CN110209199A - 一种农田火源监测无人机系统设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种农田火源监测无人机系统设计。本发明为了克服农田火源监测的问题，提供了一种农田火源监测无人机系统设计，针对于重点监测区域设计了一款四旋翼无人机。采用四路独立电机作为四输入、六输出的驱动系统，搭载导航模块用来飞行信息的采集。无人机可根据已知地形信息进行一次航迹规划。并搭载了图像采集装置可进行可见光图像和热成像图像采集，为了保障图像采集的稳定性，设计了三自由度的稳定云台，并运用图像处理的算法进行了数据分析，最终锁定着火区域。本发明具有很高的实用价值和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种农田火源监测无人机系统设计。
背景技术
农业是人类生存的根本产业，农业的发展对我国人民的生活起到举足轻重的作用。但在农作物种植周期中，由于人为或自然的原因，有时会发生农作物发生火灾，通常人民对于农田火灾发现不够及时，导致火情迅速蔓延，影响正常的农业生产，也造成了农民的经济损失。
随着技术的革新使得无人机长时间续航成为可能，无人机可实现对农田进行全天候的巡逻，同时无人机可迅速部署、机动灵活，通过机载任务载荷可实现自动报警，自动跟踪并实时传输数据，且空中无障碍物阻隔，弥补了传统地面监控系统可能会出现的盲点，维护方便，成本低廉，将无人机用于农田火源监测，优势明显。本文针对于重点监测区域设计了一款四旋翼无人机，并搭载了图像采集装置可进行可见光图像和热成像图像采集，综合考虑最终锁定着火区域。
发明内容
本发明为了克服农田火源监测的问题，提供了一种农田火源监测无人机系统设计，针对于重点监测区域设计了一款四旋翼无人机。采用四路独立电机作为四输入、六输出的驱动系统，搭载加速度计、气压高度计、航向计和GPS用来飞行信息的采集。无人机可根据已知地形信息进行一次三维路径规划。并搭载了图像采集装置可进行可见光图像和热成像图像采集，为了保障图像采集的稳定性，设计了三自由度的稳定云台，并运用图像处理的算法进行了数据分析，最终锁定着火区域。本发明具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
附图1为无人机基本控制系统示意图；
附图2为三自由度稳定云台。
具体实施方式
第一步：基本控制系统设计；
四旋翼无人机采用十字形机身，以嵌入式控制器作为飞控系统的核心，以直流电机作为无人机的旋翼驱动装置，还包括GPS、陀螺、加速度计、航向计等必要的传感器。如附图1所示，无人机飞行基本的控制系统总体由电源模块、机载飞控模块、电机驱动模块、通信模块和导航模块五个部分组成。
第二步：航迹规划设计；
无人机在已知农田地形环境中，运用RRT算法进行航迹规划， RRT算法流程可描述为：
1)算法初始化，生成初始节点；
2)是否到达目标位置，未到则转向步骤3），否则说明随机树已构造完成，进而转向步骤7）；
3）生成一个随机数，判断，是则转向步骤4），否则转向步骤5）；
4）选择最终目标作为，确定，进而得到；
5）在搜索空间内生成一个随机节点，相应地计算出候选新节点；
6）判断是否满足约束条件和接纳准则，若满足则将其添加到随机树之中，实现随机树的一步扩展，转向步骤2），若不满足则转向步骤3）；
7）从构造出的随机树之中，寻找从起始点到最终目标点的路径。
第三步：图像采集装置设计；
1）可见光图像采集装置：可见光图像采集系统类似于人类视觉系统中的眼睛，大多采用光敏元件，将入射光量转化为电压信号作为输出，主要分为电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）两种类型。其中，CCD的分辨率取决于基板上的势阱数目，势阱里的电荷被转换成输出电压信号，电压与势阱中的电荷成正比 。因此也与成像场景中的对应像素点的亮度成正比。而CMOS就像内存形式，投射在二维晶格特定势阱里的电荷与像素点的亮度成正比，这些电荷像计算机内存数据一样被读出。本发明采用佳能最小最轻的摄像机作为可见光图像采集装置；
2）热成像图像采集装置：农田中的地下火或者茂密枝叶掩盖下的火源，不能被可见光图像采集系统拍摄到，为实现对这些林火的检测，可以利用其温度信息。包含温度信息的视频图像通常由热成像图像采集设备采集到，因此有必要研究热成像图像的采集。自然界中，温度高于绝对零度的一切物体，总是不断地发射红外辐射。收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物温度分布相对应的热图像。热图像再现了各部分温度和辐射发射率的差异，能够显示出景物的特征。红外热成像系统，也称红外热像仪，就是通过收集物体自然发射的红外辐射能来成像的。本发明采用热成像机芯作为热成像图像采集装置，此类机芯可在全黑、烟雾、灰尘和薄雾条件下生成清晰的图像。
第四步：三自由度云台；
无人机机载相机的成像质量在很大程度上受到无人机飞行姿态变化的制约，要使机载相机的视轴稳定，就必须为相机提供一个具有空间稳定性的惯性平台。稳定云台是机载相机的载体，由于能够隔离无人机姿态的变化以及机体震动、风阻力矩等干扰，因此逐渐成为高精度航空测量系统的重要组成部分。所谓三自由度，就是在三维立体空间中，通过空间三个方位角对物体进行稳定控制和定位。三自由度稳定云台消除了视觉盲区。
从工作原理上说，三自由度稳定云台由空间上三个互相垂直的框构成，搭载可见光成像系统和热红外成像系统的云台工作原理是相同的。其中，外框负责控制相机的偏航运动，中框负责控制相机的横滚运动，内框负责控制相机的俯仰运动。当云台载体受外界环境影响发生震动或倾斜时，安装在云台上的速率陀螺就能够直接测量并获得相机视轴的偏差，经过控制算法计算并输出适当的控制信号来驱动相应的电机，产生平衡力矩，使云台消除偏差，保持水平稳定。云台三维模型可如附图2所示。
本发明为了克服农田火源监测的问题，提供了一种农田火源监测无人机系统设计，针对于重点监测区域设计了一款四旋翼无人机。采用四路独立电机作为四输入、六输出的驱动系统，搭载导航模块用来飞行信息的采集。无人机可根据已知地形信息进行一次路径规划。并搭载了图像采集装置可进行可见光图像和热成像图像采集，为了保障图像采集的稳定性，设计了三自由度的稳定云台，并运用图像处理的算法进行了数据分析，最终锁定着火区域。本发明具有很高的实用价值和推广价值。
Claims (4)
1.种农田火源监测无人机系统设计，其特征在于对搭载了图像采集装置可进行可见光图像和热成像图像采集，为了保障图像采集的稳定性，设计了三自由度的稳定云台，并运用图像处理的算法进行了数据分析，最终锁定着火区域。
2.根据权利要求1所述的一种农田火源监测无人机系统设计，其特征在于本发明采用佳能最小最轻的摄像机作为可见光图像采集装置。
3.根据权利要求1所述的一种农田火源监测无人机系统设计，其特征在于针对农田中的地下火或者茂密枝叶掩盖下的火源，采用热成像机芯作为热成像图像采集装置，此类机芯可在全黑、烟雾、灰尘和薄雾条件下生成清晰的图像。
4.根据权利要求1所述的一种农田火源监测无人机系统设计，其特征在于为相机提供一个具有空间稳定性的惯性平台，在三维立体空间中，通过空间三个方位角对物体进行稳定控制和定位，三自由度稳定云台消除了视觉盲区。
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