CN110203395B - 一种无人机母机运载智能子设备侦查方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机母机运载智能子设备侦查系统，包括数据采集和数据传输单元、数据库、数据处理单元、客户端、基站、无人机、智能设备；其中，数据采集和数据传输单元采用LoRa和D2D完成通信；数据库用于巡检区域的地图、环境情况的数据记录和存储；数据处理单元用于分析无人机和智能设备采集的数据；客户端用于实现用户的交互，用户在客户端进行操作或者查看展示的结果；无人机携带智能设备进行投放，无人机收集智能设备所收集的数据并发送至基站。本发明利用无人机的先天优势，机身加入运载装置，用以装载地面或水下侦查装置，避开地面的复杂运输环境，更加高效低成本的完成侦查巡检任务。

Description

一种无人机母机运载智能子设备侦查方法及系统

技术领域

本发明涉及无人侦查领域，特别涉及一种无人机母机运载智能子设备侦查方法及系统。

背景技术

现有的无人侦查手段都是分空中或是地面或是水域侦查，在侦查巡检的过程中，单一的侦查工具被运输应用于目标区域，比如某地发生紧急情况，出动无人机和地面巡检装置进行现场勘查时，需将无人机和地面巡检装置分别运送至该地，局限性大，灵活性不够。尤其对于环境非常复杂，地面巡检装置难以运达而无人机又难以勘查清楚的区域，现阶段的方法需要耗费较大的人力物力，更加显出现阶段无人侦查手段的缺点。

现阶段还未有无人机装载智能设备的系统，都是在地面运输或将侦查设备投掷或是使之直接运行到指定的较小的区域内进行侦查；针对较远距离，特定区域的侦查巡检任务，灵活性不高，侦查效果也难以达到高精度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无人机母机运载智能子设备侦查方法，该方法利用无人机的先天优势，机身加入运载装置，用以装载地面或水下侦查装置，避开地面的复杂运输环境，更加高效低成本的完成侦查巡检任务。

本发明的另一目的是提供一种无人机母机运载智能子设备侦查系统。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种无人机母机运载智能子设备侦查方法，包括以下顺序的步骤：

S1、无人机装载智能设备出动；

S2、无人机飞向目标区域并对目标区域进行空检，确定空检盲点和重点检查点；

S3、投放智能设备，记录投放坐标；

S4、智能设备自由落体，并第一次向无人机传输数据；

S5、重点检查点都投放智能设备，若智能设备不够则增派无人机；

S6、判断无人机能否同时与所投放的智能设备进行通信：若是，则无人机悬停在某个位置同时与各智能设备进行通信，然后进行步骤S7；若否，则无人机按照投放顺序依次与智能设备进行通信，然后进行步骤S7；

S7、根据实际需求，无人机收集到足够数据后返回基地。

所述无人机和智能设备之间的通信过程如下：

(1)无人机飞往投放点，判断无人机能否捕获到对应智能设备的信号：若能，则转到步骤(2)；若不能，则无人机盘旋搜索，然后再次判断无人机能否捕获到对应智能设备的信号，若仍不能则视情况投放第二个智能设备，无人机飞往下一个投放点，若能，则转到步骤(2)；

(2)无人机捕获到该投放点对应智能设备的信号传输请求；

(3)无人机向该智能设备发送信号接收请求；

(4)智能设备接收到请求后开始传输上次通信结束后到本次接收到接收请求前所采集的数据；

(5)无人机接收完数据，发送中断传输请求；

(6)智能设备接收到中断传输请求，中断传输；

(7)无人机飞往下一个投放点。

步骤S3中，所述投放智能设备，具体过程为：

(1)无人机确定投放点坐标，并向其飞行；

(2)无人机降低飞行高度，减慢飞行速度；

(3)投放智能设备，并记录投放时无人机的机身高度和飞行速度，计算智能设备可能的落地滚动距离，计算落地点。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种无人机母机运载智能子设备侦查系统，包括数据采集和数据传输单元、数据库、数据处理单元、客户端、基站、无人机、智能设备；其中，数据采集和数据传输单元采用LoRa和D2D完成通信；数据库用于巡检区域的地图、环境情况的数据记录和存储；数据处理单元用于分析无人机和智能设备采集的数据；客户端用于实现用户的交互，用户在客户端进行操作或者查看展示的结果；无人机携带智能设备进行投放，无人机收集智能设备所收集的数据并发送至基站。

