CN107218970A - 一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，由无线通信模块、控制系统、数据存储模块、电源、惯性导航系统、空间定位模块、数据监测模块构成。主要操作方法是无人机控制系统接收地面主机指令启动飞行并由惯性导航系统、空间定位模块和数据监测模块实时获取和同步外方位姿态信息，地面主机利用无人机采集的方位信息和地貌影像信息仿真拟合出煤田火区地形地貌特征，并集成红外热成像信息、混合指标性气体比例指标(如CO/CO2)和大气温湿度以预测煤田火区地表温度分布特征以及相应的煤火燃烧态势。本发明能够快速、安全地仿真大范围煤田火区地形地貌特征、地表温度场分布以及预测煤火燃烧态势。

Description

一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，适用于煤田火区分布情况和燃烧态势的判定，为煤火防治和利用提供重要的信息支持。
背景技术
作为一个世界普遍存在的全球性灾难，煤火极大地造成了煤炭资源直接和间接的浪费、生态环境的破坏以及人类的健康与安全威胁。煤田火灾是一个世界普遍存在的全球性灾难，其中中国煤火范围最大，其次是美国，印度，南非和澳大利亚，造成了严重的煤炭资源损失、土壤、水及大气环境污染、生态破坏和地质灾害。因此。对于现有及潜在的煤田火灾的防治至关重要。国内外学者提出煤田火区分布范围的探测方法，其中包括依据煤田火多发生于煤岩松散区域的特点，采用地质雷达和瞬变电磁仪测试探测区的电磁波振幅和二次感生电磁场，圈定探测区煤岩松散区的分布范围，并在松散区施工测气钻孔，分析气样组分和浓度以判定各区域的煤火燃烧程度；通过获取目标区域的卫星遥感影像数据计算目标区域中植物的植被指数，以及根据植被指数确定目标区域中的煤火区域；通过获取目标区域的热红外影像、与热红外影像中的DN值信息对应的温度信息以及与温度信息对应的发射率信息，以温度信息确定目标区域中的第一范围，以发射率信息在第一范围中确定煤火范围；以及通过对预定地区地表的裂隙和温度的勘测和监测以获取所述预定地区的地下煤火信息。但是上述对煤火分布的探测具有一定的局限性，一些监测方法的实施要求工作人员亲赴现场采集数据，使得煤火燃烧产生的温度异常和有毒有害气体、地表塌陷风险威胁着职工的生命和健康安全，而一些方法只针对特定的某个位置或区域，无法大范围快速地收集数据，以偏概全，数据分析存在偏差，并且很难对煤火进行系统全面的地形地貌和煤火态势的预测。一些学者布设CO、CO2、SO2气体传感器利用GPS信号传输数据对煤火区环境实施实时综合检测，快速地获取煤火区内多种环境参数和定位数据，并绘制煤火区内环境参数的地理分布图，可以及时全面地评估煤火区的空气污染状况，但该方法需要在煤火区布置大量的传感器，且并没有对煤火燃烧态势进行分析。
目前无人机以其安全、便捷、智能、高效等技术特点，已经在航拍、农业、快递运输、灾难救援、观察野生动物、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等领域得到应用，各个国家同时也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。本发明将无人机技术引入煤火领域中，提出一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，能够快速地、大范围地仿真拟合煤田火区地形地貌特征、地表温度场分布和预测煤火燃烧态势，对于煤火防治和利用意义重大。
发明内容
本发明目的是，针对煤田火区分布和燃烧态势的判定存在的不安全、不全面、不快速和不精确等问题，提供一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，实现大范围地、快速安全地、较为精确地仿真拟合煤田火区地形地貌特征、地表温度场分布和预测煤火燃烧态势。
系统及方法，主要包括无线通信模块、控制系统、数据存储模块、电源、惯性导航系统、空间定位模块、数据监测模块等，其特征在于无线通信模块设置在机头舱里，控制系统、数据存储模块、电源、惯性导航系统、数据监测模块依次设计安装在机身舱内，空间定位模块设计安装在机身中间位置。由地面主机通过无线通信模块向无人机发送控制指令至无人机上控制系统控制无人机运行，同时控制惯性导航系统、空间定位模块和数据监测模块实时获取并同步无人机外方位姿态信息、距地面高度、经纬度、海拔高度、卫星时间等方位信息以及地貌影像及红外热成像信息、指标性气体浓度信息和空气温湿度信息，并存储到数据存储模块，同时通过无线通信模块传送至地面主机，地面主机利用无人机采集的方位信息和地貌影像信息进行仿真拟合得出煤田火区地形地貌特征，并集成红外热成像信息、混合指标性气体的比例指标如CO/CO2和空气温湿度以预测煤田火区地表温度分布特征以及相应的煤火燃烧态势。
