CN107894779A - 一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统与方法属于矿内环境监测领域；该装置包括手持终端和平板智能遥控器无线连接PC机，PC机和电源转换器通过电缆线连接绕线转子，绕线转子内设有驱动电机和拉力传感器，绕线转子通过电缆线连接带缆无人机飞行监测平台；该方法包括启动自动收放线装置；开启带缆无人机飞行监测平台的采集系统；采集环境参数、图像信息和运动参数，并传回地面监控站；数据处理分析；判断参数是否超标，发出危险报警至人员撤离，返航；飞抵停机坪上空，安全降落后；本发明解决了传统矿内环境监测系统的自动化程度低、检修任务重、安全性低、信息传输受限、系统稳定性差、工作时间受电能限制的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统与方法，属于矿内环境监测领域。
背景技术
传统的矿内环境监测系统主要有：手持监测仪、多传感器定点监测系统、移动机器人等，这些监测系统难以满足矿内环境监测多样化、全方位、一体化的要求。
例如：手持监测仪操作简单、使用方便，但需要监测人员携带检测仪直接进入矿内危险区域，不利于监测人员人身安全；多传感器定点监测系统，能够实现对矿内环境的多位置、多角度、多参数监测，但是需要预先在矿内多个位置布设多组传感器，且需要监测人员定期进入矿内对传感器进行检修，系统成本高、维护任务量大；移动机器人监测系统以地面可移动机器人为监测平台、搭载多种监测传感器，通过无线远程遥控，无需监测人员直接进入矿内特别是危险区域，便可自动实现对矿内环境的监测。
但是，矿内常用地面检测机器人无法越过的障碍，对矿内地形适应性差，且矿内通讯质量差，时常发生失控和数据无法回传的故障，自身携带的电源无法满足系统长期工作的需求。特别是在矿难发生后实施快速有效矿内搜救前，矿内多传感器定点检测系统损坏严重无法正常工作，矿内地形破坏剧烈使得地面检测机器人无法快速达到矿难危险区域。因此，传统的矿内环境监测系统无法满足现阶段矿内环境监测、矿内安全生产远程指挥、矿内安全预警、矿内搜救等领域的具体应用要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统与方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，包括地面监控站、自动收放线装置和带缆无人机飞行监测平台；所述地面监控站包括PC机、手持终端、电源转换器和平板智能遥控器，自动收放线装置包括驱动电机、绕线转子和拉力传感器，所述手持终端和平板智能遥控器无线连接PC机，所述PC机和电源转换器通过电缆线连接绕线转子，所述绕线转子内设有驱动电机和拉力传感器，所述绕线转子通过电缆线连接带缆无人机飞行监测平台；所述带缆无人机飞行监测平台包括无人机支撑平台、电机旋桨叶总成、自主导航定位及飞控一体化系统、环境监测子系统、小型云台相机、避障子系统、环形弹性护架和尾部电缆；所述电机旋桨叶总成的数量是四个，所述四个电机旋桨叶总成配装在无人机框架四端角上，自主导航定位及飞控一体化系统安装在无人机支撑平台中心上部位置，环境监测子系统通过四个长形六角螺钉固定在自主导航定位及飞控一体化系统上方，避障子系统通过支架安装在无人机支撑平台最上层，小型云台相机安装在无人机支撑平台中心下部，环形弹性护架包围无人机的四个电机旋桨叶总成，尾部电缆连接在无人机的尾部。
进一步地，所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，所述环境监测子系统包括环境监测子系统平台、气体测量传感器、粉尘测量传感器、温湿度测量传感器和数据采集、存储和通信一体化硬件电路；所述气体测量传感器、粉尘测量传感器、温湿度测量传感器和数据采集、存储和通信一体化硬件电路通过电信号连接并采用防爆隔离板封装在一起。