所述无人机母机运载智能子设备侦查系统，还包括无人机充电桩。

所述无人机设置有搭载舱，搭载舱用于放置智能设备，搭载舱包括M个相互独立的子舱，M≥2；每两个相邻的子舱共用一个舱门，各个智能设备分别单独置于搭载舱的子舱中，一个舱门能够同时挡住两个智能设备不掉落，每次收到投放智能设备的指令后，装有智能设备的舱门向另一方移动，智能设备被成功投放，无人机只有在预设的时间内收到投放的智能设备第一次传感器数据后才会继续飞向下一个投放坐标，否则将进行第二次智能设备投放。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的无人机搭载智能设备飞行，人工控制或预设程序在制定的坐标地点投放智能设备进行侦查，大大增加了无人侦查的灵活性。

2、本发明利用无人机的先天优势，机身加入运载装置，用以装载地面或水下侦查装置，避开地面的复杂运输环境，更加高效低成本的完成侦查巡检任务。

3、本发明适用于各种地形的侦查，大大节省了地面运输、人工运输的资源和时间，大大增强了无人侦查系统的灵活性。从通信范围来讲，在架设的基站半径20km，无人机可与基站进行LoRa通信的范围内，出动集侦查运载一体的无人机，飞到待侦查的目标区域，首先对其进行空检，得到该地区的基本状况，要得到地面更详细数据，则投放运载的智能设备，智能设备收集的数据会通过与无人机D2D通信，最终传到基站，通过数据处理单元的处理后，以图表文字的形式呈现在电脑或移动设备客户端上。同时，无人机也会对数据进行存储，返航后回收，增强了数据的安全性。对于某些偏远地区或者危险地区，人无法靠近，则可搭建临时基站，出动本系统中的无人机，将智能设备运送到目标区域，从而收集到更准确详细的环境数据。在常侦查的地区，可在基站的可通信范围内增设无人机充电桩，支持无人机的长时间工作。

4、本发明的系统拓展性好，支持新功能加入，如在智能设备上新增一些VR 摄像头并在系统中做好端口的对接，能够实现巡检区域的VR呈现；同时，若将 VR设备与动力单元相连，则可实现VR视觉的设备控制。

附图说明

图1是本发明的通信方式示意图。

图2是本发明所述一种无人机母机运载智能子设备侦查系统的工作示意图。

图3是本发明所述智能设备投放过程示意图。

图4是本发明所述智能设备投放的流程图。

图5是本发明所述无人机通信飞行线路示意图。

图6是本发明所述无人机与智能设备的通信流程图。

图7是本发明所述一种无人机母机运载智能子设备侦查方法的流程图。

图8-1、8-2是本发明所述无人机搭载舱的子舱工作示意图；其中，图8-1 是舱门处在关闭状态，图8-2是舱门处在打开状态。

图9是本发明所述一种无人机母机运载智能子设备侦查系统的结构示意图。

图10-1、10-2、10-3为本发明所述一种无人机母机运载智能子设备侦查系统的无人机与搭载仓的连接示意图。

其中，附图标记含义如下：

1-智能设备，2-舱门。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种无人机母机运载智能子设备侦查系统，是一个由无人机搭载智能设备，自动投放，集搭载侦查为一体的系统的设计，包括数据库、数据处理单元、客户端、基站、无人机充电单元、无人机、智能设备(该单元主要包括智能巡检小车，球状智能设备等具备侦查功能的地面探测设备)，其中，无人机兼具侦查、搭载和通信功能，智能设备首先具有防震功能(从空中自由落体到地面后依然能正常工作)和侦查、通信功能；其次根据实际需求，加入运动和运动控制功能。无人机包括设备主板、电机部分、传感器部分、运动控制部分、天线部分、供电部分和搭载舱。智能设备基本部分包括设备主板、传感器部分、天线部分、防震部分和供电部分，拓展部分包括电机部分、运动控制部分。以上两者的传感器部分根据实际需求，可选择有摄像头，红外传感器，超声波传感器，烟雾传感器，湿度传感器，三轴加速度传感器，陀螺仪等。数据库和数据处理单元、客户端双向连接；基站和数据库双向连接；无人机和基站双向连接；智能设备和无人机双向连接。本系统中，设备采集的数据发送到基站后，存放于数据库，后由数据处理单元根据不同需求进行多次的数据清洗处理等操作。本系统主要令无人机搭载智能设备飞行，人工控制或预设程序在制定的坐标地点投放智能设备进行侦查，大大增加了无人侦查的灵活性。

