CN107340547A - 一种无人机载光谱侦检系统及其用于危险物侦检作业的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种无人机载光谱侦检系统，包括无人机、通信控制模块、影像采集模块、检测模块、导航定位模块。本发明实现了极端或危险环境以及复杂地形下的化学物快速准确鉴定，避免了现有手持侦检作业的人员危险。本发明包括无人机、光谱检测装置，光谱检测装置用于对待测目标进行红外光谱或拉曼光谱定性及定量检测分析，所述光谱检测装置通过卡扣或螺栓或限位销固定于无人机底部正中后方的光谱检测模块安装位，并可被拆卸。地面控制中心获取、计算分析光谱检测装置发送的待测目标光谱信息。无人机可以根据采集到的图像及卫星定位信息按照所设计的采样路径自动飞行进行采样作业，或人为控制飞行姿态和路径进行采样作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机载光谱侦检系统及其用于危险物侦检作业的控制方法，属于安全监察领域、消防领域及理化检验的技术领域。
背景技术
目前的安全监察领域、消防领域及理化检验领域中，对于复杂地形、极端环境和危险环境中的化学物侦检工作仍主要依靠人工手持侦检仪器徒步或车载实施，不仅效率低，受地形限制明显，在面对次生危害的发生和有害物质的暴露时，侦检人员的人身安全也难以得到保障。因此，发展一种能够有效替代人工侦检的技术并应用于复杂地形、极端环境和危险环境的化学物侦检技术，在安全监察领域及理化检验领域，尤其是危险化学品灾害事故应急救援、消防中具有十分重要的意义。
随着科学技术水平的提高，将检测仪器设备搭载在无人机、遥测车和机器人等无人机动装置上逐渐成为研究的热点。随着无人机技术并日趋完善，无人机所具备的机动性好、生存能力强、受地形限制小、使用方便、无人员危险等优点使得无人机逐渐从军事领域走向民用领域，并在农业、工业及民用消费级领域大放异彩。在现有无人机搭载检测仪器设备的技术中，对于环境中的固体和液体化学物尚缺乏快速准确的检测技术手段。红外光谱可以提供被测物的结构官能团信息，具有灵敏度高、快速准确的优点，并广泛颖用于化合物识别与检测领域，可用于固态、液态和气态待测物的检测。拉曼光谱检测装置能够对除金属单质外的绝大多数化学物进行快速准确的识别鉴定，检测的信噪比低，光谱谱线尖锐，且谱线与化学物一一对应，能够很好的区分各种异构体；在潮湿的环境下拉曼光谱检测装置还具有不受水分子影响的优点，尤其对于固态、液态待测物的快速检测有着明显的优势。但是采用何种连接方式将所述检测模块(包括：拉曼光谱检测模块、红外光谱检测模块，或红外-拉曼二合一检测模块)与现有的无人机有效结合成为现有技术所亟待解决的技术问题。
目前，已有技术中使用红外技术进行侦测的无人机，其应用范围主要为地理探测、生物目标探测，而利用无人机搭载系统实现对于多种类型的化合物，尤其是固态、气态化合物进行准确，快速的识别与侦检尚为空缺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种无人机载光谱侦检系统。
本发明还提供上述系统用于危险物侦检作业的控制方法。
本发明可实现极端或危险环境以及复杂地形下的化学物快速准确鉴定，并有效避免现有手持侦检作业的人员危险。
本发明的技术方案如下：
一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，该系统包括无人机、通信控制模块、影像采集模块、检测模块、导航定位模块；
所述通信控制模块用于：远程接收控制中心发出的控制信息，使无人机按照规划飞行路线和检测程序执行飞行和检测程序；或者，远程接收控制中心发出的控制信息，使无人机实时接收控制中心发出的飞行指令和检测指令并按飞行指令实时飞行和检测；用于将所述影像采集模块采集到的影响资料实时传送至控制中心；用于将所述检测模块采集到的数据实时传送至控制中心；
所述影像采集模块用于：实时采集无人机飞掠过的环境影像；
所述检测模块用于：用于检测目标区域物质的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据。
