CN105425808A - 机载式室内气体遥测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机载式室内气体遥测系统及方法。本发明提供了机载定位装置及方法，所述机载定位装置包括：旋翼无人机；摄像机安装在所述旋翼无人机上；存储器用于存储所述摄像机传送来的图像；比对模块用于比对图像及模板，偏差传送到控制模块；控制模块用于调整所述旋翼无人机的空间位置及所述摄像机的姿态。本发明还公开了应用上述定位装置及方法的遥测系统及方法。本发明具有高精度、结构简单、成本低等优点。

Description

机载式室内气体遥测系统及方法

技术领域

本发明涉及光电分析，尤其涉及机载式室内气体遥测系统及方法。

背景技术

目前，甲烷遥测仪在天然气泄漏检测中得到了广泛应用，遥测仪采用的基本原理为：通过接收、分析待测区域内气体吸收后的且被墙面反射的光信号，从而获得光路径上的待测气体信息。为了定量表述待测区域内的甲烷的绝对浓度，需同时测量遥测仪到墙面的距离以及在此路径上的甲烷吸收信号。传统的测距光源采用可发射650nm光的激光器，探测器采用硅材料，而遥测仪的光源采用可发射1651nm光的激光器，探测器采用铟镓砷材料。该类型遥测仪具有诸多不足，如：

1.结构复杂，需要配备两套光学系统，分别用于测距及吸收信号，重达5公斤左右，如美国汉斯的遥测仪重达5.8公斤；

2.无法用于楼宇内各层室内气体的检测。对于具有窗户的室内遥测，现有技术无法确定玻璃窗到墙面的距离，也即无法获得室内的气体含量；

对于楼宇二层以上的室内气体的检测，现有遥测仪无能为力。

目前，商用多旋翼无人机主要用于航拍等，可利用无人机将设备带到不同楼层窗户外，开展作业。无人机的工作方式主要为以下二种：

1.人工操作，无人机操作员可根据无人机所携带摄像机传回地面的图像来进行判断，并做出相应的操作。该方式的不足在于：过分依赖操作员的熟练程度，定位精度得不到保证。

2.自动定位方法：在居民楼外面找一个位置点，该位置正对一层用户的窗口，然后让无人机在该点的竖直方向上的定量爬升(每次爬升一个楼层的高度)，认为无人机爬升后停止的位置就正对着用户的窗户。该方式的不足在于：

首先无人机在爬升过程中可能偏离竖直方向，会导致无人机与窗口距离的变化；

其次，无人机本身不带高度计，只能依赖于GPS定位，定位精度有限，在某些GPS信号不好的地方甚至无法定位；

再有，目前常用的多旋翼无人机在爬升过程中可能产生自旋，很可能导致无人机上挂载的测试设备无法正对用户窗户。

基于上述无人机精确定位中的技术问题，使得无人机尚未应用在不同楼层室内气体遥测中。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种定位精确、高效的机载定位装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

机载定位装置，所述机载定位装置包括：

旋翼无人机；

摄像机，所述摄像机安装在所述旋翼无人机上；

存储器，所述存储器用于存储所述摄像机传送来的图像；

比对模块，所述比对模块用于比对图像及模板，偏差传送到控制模块；

控制模块，所述控制模块用于调整所述旋翼无人机的空间位置及所述摄像机的姿态。

根据上述的机载定位装置，优选地，所述模板是所述摄像机拍摄的作为标准楼宇窗户的图像。

本发明的目的还在于提供了一种应用上述定位装置的高精度、应用领域广、功能强大的机载式室内气体遥测系统，该发明目的通过以下技术方案得以实现：

机载式室内气体遥测系统，所述机载式室内气体遥测系统包括：

无人机装置，所述无人机装置采用上述的机载定位装置；

遥测装置，所述遥测装置安装在所述旋翼无人机上，所述遥测装置包括：

一个光源，仅有的一个光源用于发出脉冲光信号和测量光，所述测量光的波长覆盖室内待测气体的吸收谱线；所述一个光源安装在所述旋翼无人机上；

一个探测器，仅有的一个探测器用于将接收到的被室内不同反射物反射回来的脉冲光信号转换为第一组电信号、以及将接收到的经室内待测气体吸收后并被室内反射物反射回来的测量光转换为第二电信号，并传送到分析模块；所述一个探测器安装在所述旋翼无人机上；