本系统中的无人机兼具侦查和运输的功能，同时，在将智能设备投放至目标区域后，可作为智能设备的“管理者”，与目标区域内的智能设备进行D2D 通信，收集设备采集的数据，发送至基站，对数据进行分析，上传数据库。其通信方式示意图如图1所示。

假定一个区域待侦查，该区域环境复杂，单纯通过无人机的拍照、摄像等侦查手段难以达到良好的侦查效果，而通向该区域的运输环境较差，地面侦查设备难以通过地面运输方式到达该区域。本系统的无人机充满电并装载好智能设备后，从出发地飞往目标区域。在目标区域上空对该区域进行无人机空检，确定空检的盲区和投放智能设备的坐标，在合适的高度投放智能设备。智能设备在感知到自由落体后开始工作，各传感器开始收集数据，并周期与无人机进行D2D通信，传输实时数据。该过程示意图如图2所示。

为减少智能设备被投放后投放点与目的坐标的误差，无人机在投放前，先确定投放点坐标，结合自身飞行的速度和飞行的高度，通过计算得出设备落地点以及可能滚动距离，从而调整机身的高度和飞行速度，最终达到准确落地的目的。为了减少智能设备在落地后翻滚而造成的落地误差，无人机在投放前，适当减少其飞行的高度和速度。当条件允许，无人机悬停投放，其落地点与投放点误差更小。其行进时投放过程如图3所示，流程图如图4。

首先，对于没有安装电机，被投放后位置基本不变的智能设备，设备被投放后，无人机会记录各设备投放坐标。若目标区域较大，无人机在其上空任意位置悬停都不能同时接收到投放设备的数据，则根据设备先后投放顺序，依次通过各设备投放坐标附近，保证各个设备采集的数据都能传输到无人机中。其次，对于有安装电机，被投放后位置改变的智能设备，限定其侦查巡检的区域，保证无人机在其被投放坐标时可与该设备进行通信，接受其采集的数据。同时，智能设备上传其运行路线，通过上传的运行路线可得到其与投放点的相对位置，进而得到智能设备的坐标。对于需要人工控制智能设备行进的情况，无人机保持同时与基站和智能设备的通信，这要求无人机能通过通信时信号发出和收到的时间长度或是接收到的信号强度来判定无人机与信源距离等方法，保持与基站和智能设备适当的距离，必要时，无人机会对智能设备进行跟随。在无人机收集以上两种不同类型智能设备采集的数据时，依次采集不同设备的数据，在通向该设备的投放坐标而未实际到达却能够与该设备进行D2D通信时，即与该设备进行通信，在数据传输完毕后飞往下一个设备投放点，依然以此方法进行数据采集。无人机的飞行路线如图5所示，依次飞过智能设备A、B、C、D的通信范围完成数据收集，缩短了飞行距离，节省了不必要的能量和时间损耗。无人机在飞往A投放点时捕获到设备A的信号传输请求，随即向A发送信号接收请求，设备A接收到信号后开始传输由上次通信后到本次收到无人机信号接收请求前采集的传感器数据，无人机接收完毕后向设备A发送中断传输请求，设备A收到中断发送请求后停止发送数据，之后无人机飞往投放点B。对于其他设备以此方法进行通信。若无人机在飞到投放点后依然未捕捉到该点设备的信号时，则在该点通信范围内进行盘旋搜索，若仍然搜索不出则视实际情况重新投放智能设备。

系统中的无人机与基站的通信支持包括LoRa通信方式等多种通信方式，支持20km半径的大范围内的通信，同时，根据实际需求，切换不同通信方式，如 WiFi、蓝牙、5G等，那么对于无人机的工作范围和工作时间限制的便是无人机的电力供应问题。除了增大无人机的电池容量，还可在常巡检的基站信号辐射范围内架设无人机充电桩，对无人机进行无线充电，在该通信范围内的无人机在电量不足时，就近飞往充电桩充电，待电充满后继续执行任务。对于较紧急的任务，则需出动备用的无人机。

