CN104881042A - 一种多尺度航空遥感测试平台 - Google Patents

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本发明涉及一种多尺度航空遥感测试平台，以遥感气球和无人机为平台，将多种遥感测试设备一体化集成在伺服控制平台上进行同步信息采集。工作时，遥感气球携带遥感无人机升空，到达指定高度后两者脱离，遥感无人机高速下落，并在低空区域通过尾翼旋转进入滑翔模式，由自动驾驶仪进行导航，回到指定位置。遥感测试设备工作中，采集到的信息被存储到存储设备，并通过无线电传输装置传送给移动地面站进行分析和处理。该平台既能在高空获取大范围、高覆盖率的信息，又可在中低空区域进行机动性强、响应迅速的遥感测量，且能实现数据的实时传输与处理以及设备的安全返回，可满足农业遥感、环境监测、测绘、安防、火灾探测对多尺度遥感的需求。

Description

一种多尺度航空遥感测试平台
技术领域
本发明涉及一种多尺度航空遥感测试平台，以遥感气球和无人机作为平台，将多种遥感测试设备一体化集成在伺服控制平台上进行同步信息采集，既能够在约30-40km高的临近空间获取大范围、高覆盖率的波谱信息或图像，又能够在中低空区域进行机动性强、响应迅速的遥感测量，并可实现数据的实时传输与处理以及遥感设备由临近空间到低空区域直至地面的安全返回，可满足农业遥感、环境监测、测绘、安防、火灾探测对多尺度遥感的需求。
背景技术
遥感是在20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。遥感是指非接触的，远距离的探测技术。一般指运用传感器/遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。如今测绘科学技术快速发展，不同行业对遥感数据的需求也日益增加，但遥感数据获取相对困难。以卫星为主要平台的航天遥感具有比例尺小，覆盖率大，概括性强的优点，且周期性较好，但机动性差，成本高，易受云层遮挡等影响。因此，发展机动性强，可自主选择传感器和飞行高度、飞行区域的航空遥感十分必要。然而，就现有的一些航空遥感平台来说，无人机作为一种新型的遥感数据获取手段，有着众多的优点，成本低、响应迅速、影像质量高等，可是只能采集低空区域的遥感数据；遥感气球、气艇等采集区域较广，但是机动性和可操纵性不足，而且多数情况下遥感设备不能返回地面，造成了浪费，在真正应用方面还是有着诸多不便。综上所述，为了满足农业遥感、环境监测、测绘、安防、火灾探测等应用对多尺度的遥感需求，设计研究一种既能够在高空获取大范围、高覆盖率的信息，又能够在中低空区域进行机动性强、响应迅速的遥感测量的多尺度航空遥感测试平台十分必要。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有的遥感无人机只能采集低空区域的遥感数据的缺点，弥补遥感气球、气艇等机动性和可操作性方面的不足以及多数情况下遥感设备不能安全返回地面的缺陷，以遥感气球和无人机作为平台，将多种遥感测试设备一体化集成在伺服控制平台上进行同步信息采集，提供一种多尺度的航空遥感测试平台，既能够在约30-40km高的临近空间获取大范围、高覆盖率的波谱信息或图像，又能够在中低空区域进行机动性强、响应迅速的遥感测量，并可实现数据的实时传输与处理以及遥感设备由临近空间到低空区域直至地面的安全返回，可满足农业遥感、环境监测、测绘、安防、火灾探测对多尺度遥感的需求。