进一步地，所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，所述避障子系统包括视觉导航传感器和激光雷达；通过电源线和电缆分别连接地面监控站和带缆无人机飞行监测平台，地面监控站通过电缆为无人机飞行监测平台整体持续供电和发送控制指令，带缆无人机飞行监测平台将采集的矿内环境信息参数通过电缆传回PC机，供PC机实时处理分析并作视化处理。此外，还可通过无线网络或移动通讯网络的方式传送给远程调度指挥中心。
进一步地，所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，所述带缆无人机飞行监测平台还包括落地支架。
在所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统上实现的基于带缆无人机的矿内环境监测方法，包括以下步骤：
步骤a、启动自动收放线装置；
步骤b、发起起飞命令，开启自主导航定位及飞控一体化系统和避障子系统；
步骤c、飞抵矿内检测区域，开启环境监测子系统和小型云台相机；
步骤d、采集监测点周围环境参数、图像信息和带缆无人机飞行监测平台运动参数，并传回地面监控站；
步骤e、数据处理分析，获得矿内环境参数、实时视频、带缆无人机飞行监测平台三维位置和姿态信息；
步骤f、判断参数是否超标，若不超标执行步骤b，若超标继续步骤g；
步骤g、发出危险报警至人员撤离，关闭报警、环境监测子系统和小型云台相机，返航；
步骤h、飞抵停机坪上空，关闭自主导航定位及飞控一体化系统和避障子系统，安全降落后关闭自动收放线装置。
有益效果：
本发明提供了种基于带缆无人机的矿内环境监测系统与方法，本发明具有以下优势：
1、本发明中地面监控站配备有交流转直流供电系统，通过线缆为监测平台持续供电，解决了整个系统的长航时能源供应问题。
2、使用带缆无人机作为监测平台，实现矿内环境的多位置多参数信息采集和数据传输。无人机监测平台通过电缆与地面站连接，进行实时数据传输与通信，解决了矿内通讯受限问题，提高了信息传输的质量，电缆的连接方式也降低了矿内气流对无人机飞行稳定性的不利影响，同时通过自动收放线装置实现电缆长度的自动控制，规避了电缆对飞行平台的拖拽问题；地面站接收监测平台回传的数据，借助上位机专用监控软件对数据信息进行处理分析，并作可视化显示处理；同时，地面站也可通过电缆向飞行平台发出控制指令，实现对平台运动的实时精确控制，避免因指令传输受限而致使无人机失控。
3、对飞行平台进行避障设计，提升飞行平台的安全性。平台搭载有视觉传感导航系统和激光雷达探测系统，监测多个方向的环境信息并感知障碍物，在飞控系统和执行器共同作用下，使平台在飞行中对可能发生的碰撞及时避让。此外，对无人机飞行平台的四旋翼配有弹性护架，避免由摩擦、碰撞而损毁飞行平台。
附图说明
图1是基于带缆无人机的矿内环境监测系统结构简图。
图2是带缆无人机飞行监测平台结构简图。
图3是基于带缆无人机的矿内环境监测系统工作流程图。
图中：1地面监控站、1-1PC机、1-2手持终端、1-3电源转换器、1-4平板智能遥控器、2自动收放线装置、2-1驱动电机、2-2绕线转子、2-3拉力传感器、3带缆无人机飞行监测平台、3-1无人机支撑平台、3-2电机旋桨叶总成、3-3自主导航定位及飞控一体化系统、3-4环境监测子系统、3-5小型云台相机、3-6避障子系统、3-6-1视觉导航传感器、3-6-2激光雷达、3-7环形弹性护架、3-8尾部电缆、3-9落地支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
实施例一