所述无人机设计6个旋翼实现无人机稳定的空中悬停和精确监测，利用前后左右的旋翼的转速之差以实现无人机的前进或者旋转。无线通信模块具有安全的远程无线通信功能，采用2.4G无线通信协议，利用数据包形式进行在无人机飞行过程中与地面主机的控制指令和监测数据的传输。控制系统采用51单片机处理器，控制飞机飞行、无线通信模块、数据存储模块、惯性导航系统、空间定位模块以及数据监测模块的运行。惯性导航系统用以获取飞机飞行的外方位姿态信息。空间定位模块主要由激光测距传感器和卫星定位模块构成，其中激光测距传感器位于机身中间下方，用以测量飞机距地面高度；卫星定位模块位于机身中间上方，用以获取飞机飞行的经纬度、海拔高度及卫星时间等信息，确保与惯性导航模块和数据监测模块的数据同步。数据监测模块由远程红外测温摄像装置、烟气组分传感器和空气温湿度传感器构成，远程红外测温摄像装置监测煤田火区地貌和地表温度分布情况，烟气组分传感器可监测CO、CO2、SO2等煤火指标性气体，空气温湿度传感器监测空气温度和湿度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用无人机对煤田火区地貌地形、地表异常温度分布和环境信息进行大范围快速的监测，即避免了工作人员现场监测存在的人身安全隐患，又节省了人力、物力；同时通过无人机获取的地形地貌特征和地表温度异常分布特征，为现场煤田火灾防灭火工程的安全可靠的实施，提供了有力的保障；再者采用地表温度场分布、混合指标性气体比例指标以及空气温湿度判定煤火燃烧态势，对于煤火风险的预测和评估具有十分重要的意义；最后，可通过连续时间的无人机监测探测煤火蔓延趋势。
附图说明
图1是本发明的整体主视图的结构图。
图2是本发明的整体侧视图的结构图。
附图中1-机头，2-无线通信模块，3-机身，4-控制系统，5-数据存储模块，6-电源，7-惯性导航系统，8-空间定位模块，8-1-卫星定位模块，8-2-激光测距传感器，9-数据监测模块，10-远程红外测温摄像装置，11-烟气组分传感器，12-空气温湿度传感器，13-旋翼，14-机尾。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实例作进一步描述：
一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，无人机主要包括无线通信模块2、控制系统4、数据存储模块5、电源6、惯性导航系统7、空间定位模块8、数据监测模块9，无线通信模块2设置在机头1舱里，控制系统4、数据存储模块5、电源6、惯性导航系统7、数据监测模块9依次设计安装在机身3舱内，空间定位模块8设计安装在机身3中间位置。
无人机设计6个旋翼13实现无人机稳定的空中悬停和精确监测，利用前后左右的旋翼13的转速之差以实现无人机的前进和旋转。
所述无线通信模块2具有安全的远程无线通信功能，采用2.4G无线通信协议，利用数据包形式进行在无人机飞行过程中与地面主机的控制指令和监测数据的传输。
所述控制系统4采用51单片机处理器，控制飞机飞行、无线通信模块2、数据存储模块5、惯性导航系统7、空间定位模块8以及数据监测模块9的运行。
所述惯性导航系统7用以获取飞机飞行的外方位姿态信息。
所述空间定位模块8主要由卫星定位模块8-1和激光测距传感器8-2构成，其中卫星定位模块8-1位于机身3中间上方，用以获取飞机飞行的经纬度、海拔高度及卫星时间等信息，确保与惯性导航模块7和数据监测模块9的数据同步；激光测距传感器8-2位于机身3中间下方，用以测量飞机距地面高度。
所述数据监测模块9由远程红外测温摄像装置10、烟气组分传感器11和空气温湿度传感器12构成，远程红外测温摄像装置10监测煤田火区地貌和地表温度分布情况，烟气组分传感器11可监测CO、CO2、SO2等煤火指标性气体，空气温湿度传感器12监测空气温度和湿度。
一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机方法，由地面主机通过无线通信模块2向无人机发送控制指令至无人机上控制系统4控制无人机运行，同时控制惯性导航系统7、空间定位模块8和数据监测模块9实时获取并同步无人机外方位姿态信息、距地面高度、经纬度、海拔高度、卫星时间等方位信息以及地貌影像及红外热成像信息、指标性气体浓度信息和空气温湿度信息，并存储到数据存储模块5，同时通过无线通信模块2传送至地面主机，地面主机利用无人机采集的方位信息和地貌影像信息进行仿真拟合得出煤田火区地形地貌特征，并集成红外热成像信息、混合指标性气体的比例指标如CO/CO2和空气温湿度以预测煤田火区地表温度分布特征以及相应的煤火燃烧态势。