本发明的技术解决方案：一种多尺度航空遥感测试平台，包括遥感气球(1)、遥感无人机(14)、机载伺服控制平台(2)以及移动地面站(9)，移动地面站(9)由控制设备(10)、数据接收天线(11)和数据处理计算机(12)组成，机载伺服控制平台(2)由微处理器(13)、供电设备(3)、遥感测试设备(4)、存储设备(5)、无线电传输装置(6)、气压高度表(7)和自动驾驶仪(8)组成，其中，遥感测试设备(4)包括微型激光雷达(15)、Gopro相机(16)、超小型光谱成像仪(17)以及机载红外相机(18)；遥感气球(1)与遥感无人机(14)相连，便于携带其升空；机载伺服控制平台(2)装载于遥感无人机(14)上，其中，供电设备与机载伺服控制平台(2)中其他各个模块相连并供电，微处理器(13)分别与存储设备(5)、无线电传输装置(6)、气压高度表(7)、自动驾驶仪(8)相连，并与遥感测试设备(4)中的微型激光雷达(15)、Gopro相机(16)、超小型光谱成像仪(17)以及机载红外相机(18)分别相连，在不同尺度下，根据气压高度表(7)和自动驾驶仪(8)提供的高度、航迹信息控制遥感测试设备(4)进行同步信息采集，信息经处理后传送给存储设备(5)进行存储，并通过无线电传输装置(6)传送给地面；移动地面站(9)中，数据接收天线(11)装载于控制设备(10)上，并与数据处理计算机(12)相连，将接收到的无线电传输装置(6)传回的信息交由数据处理计算机(12)进行处理；本平台开始工作后，遥感气球(1)携带遥感无人机(14)升空，期间微处理器(13)根据气压高度表(7)所测高度值控制遥感测试设备(4)在预先设定的高度点进行同步信息采集，当遥感气球(1)稳定在设定高度最大值不再上升时，遥感测试设备(4)在此高度进行高空遥感，然后遥感气球(1)与遥感无人机(14)脱离，后者高速下落，并在进入低空区域前通过尾翼旋转进入滑翔模式，由自动驾驶仪(8)对其进行导航，最后回到指定位置，这段时间微处理器(13)根据自动驾驶仪(8)以及气压高度表(7)所测导航信息控制可选遥感测试设备(4)在预设航迹进行同步信息采集；供电设备(3)为机载伺服控制平台(2)上各个设备进行供电，遥感测试设备(4)采集到的信息经过微处理器(13)处理后均被实时存储到存储设备(5)，并通过无线电传输装置(6)传送给移动地面站(9)，控制设备(10)控制数据接收天线(11)旋转来接收数据信息，并将信息传送给数据处理计算机(12)进行数据分析和处理。
所述的遥感气球(1)选用6KG载重气球，且带有自动脱钩装置，可实现遥感气球(1)和遥感无人机(14)的脱离；
所述的遥感无人机(14)机体采用碳纤维构成，质量轻，可通过旋转尾翼实现机身和机翼功能互换，使其能在高空区域安全高速下落，并在进入低空区域前进入滑翔模式；
所述的控制设备(10)由6米高升降杆和一台三轴伺服云台组成，三轴伺服云台可以进行水平360度连续旋转以及俯仰90度旋转，用来控制数据接收天线(12)不断旋转，跟踪接收数据信息，另外，该云台固定在升降杆顶座，并通过升降杆升至6米高处，有利于排除地面干扰；
所述的旋转尾翼采用电机驱动旋转，具有蜗轮蜗杆装置，可实现自锁功能；自动旋转尾翼采用智能控制舵机，在规定的位置按照预定的角速度进行旋转，确保飞行器在近地点18000m的高度实现飞行模式的完全转变，即V型尾翼旋转至与机翼垂直，以机翼为应力面进行滑翔。