分析模块，所述分析模块根据所述探测器得到第一组电信号的时间差得出距离d；以及根据吸收光谱技术得出室内待测气体的含量C：

$C=\frac{V_{2f}}{2K\·d\·V_{1f}\·S\left(T\right)\·B(P,T)}-b_0$

d为室内窗户到墙壁的距离；K为标定系数；b₀为零点系数；V_2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V_1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。

根据上述的机载式室内气体遥测系统，优选地，所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。

本发明的目的还在于提供了一种定位精确、高效的机载定位方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：

机载定位方法，所述机载定位方法包括以下步骤：

(A1)选择旋翼无人机的位置及摄像机的姿态，所述摄像机拍摄的楼宇窗户的图像作为模板，并送存储器存储；

(A2)所述旋翼无人机移动到另一窗户外，所述摄像机拍摄该窗户的图像，并传送到比对模块；

(A3)比对模块比对接收到的图像及模板，偏差传送到控制模块：

若偏差小于阈值，则定位结束；

若偏差不小于所述阈值，则进入步骤(A4)；

(A4)控制模块调整所述旋翼无人机的空间位置和/或所述摄像机的姿态，再次拍摄窗户的图像，并进入步骤(A3)。

根据上述的机载定位方法，优选地，在步骤(A4)中，先调整所述摄像机和/旋翼无人机的姿态，若所述偏差始终不小于所述阈值，则需进一步调整所述旋翼无人机的空间位置。

根据上述的机载定位方法，优选地，在步骤(A3)中，提取图像中窗户的角点，与模板中窗户的角点对比。

本发明的目的还在于提供了一种高精度、应用领域广、功能强大的机载式室内气体遥测方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：

机载式室内气体遥测方法，所机载式室内气体遥测方法包括以下步骤：

(B1)旋翼无人机携带定位装置及遥测装置定位到楼宇的窗户外，定位方式采用上述的机载定位方法；

(B2)所述旋翼无人机携带的仅有的一个光源发出脉冲光信号，所述脉冲光信号分别被室内的窗户和墙壁反射，被仅有的一个探测器接收并转换为第一组电信号，并传送到分析模块；所述一个探测器安装在所述旋翼无人机上；

所述一个光源发出的测量光射入室内，待测气体吸收后的测量光被所述墙壁反射，被所述一个探测器接收并转换为第二电信号，并传送到分析模块；

(B3)分析模块根据所述探测器得到第一组电信号的时间差得出距离d；以及根据吸收光谱技术得出室内待测气体的含量C：

$C=\frac{V_{2f}}{2K\·d\·V_{1f}\·S\left(T\right)\·B(P,T)}-b_0$

d为室内窗户到墙壁的距离；K为标定系数；b₀为零点系数；V_2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V_1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。

根据上述的机载式室内气体遥测方法，优选地，所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。

根据上述的机载式室内气体遥测方法，优选地，所述分析模块安装在所述无人机上，通过无线方式将所述待测气体的含量C传送到监控室或监控车。

根据上述的机载式室内气体遥测方法，可选地，所述机载式室内气体遥测方法进一步包括以下步骤：

(B4)若待测气体的含量C不为零，且呈递增趋势，提示报警，并将含量信息发送到业主的通信终端上。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.本发明创造性地解决了旋翼无人机精确定位到楼宇不同窗户的技术问题，使得无人机能应用在室内气体遥测中；

2.定位精确

利用多旋翼无人机飞到楼宇的不同窗户处，如不同楼层的窗户，使用图像匹配技术、无人机空间位置调整技术、摄像机姿态调整技术，使得无人机携带的遥测装置相对不同窗户的位置都是相同的，为高精度的遥测室内气体打下基础；

