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(yuǎn)距離、大面積監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】，為實現(xiàn)低成本遠(yuǎn)距離大面積監(jiān)控，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)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(wù)，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(wù)；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(yuǎn)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及遠(yuǎn)距離、大面積監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】；具體講，涉及基于無人機的監(jiān)控裝置。

【背景技術(shù)】
[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(chǔ)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(yīng)用技術(shù)，即根據(jù)森林防火的需要搭載相應(yīng)的設(shè)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(fù)使用等技術(shù)優(yōu)勢，減輕了人員風(fēng)險，節(jié)約了人力、物力。近年來，無人機遙感技術(shù)不斷進步，并在多領(lǐng)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?zé)o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(dāng)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(xì)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(yuǎn)距離傳輸，所以可以考慮設(shè)計一個提供大帶寬的裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)低成本遠(yuǎn)距離大面積監(jiān)控，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)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(wù)，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(wù)；
[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(jīng)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(nèi)置在無人機停放的站臺處，當(dāng)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(guān)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(wù)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(dāng)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(yīng)原理完成基站對無人機的無線充電。
[0012]在基站設(shè)置有充電座，充電座上的電磁感應(yīng)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(shè)備上電磁感應(yīng)線圈接觸后，就會向其輸送電力。
[0013]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)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(shè)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(dāng)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?fù)鋱D。
[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(yuǎn)，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(dāng)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(jīng)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(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0020]控制臺系統(tǒng):首先是任務(wù)規(guī)劃功能，任務(wù)規(guī)劃功能的復(fù)雜程度取決于任務(wù)的復(fù)雜程度。其次是在任務(wù)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(wù)的最終結(jié)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(jié)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(dǎo)航和目標(biāo)定位功能。傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航結(jié)合先進的GPS導(dǎo)航技術(shù)成為了無人機系統(tǒng)導(dǎo)航的主流導(dǎo)航技術(shù)。目標(biāo)定位是為了順利完成任務(wù)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(wù)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(dāng)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(yīng)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(jīng)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(dāng)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(dǎo)致傳輸距離有限，所以先經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(nèi)置在無人機停放的站臺處，當(dāng)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(guān)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(yīng)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(yīng)線圈會形成一個電磁場，這個磁場與另外一個電磁感應(yīng)線圈接觸后(這個線圈一般連接在需要充電的設(shè)備上)，就會向其輸送電力。我們采用了兩個能夠?qū)崿F(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(dāng)傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經(jīng)過電磁場擴散到接受方，電力就實現(xiàn)了無線傳導(dǎo)。利用電磁感應(yīng)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(shè)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(yīng)原理，每當(dāng)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(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0028]由I拓?fù)鋱D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(nèi)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(jīng)分析后傳給4無線通訊模塊，經(jīng)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(yù)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(dāng)巡邏任務(wù)結(jié)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(guān)打開3防護罩，對無人機進行保護。基站再次通過電磁感應(yīng)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(jīng)過光纖傳輸給控制臺。
【權(quán)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(wù)，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(wù)； 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(quán)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(jīng)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(nèi)置在無人機停放的站臺處，當(dāng)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(guān)實現(xiàn)防護罩的打開或閉合。
3.如權(quán)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(wù)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(dāng)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(yīng)原理完成基站對無人機的無線充電。
4.如權(quán)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(shè)置有充電座，充電座上的電磁感應(yīng)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(shè)備上電磁感應(yīng)線圈接觸后，就會向其輸送電力。
5.如權(quán)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(jīng)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(quán)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(xué)