法。以上定位算法多為基于二維平面，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(diǎn)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(duì)三維空間節(jié)點(diǎn)定位算法的研究至關(guān)重要。COLA算法借助超級(jí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將三維定位問(wèn)題用二維空間的三邊測(cè)量法來(lái)解決，減少了計(jì)算復(fù)雜度，但是超級(jí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的硬件要求高，并且在實(shí)際應(yīng)用中難于部署。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在提供一種多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將傳感器節(jié)點(diǎn)投放至指定區(qū)域，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)完成對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，解決了對(duì)于復(fù)雜地形進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)布置和三維定位的問(wèn)題，同時(shí)該系統(tǒng)還可進(jìn)行遙感信息的采集。[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是包括北斗衛(wèi)星和無(wú)線傳感器網(wǎng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)無(wú)線連接3G網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)分別無(wú)線連接地面站和用戶，地面站無(wú)線連接無(wú)人機(jī)，北斗衛(wèi)星連接無(wú)人機(jī)。
[0007]本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于無(wú)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(tái)、投放裝置、伺服系統(tǒng)和定位裝置，定位裝置無(wú)線連接所述無(wú)線傳感器網(wǎng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星定位模塊無(wú)線連接北斗模塊，數(shù)傳電臺(tái)無(wú)線連接地面站，無(wú)人機(jī)上還配有攝像頭，攝像頭通過(guò)無(wú)線視頻傳輸設(shè)備無(wú)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(dòng)，支架連接連桿，連桿連接曲軸。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果是在利用無(wú)人機(jī)投放節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維定位，在人員難以進(jìn)入的地區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)的快速部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形的環(huán)境監(jiān)測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本實(shí)用新型一種多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)無(wú)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(cè)節(jié)點(diǎn)無(wú)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(diǎn)投放裝置示意圖；
[0012]圖4是四邊測(cè)量法示意圖。
[0013]圖中，1.北斗衛(wèi)星，2.無(wú)線傳感器網(wǎng)，3.3G網(wǎng)絡(luò)，4.地面站，5.用戶，6.無(wú)人機(jī)，
7.固定銷，8.支架，9.連桿，10.曲軸。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]如圖1所示，包括北斗衛(wèi)星I和無(wú)線傳感器網(wǎng)2，無(wú)線傳感器網(wǎng)2無(wú)線連接3G網(wǎng)絡(luò)3，3G網(wǎng)絡(luò)3分別無(wú)線連接地面站4和用戶5，地面站4無(wú)線連接無(wú)人機(jī)6，北斗衛(wèi)星I連接無(wú)人機(jī)6，也可采用GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS衛(wèi)星無(wú)線連接無(wú)人機(jī)6，均可以實(shí)現(xiàn)定位。如圖2所示，無(wú)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(shí)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(tái)、投放裝置、伺服系統(tǒng)和定位裝置，定位裝置無(wú)線連接無(wú)線傳感器網(wǎng)2的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星定位模塊無(wú)線連接所述北斗衛(wèi)星1，數(shù)傳電臺(tái)無(wú)線連接地面站4，無(wú)人機(jī)6上還配有攝像頭，攝像頭通過(guò)無(wú)線視頻傳輸設(shè)備無(wú)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(dòng)，支架8連接連桿9，連桿9連接曲軸10。
[0016]系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)6和地面站4構(gòu)成，該系統(tǒng)在整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示，無(wú)人機(jī)6先通過(guò)導(dǎo)航飛至監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域，投下傳感器節(jié)點(diǎn)，而后以無(wú)人機(jī)自身作為錨節(jié)點(diǎn)對(duì)所部署的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，地面站4負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)人機(jī)6下達(dá)各種任務(wù)，跟蹤監(jiān)視無(wú)人機(jī)6的動(dòng)作情況，獲得各種信息參數(shù)(包括無(wú)人機(jī)6的飛行數(shù)據(jù)，完成定位后的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，實(shí)時(shí)的遙感圖像等)。傳感器節(jié)點(diǎn)部署完成后，可組成無(wú)線傳感網(wǎng)2，即WSN網(wǎng)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)所部署區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)。