一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，如图1所示，包括地面监控站1、自动收放线装置2和带缆无人机飞行监测平台3；所述地面监控站1包括PC机1-1、手持终端1-2、电源转换器1-3和平板智能遥控器1-4，自动收放线装置2包括驱动电机2-1、绕线转子2-2和拉力传感器2-3，所述手持终端1-2和平板智能遥控器1-4无线连接PC机1-1，所述PC机1-1和电源转换器1-3通过电缆线连接绕线转子2-2，所述绕线转子2-2内设有驱动电机2-1和拉力传感器2-3，所述绕线转子2-2通过电缆线连接带缆无人机飞行监测平台3；如图2所示，所述带缆无人机飞行监测平台3包括无人机支撑平台3-1、电机旋桨叶总成3-2、自主导航定位及飞控一体化系统3-3、环境监测子系统3-4、小型云台相机3-5、避障子系统3-6、环形弹性护架3-7和尾部电缆3-8；所述电机旋桨叶总成3-2的数量是四个，所述四个电机旋桨叶总成3-2配装在无人机框架四端角上，自主导航定位及飞控一体化系统3-3安装在无人机支撑平台3-1中心上部位置，环境监测子系统3-4通过四个长形六角螺钉固定在自主导航定位及飞控一体化系统3-3上方，避障子系统3-6通过支架安装在无人机支撑平台3-1最上层，小型云台相机3-5安装在无人机支撑平台3-1中心下部，环形弹性护架3-7包围无人机的四个电机旋桨叶总成3-2，尾部电缆3-8连接在无人机的尾部。
实施例二
具体地，所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，所述环境监测子系统3-4包括环境监测子系统平台、气体测量传感器、粉尘测量传感器、温湿度测量传感器和数据采集、存储和通信一体化硬件电路；所述气体测量传感器、粉尘测量传感器、温湿度测量传感器和数据采集、存储和通信一体化硬件电路通过电信号连接并封装在一起。
具体地，所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，所述避障子系统3-6包括视觉导航传感器3-6-1和激光雷达3-6-2；通过电源线和电缆分别连接地面监控站1和带缆无人机飞行监测平台3，地面监控站1通过电缆为无人机飞行监测平台整体持续供电和发送控制指令，带缆无人机飞行监测平台3将采集的矿内环境信息参数通过电缆传回PC机1-1，供PC机1-1实时处理分析并作视化处理。此外，还可通过无线网络或移动通讯网络的方式传送给远程调度指挥中心手持终端1-2。
具体地，所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，所述带缆无人机飞行监测平台3还包括落地支架3-9。
实施例三
如图1，2所示，基于带缆无人机的矿内环境监测系统包括地面监控站1、自动收放线装置2、带缆无人机飞行监测平台3。所述地面监控站1包括PC机1-1、手持终端1-2、电源转换器1-3和平板智能遥控器1-4；所述自动收放线装置2包括驱动电机2-1、绕线转子2-2、拉力传感器2-3；所述带缆无人机飞行监测平台3以无人机支撑平台3-1作为系统主体承载面，其上部中心位置安装有自主导航定位及飞控一体化系统3-3，环境监测子系统3-4通过中间无人机支撑平台3-1和四个长形六角螺钉固定在自主导航定位及飞控一体化系统3-3上方，,视觉传感器3-6-1和激光雷达3-6-2通过支架依次安装在环境监测子系统3-4上层、小型云台相机3-5安装在无人机支撑平台3-1中心下部，四个电机旋桨叶总成3-2配装在无人机支撑平台3-1四端角上，环形弹性护架3-7包围无人机的四个电机旋桨叶总成3-2，落地支架3-9采用轻型金属杆固定在无人机支撑平台3-1下方，尾部电缆3-8供电通信线缆连接在自主导航定位及飞控一体化系统3-3后部接线端口。
当系统进行监测作业时，首先开启自动收放线装置2，用以控制尾部电缆3-8供电通信线缆的长度，防止其拖拽带缆无人机飞行监测平台3，在确认矿井入口周围环境安全后，由地面监控站1通过尾部电缆3-8供电通信线缆向自主导航定位及飞控一体化系统3-3发送起飞命令，四个电机旋桨叶总成3-2接收自主导航定位及飞控一体化系统3-3传来的控制信号，驱动带缆无人机飞行监测平台3向预定监测区域飞行，由视觉传感器3-6-1和激光雷达3-6-1组成的避障子系统3-6监测多个方向的环境信息并感知障碍物，使平台在飞行中对可能发生的碰撞及时避让。无人机飞行监测平台3抵达特定监测区域后，开启环境监测子系统3-4中各个传感器，并调整小型云台相机3-5，使监测区域在相机视角范围内，无人机飞行监测平台3在监测点附近作上下、环绕等飞行运动，且在每个位置作短时悬停，系统数据采集与存储模块开始工作，对矿内环境参数、图像信息以及无人机飞行监测平台3本体运动参数进行数据采集与预存储，并通过13-尾部电缆3-8供电通信线缆将测量数据传回地面监控端1及其远程手持终端1-2，对数据进行处理分析后，得到无人机飞行监测平台3实时三维位置、姿态信息，矿内气体浓度、温湿度、粉尘浓度等环境参数信息，并通过图像信息处理获得矿内实时环境视频信息。