本发明的原理：开始阶段，遥感气球携带遥感无人机从地面上升。上升过程中，微处理器根据气压高度表所测高度值控制遥感测试设备在预先设定的高度点进行同步信息采集，采集遥感数据存储到存储设备，并通过无线电传输装置将数据传回移动地面站。当遥感气球稳定在设定高度最大值不再上升时，遥感测试设备在此高度进行高空遥感，然后遥感气球上的自动脱钩装置工作，此时遥感气球与遥感无人机脱离，高空滑翔变结构无人机高速降落。降落初始阶段，由于速度较快，对机体结构强度要求大，无人机采用长机翼作为机身，实现高速稳定下落。在达到低空区域的一个预定高度后，通过舵机带动蜗轮蜗杆自动旋转，从而旋转尾翼，改变无人机的飞行模式，以短机翼作为机身，进行滑翔。在低空区域滑翔期间，自动驾驶仪对无人机进行导航，同时微处理器根据自动驾驶仪以及气压高度表所测导航信息控制遥感测试设备在预设航迹进行同步信息采集，采集遥感数据存储到存储设备，并通过无线电传输装置将数据传回移动地面站。最后在自动驾驶仪的路径规划下，无人机按照预定路线到达指定地点，将机载伺服控制平台上装载的一系列设备以及存储下的数据送回。整个遥感数据采集过程中，控制设备控制数据接收天线不断旋转，跟踪接收数据信息，并传送给数据处理计算机进行数据处理。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)较传统的只用遥感无人机或遥感气球、气艇的航空遥感平台来说，本发明提供了一种多尺度的航空遥感测试平台，以遥感气球携带遥感无人机作为平台，既能够在约30-40km高的临近空间获取大范围、高覆盖率的波谱信息或图像，又能够在中低空区域进行机动性强、响应迅速的遥感测量，并可实现数据的实时传输与处理；
(2)本发明涉及多种体积小、功耗低的遥感测试设备，既完全满足遥感无人机载重要求以及供电设备的负载能力，又可根据不同需求来灵活选取不同设备进行搭载；
(3)本发明所采用的遥感无人机为高空滑翔变结构无人机，该无人机可通过舵机带动蜗轮蜗杆来使尾翼旋转，实现机身和机翼功能互换，改变飞行器飞行模式，使其能在高空区域安全高速下落，并在进入低空区域前进入滑翔模式，保证了无人机以及设备由临近空间到低空区域直至地面的安全返回；
(4)本发明采用了同步技术进行多尺度遥感：高空区域，微处理器根据气压高度表所测高度值控制遥感测试设备在预先设定的高度点进行同步信息采集；低空滑翔区域，微处理器根据自动驾驶仪以及气压高度表所测导航信息控制遥感测试设备在预设航迹进行同步信息采集。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的结构组成框图，即一种多尺度航空遥感测试平台，一种多尺度航空遥感测试平台，其特征在于：包括遥感气球(1)、遥感无人机(14)、机载伺服控制平台(2)以及移动地面站(9)，移动地面站(9)由控制设备(10)、数据接收天线(11)和数据处理计算机(12)组成，机载伺服控制平台(2)由微处理器(13)、供电设备(3)、遥感测试设备(4)、存储设备(5)、无线电传输装置(6)、气压高度表(7)和自动驾驶仪(8)组成，其中，遥感测试设备(4)包括微型激光雷达(15)，Gopro相机(16)，超小型光谱成像仪(17)以及机载红外相机(18)；遥感气球(1)与遥感无人机(14)相连，便于携带其升空；机载伺服控制平台(2)装载于遥感无人机(14)上，其中，供电设备与机载伺服控制平台(2)中其他各个模块相连并供电，微处理器(13)分别与存储设备(5)、无线电传输装置(6)、气压高度表(7)、自动驾驶仪(8)相连，并与可选遥感测试设备(4)中的微型激光雷达(15)、Gopro相机(16)、超小型光谱成像仪(17)以及机载红外相机(18)分别相连，在不同尺度下根据气压高度表(7)和自动驾驶仪(8)提供的高度、航迹信息控制遥感测试设备(4)进行同步信息采集，信息经处理后传送给存储设备(5)进行存储，并通过无线电传输装置(6)传送给地面；移动地面站(9)中，数据接收天线(11)装载于控制设备(10)上，