分布式煤田火区废弃热能发电系统由无线通信模块2、控制系统4、数据存储模块5、电源6、惯性导航系统7、空间定位模块8、数据监测模块9等构成。由地面主机通过无线通信模块2向无人机发送控制指令至无人机上控制系统4控制无人机运行，同时控制惯性导航系统7、空间定位模块8和数据监测模块9实时获取并同步无人机外方位姿态信息、距地面高度、经纬度、海拔高度、卫星时间等方位信息以及地貌影像及红外热成像信息、指标性气体浓度信息和空气温湿度信息，并存储到数据存储模块5，同时通过无线通信模块2传送至地面主机，地面主机利用无人机采集的方位信息和地貌影像信息进行仿真拟合得出煤田火区地形地貌特征，并集成红外热成像信息、混合指标性气体的比例指标如CO/CO2和空气温湿度以预测煤田火区地表温度分布特征以及相应的煤火燃烧态势。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，其特征在于：无人机主要包括无线通信模块(2)、控制系统(4)、数据存储模块(5)、电源(6)、惯性导航系统(7)、空间定位模块(8)、数据监测模块(9)，无线通信模块(2)设置在机头(1)舱里，控制系统(4)、数据存储模块(5)、电源(6)、惯性导航系统(7)、数据监测模块(9)依次设计安装在机身(3)舱内，空间定位模块(8)设计安装在机身(3)中间位置。
2.根据权利要求1中所述的一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，其特征在于：无人机设计6个旋翼(13)实现无人机稳定的空中悬停和精确监测，利用前后左右的旋翼(13)的转速之差以实现无人机的前进和旋转。
3.根据权利要求1中所述的一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，其特征在于：所述无线通信模块(2)具有安全的远程无线通信功能，采用2.4G无线通信协议，利用数据包形式进行在无人机飞行过程中与地面主机的控制指令和监测数据的传输。
4.根据权利要求1中所述的一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，其特征在于：所述控制系统(4)采用51单片机处理器，控制飞机飞行、无线通信模块(2)、数据存储模块(5)、惯性导航系统(7)、空间定位模块(8)以及数据监测模块(9)的运行。
5.根据权利要求1中所述的一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，其特征在于：所述惯性导航系统(7)用以获取飞机飞行的外方位姿态信息。
6.根据权利要求1中所述的一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，其特征在于：所述空间定位模块(8)主要由卫星定位模块(8-1)和激光测距传感器(8-2)构成，其中卫星定位模块(8-1)位于机身(3)中间上方，用以获取飞机飞行的经纬度、海拔高度及卫星时间等信息，确保与惯性导航模块(7)和数据监测模块(9)的数据同步；激光测距传感器(8-2)位于机身(3)中间下方，用以测量飞机距地面高度。
7.根据权利要求1中所述的一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机及其方法，其特征在于：所述数据监测模块(9)由远程红外测温摄像装置(10)、烟气组分传感器(11)和空气温湿度传感器(12)构成，远程红外测温摄像装置(10)监测煤田火区地貌和地表温度分布情况，烟气组分传感器(11)可监测CO、CO2、SO2等煤火指标性气体，空气温湿度传感器(12)监测空气温度和湿度。
8.一种用于监测煤田火区分布及燃烧态势的无人机方法，其特征在于：由地面主机通过无线通信模块(2)向无人机发送控制指令至无人机上控制系统(4)控制无人机运行，同时控制惯性导航系统(7)、空间定位模块(8)和数据监测模块(9)实时获取并同步无人机外方位姿态信息、距地面高度、经纬度、海拔高度、卫星时间等方位信息以及地貌影像及红外热成像信息、指标性气体浓度信息和空气温湿度信息，并存储到数据存储模块(5)，同时通过无线通信模块(2)传送至地面主机，地面主机利用无人机采集的方位信息和地貌影像信息进行仿真拟合得出煤田火区地形地貌特征，并集成红外热成像信息、混合指标性气体的比例指标(如CO/CO2)和空气温湿度以预测煤田火区地表温度分布特征以及相应的煤火燃烧态势。
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