所述导航定位模块用于，实时采集无人机的位置和路径信息。
根据本发明优选的，所述通信控制模块为5G-wifi、IMT-2020(5G)、4G-FDD和4G-LTE移动通信模块中的至少一种。
根据本发明优选的，所述影像采集模块包括与所述无人机固定连接的360°水平旋转的云台、在所述云台上设置有180°旋转的旋转支架、在所述旋转支架上设置有摄像机。优选的，所述的摄像机为红外热感摄像机。
根据本发明优选的，所述无人机载光谱侦检系统还包括多向距离传感器，用于获取所述无人机与周围障碍物的距离。
根据本发明优选的，所述检测模块包括光谱检测模块，所述光谱检测模块为拉曼光谱检测模块、红外光谱检测模块或红外-拉曼二合一检测模块。
优选的，所述红外光谱检测模块为Thermo microPHAZIRTM Rx手持式近红外光谱仪；
所述拉曼光谱检测模块为B@W Tek-N拉曼光谱检测模块；
所述红外-拉曼二合一检测模块为Gemini FTIR/Raman Handheld Analyzer红外光谱/拉曼光谱二合一检测模块。但是本发明的技术方案并不仅限于以上检测模块的具体型号，只要能实现拉曼光谱检测、红外光谱检测的均是本发明所述方案的保护内容。
根据本发明优选的，所述检测模块还包括可伸缩光纤探头，所述可伸缩光纤探头包括：受电动绞盘控制长度的悬垂式探测光纤，所述探测光纤与所述光谱检测模块的探头端相连。在本发明中，可将所述检测模块设计为可固定在无人机上的结构形状，例如近似长方体，并在其周围面增加安装螺栓、卡扣或限位销以适应安装在侦检无人机上，但是具体形状并不限于此。
根据本发明优选的，所述探测光纤通过可脱出的限位卡扣与光谱检测模块的探头端相连接，在所述电动绞盘出口侧安装拉力传感器。当所述探测光纤被牵拉，其拉力传感器的牵引力超过预设数值超过固定时间时，探测光纤与光谱检测模块连接处的限位卡扣将自行脱开，同时电动绞盘向使得探测光纤伸长的方向转动并最终使得探测光纤全部脱离电动绞盘。以避免光纤探头被牵绊或发生缠绕，从而引起无人机坠毁。所述拉力传感器的牵引力预设数值为50牛，固定时间为6秒，该力度和时间参数可根据具体作业区域的性质调整，本发明只保护该遇险情况的紧急处理步骤和实现该步骤的硬件，只要能实现上述功能的参数都属于本发明的保护范围，因此不限于拉力传感器的牵引力预设数值为50牛，固定时间为6秒。
根据本发明优选的，所述导航定位模块为集成北斗GPS全球定位系统模块。
如上述系统用于危险物侦检作业的控制方法，包括：
1)确定侦检目标区域；
2)判断所述系统中是否具有与所述目标区域匹配的规划路线和检测程序：如无，则跳转步骤3)；如有，则跳转步骤4)
3)所述系统由人工操作飞行，所述通信控制模块、影像采集模块和导航定位模块将所述系统飞掠沿途的视频、图像、飞行轨迹、位置信息发送至地面的控制中心；然后再由所述控制中心修正所述系统的飞行轨迹、规划检测布点、检测时间，最终形成规划路线和检测程序，待用；对于侦检无人机未侦检过的区域，或没有制定规划路线和检测程序的前提下，所述系统将应先由人工操作控制其飞行，并根据摄像头视频信息和距离传感器的信号躲避障碍物；
4)使所述系统按照与所述目标区域匹配的规划路线和检测程序进行飞行和检测；
5)所述通信控制模块、影像采集模块和导航定位模块将所述系统飞掠沿途的视频、图像、飞行轨迹、位置信息发送至地面控制中心；所述系统还将实时检测到的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据发送至地面的控制中心；
6)所述控制中心参照化学物标准红外光谱数据库和化学物标准拉曼光谱数据库对所述检测到的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据进行计算和分析，得出待测化学物的定性和定量分析结果，并输出至显示屏显示。本发明采用数据信息回传的方式对实时采集到的光谱数据传输，最终利用现有的对化学物质定性和定量分析方法确定所述目标区域内物质的具体成分。
本发明的优势在于：
1.本发明实现了，在极端或危险环境以及复杂地形下的化学物快速准确鉴定，避免了现有手持侦检作业的人员危险。
