CN106990789B - 一种特种环境侦查系统及特种环境的快速侦察方法 - Google Patents

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    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft

Abstract

本发明涉及一种特种环境侦查系统和特种环境的快速侦察方法，所述侦察方法包括步骤：步骤S1.通过控制终端控制多个微型飞行器进入特种环境空间；步骤S2.所述多个微型飞行器组建微型移动式无线传感网络；步骤S3.所述多个微型飞行器通过搭载的微环境传感器和微型高清摄像头侦查特种环境空间；步骤S4.所述多个微型飞行器通过无线通信模块将信息回传；步骤S5.控制终端分析回传的信息。本发明实现了对存在危险、人员不宜进入的特种环境空间的多点、快速无线侦察，可有效提高对视距范围外特种空间的环境认知能力。

Description

一种特种环境侦查系统及特种环境的快速侦察方法
技术领域
本发明涉及环境探测技术领域，尤其涉及一种特种环境侦查系统及特种环境的快速侦察方法。
背景技术
易燃、易爆、有毒、有害气体泄漏，常常是造成重大安全事故的直接原因，一旦发生火灾、爆炸或有害气体的大范围泄漏，将严重威胁人民群众的生命及财产安全，对救援人员自身安全也构成极大威胁。目前，对危险环境侦查的研究较多，主要的技术手段为视频信息采集，即通过无人车或无人飞行器搭载摄像头，将现场视频信息摄录并发送回主控端；或在目标区域预先布设无线传感器，组建无线传感网络，以实现对区域环境信息的实时监测。这些研究取得了一些进展，但仍存在一些不足，如：空间中的危险气体通常无法通过视频或图像信息进行辨识，因此单纯依靠摄像头所能采集的有效信息非常有限；而预先布设无线传感器，组建无线传感网络的方法成本高、灵活度差、实现难度大，且需要电源或电池供电。常规的环境传感器由于功耗较大，在使用电池的条件下工作时间较短，难以满足长时间工作的要求；而采用外部电源则会增加系统的复杂程度，且当危险状况发生时外部电源极易失效或被迫主动关闭，使传感网络无法工作。因此，有必要提供一种环境侦测方法，解决传统的基于视频信息采集的环境侦查方式所能提供的有效信息十分有限，以及布设式无线传感网络在外部电源失效情况下无法工作，且造价高、维护困难、灵活度差的问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于微型移动式无线传感节点的特种环境侦查系统及特种环境的快速侦察方法，用以解决现有方法存在的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
提供一种特种环境侦查系统，系统包括：微型飞行器、控制终端。
多个微型飞行器通过控制终端组成微型移动式无线传感网络。
微型飞行器搭载设备包括：嵌入式处理器、微电机及配套桨叶、电池、微型高清摄像头及控制机构、微惯性测量单元、微环境传感器、无线通讯模块、卫星定位接收机。
具体的，
所述电池为锂电池；
所述微电机及配套桨叶用于实现微型飞行器的飞行；
所述微型高清摄像头用于进行视频拍摄，控制机用于进行微型高清摄像头的姿态调整；
所述嵌入式处理器为ARM架构的微处理器，运行微型飞行器的控制程序；
所述微惯性测量单元用于实时计算微型飞行器的姿态角度；
所述微环境传感器用于实时测量周围环境的温湿度、气压、目标气体浓度；
所述微惯性测量单元与微环境传感器通过I2C(Inter-Integrated Circuit)总线将测量信息发送到嵌入式处理器；
所述无线通讯模块包括数据无线传输模块和视频无线传输模块，数据无线传输模块为支持SPI数据总线和2.4G无线通讯的芯片级产品，视频无线传输模块压缩并发送微型高清摄像头摄录的视频数据；
所述卫星定位接收机通过串口将定位数据发送到嵌入式处理器。
进一步的，嵌入式处理器的控制程序实现：嵌入式处理器时钟、外设、总线的初始化、无线通讯模块的数据收发控制、微惯性测量单元及微环境传感器的设置与测量数据读取、卫星定位接收机的定位信息读取、微型高清摄像头的控制以及微型飞行器的飞行控制。
具体的，所述控制终端包括：计算机、控制手柄和无线通讯模块；
控制手柄和无线通讯模块通过USB接口与计算机相连；
无线通讯模块，用于进行数据和控制命令的收发，包括数据无线传输模块和视频无线传输模块，数据无线传输模块为支持SPI数据总线和2.4G无线通讯的产品，视频无线传输模块用于接收并解压缩微型高清摄像头摄录的视频数据；