并与数据处理计算机(12)相连，将接收到的无线电传输装置(6)传回的信息交由数据处理计算机(12)进行处理；本平台开始工作后，遥感气球(1)携带遥感无人机(14)升空，期间微处理器(13)根据气压高度表(7)所测高度值控制遥感测试设备(4)在预先设定的高度点进行同步信息采集，当遥感气球(1)稳定在设定高度最大值不再上升时，遥感测试设备(4)在此高度进行高空遥感，然后遥感气球(1)与遥感无人机(14)脱离，后者高速下落，并在进入低空区域前通过尾翼旋转进入滑翔模式，由自动驾驶仪(8)对其进行导航，最后回到指定位置，这段时间微处理器(13)根据自动驾驶仪(8)以及气压高度表(7)所测导航信息控制可选遥感测试设备(4)在预设航迹进行同步信息采集；供电设备(3)为机载伺服控制平台(2)上各个设备进行供电，遥感测试设备(4)采集到的信息经过微处理器(13)处理后被实时存储到存储设备(5)，并通过无线电传输装置(6)传送给移动地面站(9)，控制设备(10)控制数据接收天线(11)旋转来接收数据信息，并将信息传送给数据处理计算机(12)进行数据分析和处理。
所述的遥感气球(1)选用6KG载重气球，且带有自动脱钩装置，可实现遥感气球(1)和遥感无人机(14)的脱离；
所述的遥感无人机(14)机体采用碳纤维构成，质量轻，可通过旋转尾翼实现机身和机翼功能互换，使其能在高空区域安全高速下落，并在进入低空区域前进入滑翔模式；
所述的控制设备(10)由6米高升降杆和一台三轴伺服云台组成，三轴伺服云台可以进行水平360度连续旋转以及俯仰90度旋转，用来控制数据接收天线(12)不断旋转，跟踪接收数据信息，另外，该云台固定在升降杆顶座，并通过升降杆升至6米高处，有利于排除地面干扰；
所述的旋转尾翼采用电机驱动旋转，具有蜗轮蜗杆装置，可实现自锁功能；自动旋转尾翼采用智能控制舵机，在规定的位置按照预定的角速度进行旋转，确保飞行器在近地点18000m的高度实现飞行模式的完全转变，即V型尾翼旋转至与机翼垂直，以机翼为应力面进行滑翔。
如图2所示，开始阶段，遥感气球(1)携带遥感无人机(14)从地面上升。上升过程中，微处理器(13)根据气压高度表(7)所测高度值控制遥感测试设备(4)在预先设定的高度点进行同步信息采集，采集遥感数据存储到存储设备(5)，并通过无线电传输装置(6)将数据传回移动地面站(9)。当遥感气球(1)稳定在设定高度最大值不再上升时，遥感测试设备(4)在此高度进行高空遥感，然后遥感气球(1)上的自动脱钩装置工作，此时遥感气球(1)与遥感无人机(14)脱离，高空滑翔变结构无人机高速降落。降落初始阶段，由于速度较快，对机体结构强度要求大，无人机采用长机翼作为机身，实现高速稳定下落。在达到低空区域的一个预定高度后，通过舵机带动蜗轮蜗杆自动旋转，从而旋转尾翼，改变无人机的飞行模式，以短机翼作为机身，进行滑翔。在低空区域滑翔期间，自动驾驶仪(8)对无人机进行导航，同时微处理器(13)根据自动驾驶仪(8)以及气压高度表(7)所测导航信息控制遥感测试设备(4)在预设航迹进行同步信息采集，采集遥感数据存储到存储设备(5)，并通过无线电传输装置(6)将数据传回移动地面站(9)。最后在自动驾驶仪(8)的路径规划下，无人机按照预定路线到达指定地点，将机载伺服控制平台(2)上装载的一系列设备以及存储下的数据送回。整个遥感数据采集过程中，控制设备(10)控制数据接收天线(11)不断旋转，跟踪接收数据信息，并传送给数据处理计算机(12)进行数据处理。

Claims (5)