[0017]系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，由無(wú)人機(jī)6、地面站4、北斗衛(wèi)星I的定位系統(tǒng)及無(wú)線傳感網(wǎng)2的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)成。無(wú)人機(jī)6平臺(tái)包括固定翼無(wú)人機(jī)和/或無(wú)人直升機(jī)，無(wú)人機(jī)6上搭載相應(yīng)的機(jī)械和電子設(shè)備來(lái)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航需要的相關(guān)信息，伺服系統(tǒng)完成無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)控制，投放裝置完成環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的投放，定位裝置同傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)所布置節(jié)點(diǎn)的定位，攝像頭采集實(shí)時(shí)圖像通過(guò)無(wú)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(wú)人機(jī)6傳來(lái)的視頻信號(hào)，同時(shí)通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)同無(wú)人機(jī)6進(jìn)行雙向通信，及時(shí)獲取相關(guān)信息和發(fā)布命令，無(wú)線通信范圍可達(dá)數(shù)公里，當(dāng)無(wú)線聯(lián)絡(luò)失效時(shí)，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(bào)文功能完成無(wú)人機(jī)6和地面站4的通信。地面站4系統(tǒng)采用VC++編寫(xiě)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(tái)的通信。系統(tǒng)電子導(dǎo)航地圖采用MapInfo組件開(kāi)發(fā)。
[0019]投放裝置采用電動(dòng)脫鉤器的方式設(shè)計(jì)，如圖3所示。固定銷7在支架8內(nèi)做平行移動(dòng)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲軸滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成固定銷7的打開(kāi)和閉鎖。被投放節(jié)點(diǎn)帶有起吊環(huán)，可通過(guò)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(kāi)固定銷7完成投放過(guò)程。
[0020]傳感器節(jié)點(diǎn)的三維定位擬采用四邊測(cè)量法，其模型如圖4所示。假設(shè)4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)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(diǎn) 0 的坐標(biāo)為(x，y，z)，該未知節(jié)點(diǎn)到各錨節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離分別為da，db，d。和dd，通過(guò)求解可以獲得未知節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0021]無(wú)人機(jī)對(duì)所部署節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，通過(guò)路徑規(guī)劃分別飛行至4個(gè)不同位置作為錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)由北斗/GPS定位系統(tǒng)提供，在4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)上采用異步的雙邊測(cè)距算法分別測(cè)出與未知節(jié)點(diǎn)的距離，計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0022]本實(shí)用新型一種多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中不但能夠完成環(huán)境參數(shù)的測(cè)量、空中遙感，最主要是完成無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的部署同時(shí)完成了無(wú)線節(jié)點(diǎn)的三維定位，為人員不易到達(dá)區(qū)域的采集節(jié)點(diǎn)的布置提供一種快速有效的解決方案。實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。提高了環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，其特征在于:包括北斗衛(wèi)星(I)和無(wú)線傳感器網(wǎng)(2)，無(wú)線傳感器網(wǎng)(2)無(wú)線連接3G網(wǎng)絡(luò)(3)，3G網(wǎng)絡(luò)(3)分別無(wú)線連接地面站⑷和用戶(5)，地面站(4)無(wú)線連接無(wú)人機(jī)(6)，北斗衛(wèi)星(I)連接無(wú)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(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，其特征在于:所述無(wú)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(tái)、投放裝置、伺服系統(tǒng)和定位裝置，定位裝置無(wú)線連接所述無(wú)線傳感器網(wǎng)(2)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星定位模塊無(wú)線連接所述北斗衛(wèi)星(I)，數(shù)傳電臺(tái)無(wú)線連接地面站(4)，無(wú)人機(jī)(6)上還配有攝像頭，攝像頭通過(guò)無(wú)線視頻傳輸設(shè)備無(wú)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(cè)無(wú)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(dòng)，支架⑶連接連桿(9)，連桿(9)連接曲軸(10)。
【文檔編號(hào)】G01S19/48GK203745655SQ201420061201
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)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(guó)柱 申請(qǐng)人:西安文理學(xué)院