计算机运行可视化控制程序并显示、存储微型飞行器发送的数据；
控制手柄产生的控制命令经计算机解读后通过无线通讯模块发送到微型飞行器。
本发明还提供一种特种环境的快速侦察方法，包括步骤：
步骤S1.通过控制终端控制多个微型飞行器进入特种环境空间；
步骤S2.所述多个微型飞行器通过控制终端组建微型移动式无线传感网络；
步骤S3.所述多个微型飞行器通过搭载的微环境传感器和微型高清摄像头侦查特种环境空间；
步骤S4.所述多个微型飞行器通过机载无线通信模块将信息回传；
步骤S5.控制终端分析回传的信息。
其中，步骤S1中控制终端通过手动控制微型飞行器进入特种环境空间，或者通过设定微型飞行器的目标姿态角度，并通过控制终端的无线通讯模块将目标姿态角度发送至微型飞行器。
步骤S3进一步包括：微型飞行器进入目标空间后，嵌入式处理器读取微环境传感器采集的信息，并将信息通过SPI总线发送到无线通讯模块，以无线通讯的方式传回控制终端。
步骤S3中，控制终端通过可视化控制程序向高清摄像头发送摄录指令及调整摄录方向指令。
步骤S5中，控制终端的可视化控制程序对数据和微型飞行器的空间分布信息进行图形化显示，或者显示特种环境空间内信息的分布云图。
本发明有益效果如下：
本发明通过搭载微环境传感器、微惯性测量单元、微型高清摄像头、卫星定位接收机的微型飞行器，实现了对存在危险、人员不宜进入的特种环境空间的多点、快速无线侦察，提高了对视距范围外特种空间的环境认知能力，进一步实现对特种环境空间的大范围、快速侦察。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为微型飞行器的结构示意图；
图2为控制终端的结构示意图；
图3为特种环境的快速侦察方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明的具体实施例分别公开了一种特种环境侦查系统和特种环境侦查方法，所述特种环境是：充满有毒有害物质或/和存在爆炸、坍塌等高风险，人员无法或不宜进入，但微型飞行器可在其中飞行的环境空间。
本发明的第一具体实施例，公开了一种特种环境侦查系统，包括：微型飞行器1、控制终端2；多个微型飞行器组成微型移动式无线传感网络。
微型飞行器搭载设备包括：嵌入式处理器3、微电机及配套桨叶4、电池5、微型高清摄像头及控制机构6、微惯性测量单元7、微环境传感器8、无线通讯模块9、卫星定位接收机10。
其中，整个微型飞行器通过电池5供电，该电池具体采用锂电池。
微电机及配套桨叶4用于实现微型飞行器的飞行。
微型高清摄像头6用于进行视频拍摄，控制机构6用于进行微型高清摄像头的姿态调整。微型高清摄像头拍摄的视频数据发送到嵌入式处理器，再通过无线通讯模块发送出去。
嵌入式处理器3为ARM架构的微处理器，可通过调制PWM信号的占空比对微电机及配套桨叶的转速进行控制，实现对微型飞行器升力的调节。
微惯性测量单元7可实时计算微型飞行器的姿态角度。
微环境传感器8可实时测量周围环境的温湿度、气压、目标气体浓度。
微惯性测量单元与微环境传感器通过I2C总线将测量信息发送到嵌入式处理器。
无线通讯模块9包括数据无线传输模块和视频无线传输模块。数据无线传输模块为支持SPI数据总线和2.4G无线通讯的芯片级产品；视频无线传输模块可压缩并发送微型高清摄像头摄录的视频数据。数据无线传输模块和视频无线传输模块的尺寸小于1cm×1cm，最大通讯距离大于100m，质量小于1g。
卫星定位接收机10通过串口将定位数据发送到嵌入式处理器。
嵌入式处理器内运行微型飞行器的控制程序，其功能是：实现嵌入式处理器时钟、外设、总线的初始化、无线通讯模块的数据收发控制、微惯性测量单元及微环境传感器的设置与测量数据读取、卫星定位接收机的定位信息读取、微型高清摄像头的控制以及微型飞行器的飞行控制。
控制终端2包括：计算机11、控制手柄12和无线通讯模块13。控制手柄和无线通讯模块通过USB接口与计算机相连。无线通讯模块包括数据无线传输模块和视频无线传输模块。数据无线传输模块为支持SPI数据总线和2.4G无线通讯的产品，视频无线传输模块可接收并解压缩微型高清摄像头摄录的视频数据。数据无线传输模块和视频无线传输模块的最大通讯距离大于100m。计算机运行可视化控制程序并显示、存储微型飞行器发送的数据。控制手柄产生的控制命令经计算机解读后通过无线通讯模块发送到微型飞行器。微型飞行器发来的数据也经无线通讯模块接收后输出至计算机进行存储与显示。
本发明的第二具体实施例，公开了一种特种环境的快速侦察方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤S1.通过控制终端控制多个微型飞行器进入特种环境空间。