2.本发明包括无人机、光谱检测装置，光谱检测装置用于对待测目标进行红外光谱和/或拉曼光谱定性及定量检测分析，所述光谱检测装置通过卡扣或螺栓或限位销固定于无人机底部正中后方的光谱检测模块安装位，并可被拆卸。地面的控制中心获取、计算分析光谱检测装置发送的待测目标光谱信息。无人机可以根据采集到的图像及卫星定位信息按照所设计的采样路径自动飞行进行采样作业，或人为控制飞行姿态和路径进行采样作业。
3.本发明利用露出无人机的一端连接有悬垂式探测光纤和检测探头，用于接触式的检测待测固体或液体化学物，或浸入在气溶胶环境中检测待测化学物。在无人机的底部安装绞盘，用于悬垂式探测光纤的伸缩与收纳。
4.本发明控制无人机载光谱侦检系统飞向目标区域进行检测物品。地面的控制中心负责实时接收采集到光谱数据，然后利用现有的分析和计算方法将采集到的光谱数据与化学物标准红外光谱数据库和化学物标准拉曼光谱数据库进行计算后，得出待测化学物的定性和定量分析结果，并将无人机传来的视频图像和各项参数和光谱检测分析结果实时显示在显示屏上。所述化学物标准红外光谱数据库和化学物标准拉曼光谱数据库可随时更新维护，并根据用途不同使用不同的化学物标准拉曼光谱数据库，如易燃易爆化学物红外光谱和拉曼光谱数据库、有毒化学物红外光谱和拉曼光谱数据库等。本发明所述系统可以规划和控制无人机的飞行路径及飞行姿态，控制采样过程的进行，控制摄像头的拍摄。在进行侦检操作时，地面控制中心可对前一次的飞行路径和姿态控制及采样过程等进行存储，并应用于下一次侦检作业。
5.本发明在无人机底部安装云台和摄像头，用于获取无人机下方的视频及图像信息。通过云台可以实现摄像头拍摄角度的保持和改变。可选地，摄像头可集成红外热感摄像功能，可对拍摄对象进行热成像，进而可探测出高温区域以待进一步侦检。
6.本发明中的导航定位模块，用于获取无人机的卫星定位信息和实现无人机按照设定路线飞行；多向距离传感器，用于获取侦检无人机与周围障碍物的距离。地面控制中心可根据多向距离传感器提供的信息对无人机的运动轨迹和飞行姿态进行调整和修正，以避开障碍物。
附图说明
图1为本发明所述系统的主视图；
图2为本发明所述系统的后视图；
图3为本发明所述系统的俯视图；
图4为本发明所述系统的爆炸图；
图5是本发明所述系统中所述受电动绞盘的主视图；
图6是本发明所述受电动绞盘的右视图；
图7是本发明所述系统的控制方法流程图；
图8是本发明所述系统的检测化学物质示意图。
在图1-8中，1、光谱检测装置；2、悬垂式探测光纤；3、可伸缩光纤探头；4、无人机集成控制模块，包括通信控制模块、影像采集模块、检测模块、导航定位模块；5、云台；6、摄像头；7、旋翼；8、引擎；9、电池；10、外壳；11、多向距离传感器；12、起落架；13、电动绞盘；14、拉力传感器；15、固定部件；16、无人机载光谱侦检系统；17、控制中心；18、目标区域待侦测物质。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但本发明并不仅局限于以下这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。为避免混淆本发明的实质，一些已知或来自已有技术的原件、电路、方法、过程和流程未作详细叙述。
实施例1、
一种无人机载光谱侦检系统，包括无人机、通信控制模块、影像采集模块、检测模块、导航定位模块；所述通信控制模块、影像采集模块、检测模块、导航定位模块都集成在无人机集成控制模块中4；
所述通信控制模块用于：远程接收控制中心17发出的控制信息，使无人机按照规划飞行路线和检测程序执行飞行和检测程序；或者，远程接收控制中心发出的控制信息，使无人机实时接收控制中心发出的飞行指令和检测指令并按飞行指令实时飞行和检测；用于将所述影像采集模块采集到的影响资料实时传送至控制中心17；用于将所述检测模块采集到的数据实时传送至控制中心17；
所述影像采集模块用于：实时采集无人机飞掠过的环境影像；
所述检测模块用于：用于检测目标区域物质的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据。