本系统中设备定位主要通过无人机母机的绝对定位与智能设备子设备与投放点相对位置定位而实现的。对于无人机的绝对定位，为达到良好精确的定位效果，综合应用多种定位方式，GPS位置、无人机与基站相对位置以及无人机飞行路线综合对比，减少定位误差。由以上方法可得到较精确的无人机定位，在定位智能设备投放点时，结合无人机的飞行高度和飞行速度算得智能设备落地点，即智能设备投放点。对于未安装电机，不能运动的智能设备，该投放点即为其定位坐标；对于可运动的智能设备，该设备记录自身运动轨迹，在每次与无人机的通信过程中，将轨迹发送给无人机，由此确定智能设备与投放点的相对位置，进而得到智能设备的定位坐标。若实际需求，不考虑设备工作时长和成本，可在智能设备中安装GPS定位装置，直接对其进行定位。

另外，由于无人机不具有回收功能，智能设备可尽可能根据需求节省成本，但对于十分重要地区的无人侦查，小球也加入LoRa等远距离通信功能，可直接与基站进行通信，不需要无人机参与。

如图7，一种无人机母机运载智能子设备侦查方法，包括以下顺序的步骤：

S1、无人机装载智能设备出动；

S2、无人机飞向目标区域并对目标区域进行空检，确定空检盲点和重点检查点；

S3、投放智能设备，记录投放坐标；

S4、智能设备自由落体，并第一次向无人机传输数据；

S5、重点检查点都投放智能设备，若智能设备不够则增派无人机；

S6、判断无人机能否同时与所投放的智能设备进行通信：若是，则无人机悬停在某个位置同时与各智能设备进行通信，然后进行步骤S7；若否，则无人机按照投放顺序依次与智能设备进行通信，然后进行步骤S7；

S7、根据实际需求，无人机收集到足够数据后返回基地。

如图6，所述无人机和智能设备之间的通信过程如下：

(1)无人机飞往投放点，判断无人机能否捕获到对应智能设备的信号：若能，则转到步骤(2)；若不能，则无人机盘旋搜索，然后再次判断无人机能否捕获到对应智能设备的信号，若仍不能则视情况投放第二个智能设备，无人机飞往下一个投放点，若能，则转到步骤(2)；

(2)无人机捕获到该投放点对应智能设备的信号传输请求；

(3)无人机向该智能设备发送信号接收请求；

(4)智能设备接收到请求后开始传输上次通信结束后到本次接收到接收请求前所采集的数据；

(5)无人机接收完数据，发送中断传输请求；

(6)智能设备接收到中断传输请求，中断传输；

(7)无人机飞往下一个投放点。

如图9，系统软件部分主要分为四个部分：第一部分是数据采集和数据传输单元，数据传输采用LoRa和D2D通信等综合通信技术，目的是既达到更快速或更安全或更远距离的要求，又令系统的能耗更低，无人机和智能设备可工作时长更长；第二部分是数据库，主要负责对巡检区域的地图，环境等情况的数据记录和存储；第三部分是数据处理单元，分析无人机和智能设备采集的数据；第四部分是客户端，主要负责系统与用户的交互，用户在客户端进行操作或查看系统展示的结果。硬件部分分为基站、无人机充电桩、无人机和智能设备、扩展端口。

如图10-1、10-2、10-3，本系统中搭载舱分为多个搭载子舱，可分别存放待运送物体,舱体通过绳索吊挂在机身下，而与无人机交互的信号线也包含在该绳索中。其中无人机机身下平面与其重心所在竖直轴的交点处为着力点，特制的连接绳索一端固定在该点，另一端与由多个搭载子舱组成的搭载舱连接，其连接方式如图10-1所示。考虑到搭载舱的稳定性，绳索与之相连的点一共有四处，在搭载舱对角线上对称分布，搭载舱的受力面增大，在某些子舱中的物体被投放后，整个搭载舱仍能保持水平端正的状态；吊挂着搭载舱的绳索强度好质量轻，既能很好的承受搭载舱和其运送物体的重量，又能保证搭载舱在无人机飞行过程中不会过分水平旋转，减少由于搭载舱的旋转而影响到无人机飞行的可能性。