控制终端可手动控制微型飞行器进入特种环境空间，也可通过设定微型飞行器的目标姿态角度，并通过控制终端的无线通讯模块将目标姿态角度发送至微型飞行器。微型飞行器的无线通讯模块将接收到得数据发送给嵌入式处理器，嵌入式处理器通过I2C总线读取微惯性测量单元输出的当前姿态角度并与目标姿态角度对比，得到偏差角度，将偏差通过映射关系得到各个桨叶相应的转速差值，从而实现对微型飞行器飞行方向和线路的实时控制。控制终端支持对多个微型飞行器的参数设定及控制，可使若干个微型飞行器进入目标区域。
步骤S2.组建微型移动式无线传感网络。
多个微型飞行器进入特种环境空间后，控制终端可分别对各个微型飞行器的飞行状态和功能进行控制，既可控制微型飞行器向不同方向飞行，也可控制微型飞行器保持固定位置。控制终端通过控制进入特种环境空间的微型飞行器的飞行区域和功能，以及多个微型飞行器通过搭载的无线通信模块组成无线自组网，无线自组网可以组建具有多个移动式无线传感节点的网络。
具体地，通过保持在固定位置的微型飞行器作为联系其他不同机动位置的微型飞行器的连接节点，扩大无线自组网的覆盖面积及稳定性。
如果事先已经获取到特种环境的空间参数，可以预先设置各个微型飞行器的位置，包括固定位置及机动位置。
步骤S3.微型飞行器通过搭载的微环境传感器及微型高清摄像头侦查特种环境空间。
控制终端可开启或关闭微型飞行器的微环境传感器和微型高清摄像头，操作人员可根据具体情况控制各个微型飞行器通过微环境传感器采集目标气体含量等环境信息，并通过微型高清摄像头对周围环境进行摄录。
微型飞行器搭载的微环境传感器，可实时检测所处环境的气压、温度、湿度、目标气体浓度信息。
微型飞行器进入目标空间后，控制终端通过可视化控制程序向高清摄像头发送摄录指令及调整摄录方向指令，微型飞行器搭载的微型高清摄像头可实时采集视频信息并可通过摄像头控制机构调整摄录方向，获取最佳的摄录视角。
步骤S4.微型飞行器通过机载无线通信模块将信息回传。
嵌入式处理器可将微环境传感器测量的数据封装处理后通过无线通讯模块的数据无线传输模块通过无线自组网回传到控制终端；微型高清摄像头采集的视频数据则经压缩后通过无线通讯模块的视频无线传输模块通过无线自组网回传到控制终端。
步骤S5.控制终端分析回传的信息。
控制终端通过地面无线通讯模块接收微型飞行器回传的视频、温湿度、气压、目标气体浓度数据，可视化控制程序对数据和微型飞行器的空间分布信息进行分析并图形化显示，既可显示多组特种环境空间不同位置、不同摄录角度的实时视频画面，也可显示特种环境空间内温湿度、气压、目标气体含量等信息的分布云图，供控制终端操作人员进行分析与决策。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于微型移动式无线传感节点的特种环境快速侦查方法，实现了对存在危险、人员不宜进入的特种环境空间的多点、快速无线侦察，可有效提高对视距范围外特种空间的环境认知能力，这对于特殊环境救援的决策具有重要意义。采用移动式侦察平台，既搭载视频摄录设备，又搭载可采集重要环境参数的微传感器，利用移动式侦察平台的可控飞行能力，可组建无线侦察网络，容易实现对特种环境空间的大范围、快速侦察。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种特种环境侦查系统，其特征在于，包括：微型飞行器、控制终端；
多个微型飞行器通过控制终端组成微型移动式无线传感网络；
微型飞行器搭载设备包括：嵌入式处理器、微电机及配套桨叶、电池、微型高清摄像头及控制机构、微惯性测量单元、微环境传感器、无线通讯模块、卫星定位接收机；
所述控制终端分别对各个微型飞行器的飞行状态和功能进行控制，既能够控制微型飞行器向不同方向飞行，也能够控制微型飞行器保持固定位置；控制终端通过控制进入特种环境空间的微型飞行器的飞行区域和功能，以及多个微型飞行器通过搭载的无线通信模块组成无线自组网，无线自组网可以组建具有多个移动式无线传感节点的网络；
其中，多个微型飞行器中的任一微型飞行器能够保持在固定位置，用于作为联系其他不同机动位置的微型飞行器的连接节点；
所述微惯性测量单元用于实时计算微型飞行器的姿态角度；所述嵌入式处理器通过I2C总线读取微惯性测量单元输出的当前姿态角度并与目标姿态角度对比，得到偏差角度，根据该偏差角度通过映射关系得到各个桨叶相应的转速差值，从而实现对微型飞行器飞行方向和线路的实时控制；