所述导航定位模块用于，实时采集无人机的位置和路径信息。
所述通信控制模块为5G-wifi、IMT-2020(5G)、4G-FDD和4G-LTE移动通信模块中的至少一种。
所述导航定位模块为集成北斗GPS全球定位系统模块。
所述影像采集模块包括与所述无人机固定连接的360°水平旋转的云台5、在所述云台5上设置有180°旋转的旋转支架、在所述旋转支架上设置有摄像机6。优选的，所述的摄像机6为红外热感摄像机。
所述检测模块包括光谱检测模块，所述光谱检测模块为拉曼光谱检测模块、红外光谱检测模块或红外-拉曼二合一检测模块。
优选的，所述红外光谱检测模块为Thermo microPHAZIRTM Rx手持式近红外光谱仪；
所述拉曼光谱检测模块为B@W Tek-N拉曼光谱检测模块；
所述红外-拉曼二合一检测模块为Gemini FTIR/Raman Handheld Analyzer红外光谱/拉曼光谱二合一检测模块。但是本发明的技术方案并不仅限于以上检测模块的具体型号，只要能实现拉曼光谱检测、红外光谱检测的均是本发明所述方案的保护内容。
实施例2、
如实施例1所述的一种无人机载光谱侦检系统，其区别在于，所述无人机载光谱侦检系统还包括多向距离传感器11，用于获取所述无人机与周围障碍物的距离。
实施例3、
如实施例1所述的一种无人机载光谱侦检系统，其区别在于，所述检测模块还包括可伸缩光纤探头3，所述可伸缩光纤探头3包括：受电动绞盘13控制长度的悬垂式探测光纤2，所述探测光纤2与所述光谱检测模块的探头端相连。在本发明中，可将所述检测模块设计为可固定在无人机上的结构形状，例如近似长方体，并在其周围面增加安装螺栓、卡扣或限位销以适应安装在侦检无人机上，但是具体形状并不限于此。
实施例4、
如实施例3所述的一种无人机载光谱侦检系统，其区别在于，所述探测光纤2通过可脱出的限位卡扣与光谱检测模块的探头端相连接，在所述电动绞盘13出口侧安装拉力传感器14。当所述探测光纤被牵拉，其拉力传感器的牵引力超过预设数值超过固定时间时，探测光纤与光谱检测模块连接处的限位卡扣将自行脱开，同时电动绞盘向使得探测光纤伸长的方向转动并最终使得探测光纤全部脱离电动绞盘。以避免光纤探头被牵绊或发生缠绕，从而引起无人机坠毁。所述拉力传感器的牵引力预设数值为50牛，固定时间为6秒，该力度和时间参数可根据具体作业区域的性质调整，本发明只保护该遇险情况的紧急处理步骤和实现该步骤的硬件，只要能实现上述功能的参数都属于本发明的保护范围，因此不限于拉力传感器的牵引力预设数值为50牛，固定时间为6秒。
实施例5、
如实施例1-4所述系统用于危险物侦检作业的控制方法，包括：
1)确定侦检目标区域；
2)判断所述系统中是否具有与所述目标区域匹配的规划路线和检测程序：如无，则跳转步骤3)；如有，则跳转步骤4)
3)所述系统由人工操作飞行，所述通信控制模块、影像采集模块和导航定位模块将所述系统飞掠沿途的视频、图像、飞行轨迹、位置信息发送至地面控制中心；然后再由所述控制中心修正所述系统的飞行轨迹、规划检测布点、检测时间，最终形成规划路线和检测程序，待用；对于侦检无人机未侦检过的区域，或没有制定规划路线和检测程序的前提下，所述系统将应先由人工操作控制其飞行，并根据摄像头视频信息和距离传感器的信号躲避障碍物；
4)使所述系统按照与所述目标区域匹配的规划路线和检测程序进行飞行和检测；
5)所述通信控制模块、影像采集模块和导航定位模块将所述系统飞掠沿途的视频、图像、飞行轨迹、位置信息发送至地面控制中心；所述系统还将实时检测到的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据发送至地面控制中心；
所述控制中心参照化学物标准红外光谱数据库和化学物标准拉曼光谱数据库对所述检测到的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据进行计算和分析，得出待测化学物的定性和定量分析结果，并输出至显示屏显示。本发明采用数据信息回传的方式对实时采集到的光谱数据传输，最终利用现有的对化学物质定性和定量分析方法确定所述目标区域的具体成分。