1.一种多尺度航空遥感测试平台，其特征在于：包括遥感气球(1)、遥感无人机(14)、机载伺服控制平台(2)以及移动地面站(9)，移动地面站(9)由控制设备(10)、数据接收天线(11)和数据处理计算机(12)组成，机载伺服控制平台(2)由微处理器(13)、供电设备(3)、遥感测试设备(4)、存储设备(5)、无线电传输装置(6)、气压高度表(7)和自动驾驶仪(8)组成，其中，遥感测试设备(4)包括微型激光雷达(15)、Gopro相机(16)、超小型光谱成像仪(17)以及机载红外相机(18)；遥感气球(1)与遥感无人机(14)相连，便于携带其升空；机载伺服控制平台(2)装载于遥感无人机(14)上，其中，供电设备与机载伺服控制平台(2)中其他各个模块相连并供电，微处理器(13)分别与存储设备(5)、无线电传输装置(6)、气压高度表(7)、自动驾驶仪(8)相连，并与遥感测试设备(4)中的微型激光雷达(15)、Gopro相机(16)、超小型光谱成像仪(17)以及机载红外相机(18)分别相连，在不同尺度下，根据气压高度表(7)和自动驾驶仪(8)提供的高度、航迹信息控制遥感测试设备(4)进行同步信息采集，信息经处理后传送给存储设备(5)进行存储，并通过无线电传输装置(6)传送给地面；移动地面站(9)中，数据接收天线(11)装载于控制设备(10)上，并与数据处理计算机(12)相连，将接收到的无线电传输装置(6)传回的信息交由数据处理计算机(12)进行处理；本平台开始工作后，遥感气球(1)携带遥感无人机(14)升空，期间微处理器(13)根据气压高度表(7)所测高度值控制遥感测试设备(4)在预先设定的高度点进行同步信息采集，当遥感气球(1)稳定在设定高度最大值不再上升时，遥感测试设备(4)在此高度进行高空遥感，然后遥感气球(1)与遥感无人机(14)脱离，后者高速下落，并在进入低空区域前通过尾翼旋转进入滑翔模式，由自动驾驶仪(8)对其进行导航，最后回到指定位置，这段时间微处理器(13)根据自动驾驶仪(8)以及气压高度表(7)所测导航信息控制遥感测试设备(4)在预设航迹进行同步信息采集；供电设备(3)为机载伺服控制平台(2)上各个设备进行供电，遥感测试设备(4)采集到的信息经过微处理器(13)处理后被实时存储到存储设备(5)，并通过无线电传输装置(6)传送给移动地面站(9)，控制设备(10)控制数据接收天线(11)旋转来接收数据信息，并将信息传送给数据处理计算机(12)进行数据分析和处理。
2.根据权利要求1所述的多尺度航空遥感测试平台，其特征在于：所述的遥感气球(1)选用6KG载重气球，且带有自动脱钩装置，可实现遥感气球(1)和遥感无人机(14)的脱离。
3.根据权利要求1所述的多尺度航空遥感测试平台，其特征在于：所述的遥感无人机(14)机体采用碳纤维构成，质量轻，可通过旋转尾翼实现机身和机翼功能互换，使其能在高空区域安全高速下落，并在进入低空区域前进入滑翔模式。
4.根据权利要求1所述的多尺度航空遥感测试平台，其特征在于：所述的控制设备(10)由6米高升降杆和一台三轴伺服云台组成，三轴伺服云台可以进行水平360度连续旋转以及俯仰90度旋转，用来控制数据接收天线(12)不断旋转，跟踪接收数据信息，另外，该云台固定在升降杆顶座，并通过升降杆升至6米高处，有利于排除地面干扰。
5.根据权利要求3所述的多尺度航空遥感测试平台，其特征在于：所述的旋转尾翼采用电机驱动旋转，具有蜗轮蜗杆装置，可实现自锁功能；自动旋转尾翼采用智能控制舵机，在规定的位置按照预定的角速度进行旋转，确保飞行器在近地点18000m的高度实现飞行模式的完全转变，即V型尾翼旋转至与机翼垂直，以机翼为应力面进行滑翔。
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