3.遥测精度高

利用仅有的一套光学系统(仅一个光源、一个探测器)准确地测得室内窗户到墙面的距离，也即，可以准确地测得室内待测气体的含量；

4.结构简单、低成本

仅使用一套光学系统即可测出室内窗户到墙面的距离以及光学路径上待测气体对测量光的吸收，显著地降低了遥测系统的复杂度及成本，提高了可维护程度；

5.应用领域广

将仅有的一套光学系统安装在旋翼无人机上，无人机飞到不同的高度，从而通过遥测测得不同楼层内室内气体的含量，拓展了应用领域；

6.功能强大

测得的含量信息可实时发送到业主的通信终端上，即使在外也可知晓室内气体的含量，及早发现天然气泄漏信息，排除安全隐患。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例的机载式室内气体遥测系统的基本结构图。

具体实施方式

图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例的机载式室内气体遥测系统的基本结构图，如图1所示，所述机载式室内气体遥测系统包括：

机载定位装置，所述机载定位装置包括：

旋翼无人机；

摄像机，所述摄像机安装在所述旋翼无人机上；

存储器，所述存储器用于存储所述摄像机传送来的图像；

比对模块，所述比对模块用于比对图像及模板，偏差传送到控制模块；所述模板是所述摄像机拍摄的作为标准楼宇窗户的图像；所述比对模块提取图像中窗户的角点(角点提取可使用Harris算法或其他类似的图像特征提取算法)，与模板中窗户的角点对比；如果角点在图像的位置以及相互的角度、距离与模板基本一致(可以设定三个比较阈值，当位置、角度和距离均小于给定阈值时，认为一致)，则匹配成功，表示定位成功。

控制模块，所述控制模块用于调整所述旋翼无人机的空间位置及所述摄像机的姿态；

遥测装置，所述遥测装置包括：

一个光源，仅有的一个光源用于发出脉冲光信号和测量光，所述测量光的波长覆盖室内待测气体(如甲烷，天然气的主要成分是甲烷)的吸收谱线；所述光源优选半导体激光器；所述一个光源安装在所述旋翼无人机上；

一个探测器，仅有的一个探测器用于将接收到的被室内不同反射物反射回来的脉冲光信号转换为第一组电信号、以及将接收到的经室内待测气体吸收后并被室内反射物反射回来的测量光转换为第二电信号，并传送到分析模块；所述一个探测器安装在所述旋翼无人机上；

分析模块，所述分析模块根据所述探测器得到第一组电信号的时间差得出距离d；以及根据吸收光谱技术得出室内待测气体的含量C：

$C=\frac{V_{2f}}{2K\·d\·V_{1f}\·S\left(T\right)\·B(P,T)}-b_0$

d为室内窗户到墙壁的距离；K为标定系数；b₀为零点系数；V_2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V_1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。

为了降低旋翼无人机的载重量以提高无人机的续航能力，进一步地，所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。

本发明实施例的机载式室内气体遥测方法，也即上述遥测系统的工作过程，所述机载式室内气体遥测方法包括以下步骤：

(B1)旋翼无人机携带定位装置及遥测装置定位到楼宇的窗户外，定位方式包括以下步骤：

(A1)选择旋翼无人机的位置及摄像机的姿态，所述摄像机拍摄的楼宇窗户的图像作为模板，并送存储器存储；

(A2)所述旋翼无人机移动到另一窗户外，所述摄像机拍摄该窗户的图像，并传送到比对模块；

(A3)比对模块比对接收到的图像及模板，提取图像中窗户的角点，与模板中窗户的角点对比；偏差传送到控制模块：

若偏差小于阈值，则定位结束，进入步骤(B2)；

若偏差不小于所述阈值，则进入步骤(A4)；

(A4)控制模块调整所述旋翼无人机的空间位置和/或所述摄像机的姿态，再次拍摄窗户的图像，并进入步骤(A3)；

(B2)一个光源发出脉冲光信号，所述脉冲光信号分别被室内的窗户和墙壁反射，被一个探测器接收并转换为第一组电信号，并传送到分析模块；

所述一个光源发出的测量光射入室内，待测气体(如甲烷，天然气的主成分是甲烷)吸收后的测量光被所述墙壁反射，被所述一个探测器接收并转换为第二电信号，并传送到分析模块；

(B3)分析模块根据所述探测器得到第一组电信号的时间差得出距离d；以及根据吸收光谱技术得出室内待测气体的含量C：

$C=\frac{V_{2f}}{2K\·d\·V_{1f}\·S\left(T\right)\·B(P,T)}-b_0$

d为室内窗户到墙壁的距离；K为标定系数；b₀为零点系数；V_2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V_1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。