Claims (9)
1.一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，该系统包括无人机、通信控制模块、影像采集模块、检测模块、导航定位模块；
所述通信控制模块用于：远程接收控制中心发出的控制信息，使无人机按照规划飞行路线和检测程序执行飞行和检测程序；或者，远程接收控制中心发出的控制信息，使无人机实时接收控制中心发出的飞行指令和检测指令并按飞行指令实时飞行和检测；用于将所述影像采集模块采集到的影响资料实时传送至控制中心；用于将所述检测模块采集到的数据实时传送至控制中心；
所述影像采集模块用于：实时采集无人机飞掠过的环境影像；
所述检测模块用于：用于检测目标区域物质的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据；
所述导航定位模块用于，实时采集无人机的位置和路径信息。
2.根据权利要求1所述的一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，所述通信控制模块为5G-wifi、IMT-2020(5G)、4G-FDD和4G-LTE移动通信模块中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，所述影像采集模块包括与所述无人机固定连接的360°水平旋转的云台、在所述云台上设置有180°旋转的旋转支架、在所述旋转支架上设置有摄像机。
4.根据权利要求1所述的一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，所述无人机载光谱侦检系统还包括多向距离传感器，用于获取所述无人机与周围障碍物的距离。
5.根据权利要求1所述的一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，所述检测模块包括光谱检测模块，所述光谱检测模块为拉曼光谱检测模块、红外光谱检测模块或红外-拉曼二合一检测模块。
6.根据权利要求5所述的一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，所述检测模块还包括可伸缩光纤探头，所述可伸缩光纤探头包括：受电动绞盘控制长度的悬垂式探测光纤，所述探测光纤与所述光谱检测模块的探头端相连。
7.根据权利要求6所述的一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，所述探测光纤通过可脱出的限位卡扣与光谱检测模块的探头端相连接，在所述电动绞盘出口侧安装拉力传感器。
8.根据权利要求1所述的一种无人机载光谱侦检系统，其特征在于，所述导航定位模块为集成北斗GPS全球定位系统模块。
9.如权利要求1-8任意一项所述系统用于危险物侦检作业的控制方法，其特征在于，该方法包括：
1)确定侦检目标区域；
2)判断所述系统中是否具有与所述目标区域匹配的规划路线和检测程序：如无，则跳转步骤3)；如有，则跳转步骤4)
3)所述系统由人工操作飞行，所述通信控制模块、影像采集模块和导航定位模块将所述系统飞掠沿途的视频、图像、飞行轨迹、位置信息发送至地面控制中心；然后再由所述控制中心修正所述系统的飞行轨迹、规划检测布点、检测时间，最终形成规划路线和检测程序，待用；
4)使所述系统按照与所述目标区域匹配的规划路线和检测程序进行飞行和检测；
5)所述通信控制模块、影像采集模块和导航定位模块将所述系统飞掠沿途的视频、图像、飞行轨迹、位置信息发送至地面控制中心；所述系统还将实时检测到的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据发送至地面控制中心；
6)所述控制中心参照化学物标准红外光谱数据库和化学物标准拉曼光谱数据库对所述检测到的红外光谱数据和/或拉曼光谱数据进行计算和分析，得出待测化学物的定性和定量分析结果，并输出至显示屏显示。
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