由于搭载舱与无人机的特殊连接方式和连接位置，在平稳飞行的状态下，搭载舱重力对于无人机的牵引力的影响叠加在无人机机身的重力中，无人机在投放所搭载的智能设备前后可等价于其本身质量发生变化，即其重力发生改变，相应的，为保持机身平稳飞行状态，各旋翼电机功率需做相应调整。

如图8-1、8-2，本系统无人机的搭载舱可采用但不限于如下设计，各个智能设备分别单独置于搭载舱的子舱中，每次收到投放智能设备的指令后，装有智能设备的子舱舱门向另一方移动，智能设备被成功投放。无人机只有在预设的时间内收到投放的智能设备第一次传感器数据后才会继续飞向下一个投放坐标，否则将进行第二次智能设备投放。该预设的时间与无人机的飞行速度和飞行高度成一定的数学关系，保证智能设备能够采集到所需要的目标数据，如需采集地表温度，预设时间需包括智能设备落地时间和传感器感应时间、数据上传时间。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无人机母机运载智能子设备侦查方法，其特征在于，采用无人机母机运载智能子设备侦查系统实现，该系统包括数据采集和数据传输单元、数据库、数据处理单元、客户端、基站、无人机、智能设备、无人机充电桩；其中，数据采集和数据传输单元采用LoRa和D2D完成通信；数据库用于巡检区域的地图、环境情况的数据记录和存储；数据处理单元用于分析无人机和智能设备采集的数据；客户端用于实现用户的交互，用户在客户端进行操作或者查看展示的结果；无人机携带智能设备进行投放，无人机收集智能设备所收集的数据并发送至基站；

所述无人机设置有搭载舱，搭载舱用于放置智能设备，搭载舱包括M个相互独立的子舱，M≥2；每两个相邻的子舱共用一个舱门，各个智能设备分别单独置于搭载舱的子舱中，一个舱门能够同时挡住两个智能设备不掉落，每次收到投放智能设备的指令后，装有智能设备的舱门向另一方移动，智能设备被成功投放，无人机只有在预设的时间内收到投放的智能设备第一次传感器数据后才会继续飞向下一个投放坐标，否则将进行第二次智能设备投放；

方法包括以下顺序的步骤：

S1、无人机装载智能设备出动；

S2、无人机飞向目标区域并对目标区域进行空检，确定空检盲点和重点检查点；

S3、投放智能设备，记录投放坐标；

S4、智能设备自由落体，并第一次向无人机传输数据；

S5、重点检查点都投放智能设备，若智能设备不够则增派无人机；

S6、判断无人机能否同时与所投放的智能设备进行通信：若是，则无人机悬停在某个位置同时与各智能设备进行通信，然后进行步骤S7；若否，则无人机按照投放顺序依次与智能设备进行通信，然后进行步骤S7；

S7、根据实际需求，无人机收集到足够数据后返回基地；

所述无人机和智能设备之间的通信过程如下：

(1)无人机飞往投放点，判断无人机能否捕获到对应智能设备的信号：若能，则转到步骤(2)；若不能，则无人机盘旋搜索，然后再次判断无人机能否捕获到对应智能设备的信号，若仍不能则视情况投放第二个智能设备，无人机飞往下一个投放点，若能，则转到步骤(2)；

(2)无人机捕获到该投放点对应智能设备的信号传输请求；

(3)无人机向该智能设备发送信号接收请求；

(4)智能设备接收到请求后开始传输上次通信结束后到本次接收到接收请求前所采集的数据；

(5)无人机接收完数据，发送中断传输请求；

(6)智能设备接收到中断传输请求，中断传输；

(7)无人机飞往下一个投放点。

2.根据权利要求1所述无人机母机运载智能子设备侦查方法，其特征在于，步骤S3中，所述投放智能设备，具体过程为：

(1)无人机确定投放点坐标，并向其飞行；

(2)无人机降低飞行高度，减慢飞行速度；

(3)投放智能设备，并记录投放时无人机的机身高度和飞行速度，计算智能设备的落地滚动距离，计算落地点。

Images