为了更高效地定位窗户位置，进一步地，在步骤(A4)中，先调整所述摄像机和/旋翼无人机的姿态，若所述偏差始终不小于所述阈值，则需进一步调整所述旋翼无人机的空间位置

为了降低无人机的载重量以提高无人机的续航能力，进一步地，所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。

对于载重量大的旋翼无人机，为了降低复杂度，所述分析模块可安装在所述无人机上，通过无线方式将所述待测气体的含量C传送到监控室或监控车。

为了让业主掌握室内的安全状况，及早发现天然气泄漏等安全隐患，进一步地，所述机载式室内气体遥测方法进一步包括以下步骤：

(B4)若待测气体的含量C不为零，且呈递增趋势，提示报警，并将含量信息发送到业主的通信终端上。

实施例2：

根据本发明实施例1的遥测系统及方法在住宅楼各层房间内天然气泄漏检测中的应用例。

在该应用例中，仅有的一个光源采用DFB激光器，测量光的波长包括1651nm(对应到甲烷的吸收谱线)；激光器的驱动电路向激光器输出脉冲电流信号及连续电流信号，使得激光器发出用于测距的脉冲光信号，以及检测吸收状况的连续光信号；仅有的一个探测器采用铟镓砷材料；无人机采用大疆多旋翼无人机，一个光源和探测器安装在无人机上；使用会聚透镜(或凹面反射镜)收集被窗户及墙壁反射的光，会聚后的光被一个探测器接收；分析模块安装在监控车内，分析模块和探测器之间采用无线通信，分析模块利用脉冲信号分别被窗户、墙壁反射后的反射光到达探测器的时间差Δt而得出窗户到墙壁的距离 $d=\frac{1}{2}c\·\mathrm{\Δ}t,$ c为光速。

在遥测系统的工作过程中：

定位步骤：需要调整多旋翼无人机的位置，在楼房一层窗户外合适的检测位置处拍摄一幅模板图像并存储；

无人机爬升一定高度，该高度约等于楼房的层高。爬升的高度可以通过GPS控制，或者操作员大概估计一个高度。无人机悬停之后，所携带的摄像机拍摄一幅图像，软件提取图像上窗户的角点(角点提取可使用Harris算法或其他类似的图像特征提取算法)，然后与模板图像上窗户的角点位置进行匹配，如果角点在图像的位置以及相互的角度、距离与模板基本一致(可以设定三个比较阈值，当位置、角度和距离均小于给定阈值时，认为一致)，则匹配成功，表示定位成功，进入遥测步骤。如果上述信息差异较大，说明定位失败。

如果定位失败，尝试旋转无人机或者旋转所携带的摄像机一定角度，再次拍摄图像，按照上述匹配方法与模板图像进行匹配，如果匹配成功，则表示定位成功，进入遥测步骤。

如果调整无人机及摄像机姿态之后仍然未成功，则需要调整无人机的高度，上升或者下降一定距离，然后重复上述步骤，直到定位成功；

遥测步骤：

定位成功后，激光器发出的脉冲光分别被窗户和墙壁反射，反射光到达探测器的时间不同，输出的第一组电信号传送到分析模块；

激光器发出的连续光射入室内，被室内气体吸收，并被墙壁反射，通过分析探测器接收到的对应于甲烷的吸收谱线的测量光的强度的变化，输出的第二电信号通过无线方式传送到分析模块；

分析模块利用探测器接收到的反射光信号的时间差得到窗户到墙壁的距离d，进而根据公式得到甲烷含量；

若待测气体的含量C不为零，且呈递增趋势，提示报警，并将含量信息发送到业主的通信终端上，以便业主及时处理，排除天然气泄漏隐患。

上述实施例仅是示例性地给出了检测室内空气中甲烷的情况，当然还可以是其它气体，如苯系物、甲醛、煤气等有毒、有害气体及易燃易爆气体，对于本领域的技术人员来说，这些气体检测的具体实施例方式，在上述实施例的基础上是不需要付出创造性即可得出的。

Claims (10)