实施例四
在所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统上实现的基于带缆无人机的矿内环境监测方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤a、启动自动收放线装置2；
步骤b、发起起飞命令，开启自主导航定位及飞控一体化系统3-3和避障子系统3-6；
步骤c、飞抵矿内检测区域，开启环境监测子系统3-4和小型云台相机3-5；
步骤d、采集监测点周围环境参数、图像信息和带缆无人机飞行监测平台3运动参数，并传回地面监控站1及其远程手持终端1-2；
步骤e、数据处理分析，获得矿内环境参数、实时视频、带缆无人机飞行监测平台3三维位置和姿态信息；
步骤f、判断参数是否超标，若不超标执行步骤b，若超标继续步骤g；
步骤g、发出危险报警至人员撤离，关闭报警、环境监测子系统3-4和小型云台相机3-5，返航；
步骤h、飞抵停机坪上空，关闭自主导航定位及飞控一体化系统3-3和避障子系统3-6，安全降落后关闭自动收放线装置2。
本发明的具体工作流程图，流程如下：
步骤1，首先确定整个系统接线正确，然后将无人机平台放置在矿井入口附近的小型停机坪上，并开启系统自动收放线装置2，进入步骤2；
步骤2，确认入口周围环境安全后，监控端通过PC机1-1向带缆无人机飞行监测平台3发送起飞命令，同时开启自主导航定位及飞控一体化系统3-3和避障子系统3-6，无人机飞行监测平台3按控制指令向矿井内飞行，到达预定监测区域，进入步骤3；
步骤3，无人机飞行监测平台3抵达特定监测区域后，开启环境监测子系统3-4中各个传感器，并通过电动云台调整相机视角，使监测区域在相机视角范围内，进入步骤4；
步骤4，无人机飞行监测平台3从监测区域起点开始巡飞，并在监测点附近作上下、环绕等飞行运动，且在每个位置作短时悬停，系统数据采集与存储模块开始工作，对矿内环境参数、图像信息以及无人机飞行监测平台3本体运动参数进行数据采集与预存储，并通过尾部电缆3-8将测量数据传回地面监控站1及其远程手持终端1-2，进入步骤5；
步骤5，地面监控站1接收无人机飞行监测平台3传回的信息，对数据进行处理分析后，得到无人机飞行监测平台3实时三维位置、姿态信息，矿内气体浓度、温湿度、粉尘浓度等环境参数信息，并通过图像信息处理获得矿内实时环境视频信息，进入步骤6；
步骤6，将矿内环境参数与标准化参数对比，若各项监测参数在规定范围内，则返回步骤4，继续进行矿内环境信息采集；若有参数超标则发出危险报警，持续一段时间待工作人员安全撤离后，关闭警报、环境监测子系统3-4和小型云台相机3-5，无人机飞行监测平台3返航，进入步骤7；
步骤7，无人机飞行监测平台3沿矿内路径向矿井出口飞行，待无人机飞行监测平台3飞至小型停机坪上空，开始关闭自主导航定位及飞控一体化系统3-3和避障子系统3-6，无人机在控制指令下安全停靠在停机坪上，关闭系统自动收放线装置2，至此整个监测系统工作完毕。
本发明中涉及的陀螺仪、加速度计和捷联惯性导航系统为典型惯性器件和导航定位系统，避障子系统3-6和自主导航定位及飞控一体化系统3-3是常规装置，环境监测子系统3-4中的传感器也为典型的测量器件，故本发明不再对其原理进行详细描述。
Claims (5)