所述无线通讯模块包括数据无线传输模块和视频无线传输模块，数据无线传输模块为支持SPI数据总线和2.4G无线通讯的芯片级产品，视频无线传输模块压缩并发送微型高清摄像头摄录的视频数据；嵌入式处理器可将微环境传感器测量的数据封装处理后通过无线通讯模块的数据无线传输模块通过无线自组网回传到控制终端；微型高清摄像头采集的视频数据则经压缩后通过无线通讯模块的视频无线传输模块通过无线自组网回传到控制终端。
2.根据权利要求1所述的特种环境侦查系统，其特征在于，
所述电池为锂电池；
所述微电机及配套桨叶用于实现微型飞行器的飞行；
所述微型高清摄像头用于进行视频拍摄，控制机构用于进行微型高清摄像头的姿态调整；
所述嵌入式处理器为ARM架构的微处理器，运行微型飞行器的控制程序；
所述微环境传感器用于实时测量周围环境的温湿度、气压、目标气体浓度；
所述微惯性测量单元与微环境传感器通过I2C总线将测量信息发送到嵌入式处理器；
所述卫星定位接收机用于获取定位数据，并通过串口将定位数据发送到嵌入式处理器。
3.根据权利要求2所述的特种环境侦查系统，其特征在于，所述嵌入式处理器的控制程序实现：嵌入式处理器时钟、外设、总线的初始化、无线通讯模块的数据收发控制、微惯性测量单元及微环境传感器的设置与测量数据读取、卫星定位接收机的定位信息读取、微型高清摄像头的控制以及微型飞行器的飞行控制。
4.根据权利要求1所述的特种环境侦查系统，其特征在于，所述控制终端包括：计算机、控制手柄和无线通讯模块；
控制手柄和无线通讯模块通过USB接口与计算机相连；
无线通讯模块，用于进行数据和控制命令的收发，包括数据无线传输模块和视频无线传输模块，数据无线传输模块为支持SPI数据总线和2.4G无线通讯的产品，视频无线传输模块用于接收并解压缩微型高清摄像头摄录的视频数据；
计算机运行可视化控制程序并显示、存储微型飞行器发送的数据；
控制手柄产生的控制命令经计算机解读后通过无线通讯模块发送到微型飞行器。
5.一种特种环境的快速侦察方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S1.通过控制终端控制多个微型飞行器进入特种环境空间；
步骤S2.所述多个微型飞行器通过控制终端组建微型移动式无线传感网络；
步骤S3.所述多个微型飞行器通过搭载的微环境传感器和微型高清摄像头侦查特种环境空间；
步骤S4.所述多个微型飞行器通过无线通信模块将信息回传；
所述微型飞行器上的嵌入式处理器可将微环境传感器测量的数据封装处理后通过无线通讯模块的数据无线传输模块通过无线自组网回传到控制终端；微型高清摄像头采集的视频数据则经压缩后通过无线通讯模块的视频无线传输模块通过无线自组网回传到控制终端；
步骤S5.控制终端分析回传的信息；
所述控制终端分别对各个微型飞行器的飞行状态和功能进行控制，既能够控制微型飞行器向不同方向飞行，也能够控制微型飞行器保持固定位置；控制终端通过控制进入特种环境空间的微型飞行器的飞行区域和功能，以及多个微型飞行器通过搭载的无线通信模块组成无线自组网，无线自组网可以组建具有多个移动式无线传感节点的网络；
其中，多个微型飞行器中的任一微型飞行器可以保持在固定位置，用于作为联系其他不同机动位置的微型飞行器的连接节点；
还包括，实时计算微型飞行器的姿态角度；所述嵌入式处理器通过I2C总线读取微惯性测量单元输出的当前姿态角度并与目标姿态角度对比，得到偏差角度，根据该偏差角度通过映射关系得到各个桨叶相应的转速差值，从而实现对微型飞行器飞行方向和线路的实时控制。
6.根据权利要求5所述的特种环境的快速侦察方法，其特征在于，步骤S1中控制终端通过手动控制微型飞行器进入特种环境空间，或者通过设定微型飞行器的目标姿态角度，并通过控制终端的无线通讯模块将目标姿态角度发送至微型飞行器。
7.根据权利要求5所述的特种环境的快速侦察方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：微型飞行器进入目标空间后，嵌入式处理器读取微环境传感器采集的信息，并将信息通过SPI总线发送到无线通讯模块，以无线通讯的方式传回控制终端。
8.根据权利要求5所述的特种环境的快速侦察方法，其特征在于，步骤S3中，控制终端通过可视化控制程序向高清摄像头发送摄录指令及调整摄录方向指令。
9.根据权利要求5所述的特种环境的快速侦察方法，其特征在于，步骤S5中，控制终端的可视化控制程序对数据和微型飞行器的空间分布信息进行图形化显示，或者显示特种环境空间内信息的分布云图。
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