1.机载定位装置，其特征在于：所述机载定位装置包括：

旋翼无人机；

摄像机，所述摄像机安装在所述旋翼无人机上；

存储器，所述存储器用于存储所述摄像机传送来的图像；

比对模块，所述比对模块用于比对图像及模板，偏差传送到控制模块；

控制模块，所述控制模块用于调整所述旋翼无人机的空间位置及所述摄像机的姿态。

2.根据权利要求1所述的机载定位装置，其特征在于：所述模板是所述摄像机拍摄的作为标准楼宇窗户的图像。

3.机载式室内气体遥测系统，其特征在于：所述机载式室内气体遥测系统包括：

无人机装置，所述无人机装置采用权利要求1或2所述的机载定位装置；

遥测装置，所述遥测装置包括：

一个光源，仅有的一个光源用于发出脉冲光信号和测量光，所述测量光的波长覆盖室内待测气体的吸收谱线；所述一个光源安装在所述旋翼无人机上；

一个探测器，仅有的一个探测器用于将接收到的被室内不同反射物反射回来的脉冲光信号转换为第一组电信号、以及将接收到的经室内待测气体吸收后并被室内反射物反射回来的测量光转换为第二电信号，并传送到分析模块；所述一个探测器安装在所述旋翼无人机上；

分析模块，所述分析模块根据所述探测器得到第一组电信号的时间差得出距离d；以及根据吸收光谱技术得出室内待测气体的含量C：

$C=\frac{V_{2f}}{2K\·d\·V_{1f}\·S\left(T\right)\·B(P,T)}-b_0$

d为室内窗户到墙壁的距离；K为标定系数；b₀为零点系数；V_2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V_1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。

4.根据权利要求3所述的机载式室内气体遥测系统，其特征在于：所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。

5.机载定位方法，所述机载定位方法包括以下步骤：

(A1)选择旋翼无人机的位置及摄像机的姿态，所述摄像机拍摄的楼宇窗户的图像作为模板，并送存储器存储；

(A2)所述旋翼无人机移动到另一窗户外，所述摄像机拍摄该窗户的图像，并传送到比对模块；

(A3)比对模块比对接收到的图像及模板，偏差传送到控制模块：

若偏差小于阈值，则定位结束；

若偏差不小于所述阈值，则进入步骤(A4)；

(A4)控制模块调整所述旋翼无人机的空间位置和/或所述摄像机的姿态，再次拍摄窗户的图像，并进入步骤(A3)。

6.根据权利要求5所述的机载定位方法，其特征在于：在步骤(A4)中，先调整所述摄像机和/旋翼无人机的姿态，若所述偏差始终不小于所述阈值，则需进一步调整所述旋翼无人机的空间位置。

7.根据权利要求5所述的机载定位方法，其特征在于：在步骤(A3)中，提取图像中窗户的角点，与模板中窗户的角点对比。

8.机载式室内气体遥测方法，所机载式室内气体遥测方法包括以下步骤：

(B1)旋翼无人机携带定位装置及遥测装置定位到楼宇的窗户外，定位方式采用权利要求5或6或7所述的机载定位方法

(B2)所述旋翼无人机携带的仅有的一个光源发出脉冲光信号，所述脉冲光信号分别被室内的窗户和墙壁反射，被仅有的一个探测器接收并转换为第一组电信号，并传送到分析模块；所述一个探测器安装在所述旋翼无人机上；

所述一个光源发出的测量光射入室内，待测气体吸收后的测量光被所述墙壁反射，被所述一个探测器接收并转换为第二电信号，并传送到分析模块；

(B3)分析模块根据所述探测器得到第一组电信号的时间差得出距离d；以及根据吸收光谱技术得出室内待测气体的含量C：

$C=\frac{V_{2f}}{2K\·d\·V_{1f}\·S\left(T\right)\·B(P,T)}-b_0$

d为室内窗户到墙壁的距离；K为标定系数；b₀为零点系数；V_2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V_1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。

9.根据权利要求8所述的机载式室内气体遥测方法，其特征在于：所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。

10.根据权利要求8所述的机载式室内气体遥测方法，其特征在于：所述机载式室内气体遥测方法进一步包括以下步骤：

(B4)若待测气体的含量C不为零，且呈递增趋势，提示报警，并将含量信息发送到业主的通信终端上。