1.一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，其特征在于，包括地面监控站(1)、自动收放线装置(2)和带缆无人机飞行监测平台(3)；所述地面监控站(1)包括PC机(1-1)、手持终端(1-2)、电源转换器(1-3)和平板智能遥控器(1-4)，自动收放线装置(2)包括驱动电机(2-1)、绕线转子(2-2)和拉力传感器(2-3)，所述手持终端(1-2)和平板智能遥控器(1-4)无线连接PC机(1-1)，所述PC机(1-1)和电源转换器(1-3)通过电缆线连接绕线转子(2-2)，所述绕线转子(2-2)内设有驱动电机(2-1)和拉力传感器(2-3)，所述绕线转子(2-2)通过电缆线连接带缆无人机飞行监测平台(3)；所述带缆无人机飞行监测平台(3)包括无人机支撑平台(3-1)、电机旋桨叶总成(3-2)、自主导航定位及飞控一体化系统(3-3)、环境监测子系统(3-4)、小型云台相机(3-5)、避障子系统(3-6)、环形弹性护架(3-7)和尾部电缆(3-8)；所述电机旋桨叶总成(3-2)的数量是四个，所述四个电机旋桨叶总成(3-2)配装在无人机框架四端角上，自主导航定位及飞控一体化系统(3-3)安装在无人机支撑平台(3-1)中心上部位置，环境监测子系统(3-4)通过四个长形六角螺钉固定在自主导航定位及飞控一体化系统(3-3)上方，避障子系统(3-6)通过支架安装在无人机支撑平台(3-1)最上层，小型云台相机(3-5)安装在无人机支撑平台(3-1)中心下部，环形弹性护架(3-7)包围无人机的四个电机旋桨叶总成(3-2)，尾部电缆(3-8)连接在无人机的尾部。
2.根据权利要求1所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，其特征在于，所述环境监测子系统(3-4)包括环境监测子系统平台、气体测量传感器、粉尘测量传感器、温湿度测量传感器和数据采集、存储和通信一体化硬件电路；所述气体测量传感器、粉尘测量传感器、温湿度测量传感器和数据采集、存储和通信一体化硬件电路通过电信号连接并采用防爆隔离板封装在一起。
3.根据权利要求2所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，其特征在于，所述避障子系统(3-6)包括视觉导航传感器(3-6-1)和激光雷达(3-6-2)；通过电源线和电缆分别连接地面监控站(1)和带缆无人机飞行监测平台(3)，地面监控站(1)通过电缆为无人机飞行监测平台整体持续供电和发送控制指令，带缆无人机飞行监测平台(3)将采集的矿内环境信息参数通过电缆传回PC机(1-1)，供PC机(1-1)实时处理分析并作视化处理，并将这些参数发送给远程调度指挥中心手持终端1-2。
4.根据权利要求2所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统，其特征在于，所述带缆无人机飞行监测平台(3)还包括落地支架(3-9)。
5.一种在权利要求1、2、3或4所述一种基于带缆无人机的矿内环境监测系统上实现的基于带缆无人机的矿内环境监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、启动自动收放线装置(2)；
步骤b、发起起飞命令，开启自主导航定位及飞控一体化系统(3-3)和避障子系统(3-6)；
步骤c、飞抵矿内检测区域，开启环境监测子系统(3-4)和小型云台相机(3-5)；
步骤d、采集监测点周围环境参数、图像信息和带缆无人机飞行监测平台(3)运动参数，并传回地面监控站(1)；
步骤e、数据处理分析，获得矿内环境参数、实时视频、带缆无人机飞行监测平台(3)三维位置和姿态信息；
步骤f、判断参数是否超标，若不超标执行步骤b，若超标继续步骤g；
步骤g、发出危险报警至人员撤离，关闭报警、环境监测子系统(3-4)和小型云台相机(3-5)，返航；
步骤h、飞抵停机坪上空，关闭自主导航定位及飞控一体化系统(3-3)和避障子系统(3-6)，安全降落后关闭自动收放线装置(2)。
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