CN110293858A - 一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法及装置，属于信息技术领域。该装置由具有自主降落功能的无人机以及智能停机坪两个子装置组成，无人机在电量不足时可自主降落到附近的智能停机坪上进行充电，从而确保了整个装置可以自主的对周边环境的连续监测。本发明的方法及装置有效的扩展了基于无人机的监测系统的连续工作能力与自主工作能力，可在人不参与的情况下实现连续自主监测。其在森林监测、农田监测、重要建筑物监测、海域监测等领域有着良好的应用前景。

Description

一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法及装置
技术领域
本发明属于信息技术领域，涉及一种基于无人机与智能停机坪实现对周边环境进行连续自主监测的方法及装置。该装置中无人机可连续自主飞行实现对环境的监测；同时，无人机电量不足时可自主降落到智能停机坪上进行充电。该装置实现了连续自主的环境监测。
背景技术
基于无人机的环境监测系统在森林监测、农田监测、重要建筑物监测、海域监测等众多领域有着广泛的应用。基于监测的环境数据，可以有效地实现对被监测区域异常情况的检测，从而有效的防范意外事件的发生。
研究人员探索了基于无人机的环境监测系统及方法。相关工作，如“邱洋,苑俊英,陈海山.一种基于无人机的多传感器环境监测平台.电子技术与软件工程,2019(04):68-69”，该平台基于小型四旋翼无人机搭载各种传感器实现环境监测；“张婷,张杰.基于无人机紫外与SAR的溢油遥感监测方法研究.海洋科学,2018,42(06):141-149”，该方法利用搭载在无人机上的紫外传感器以及SAR传感器实现对海面溢油污染的监测；“龙静怡,刘鹏.无人机技术在建筑区变化监测中的应用.电子世界,2018(07):124-125”，该文利用无人机实现对建筑区的产生、扩张、消亡进行监控,为政府决策提供数据支持。上述工作对利用无人机实现环境监测进行了有益的探索，并实现了多种不同场景的监测任务。然而，由于无人机采用电池供电，造成基于无人机的监测系统工作时长有限，无法实现对某些区域的连续监测；同时，现有基于无人机的监测系统多需要人工参与，无法实现自主监测。在众多监测应用中，需要实现对被监测区域的连续的、无人干预的长时间监测，上述问题制约了基于无人机的监测系统的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中无法对被监测区域的连续的、无人干预的长时间监测的缺陷，提供一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测的方法及装置。该方法及装置基于无人机与智能停机坪，无人机基于导航系统在预设轨迹下完成自主监测，当无人机电量不足时，可自主就近降落到智能停机坪上进行充电，之后继续起飞进行监测。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法，步骤如下：
1)无人机利用导航定位单元提供的位置信息按照预设轨迹飞行，并利用搭载的各种传感器完成对周边环境的监测。
2)无人机检测到电池电量不足时，根据预设的智能停机坪的位置信息，飞向就近的智能停机坪，并进入自主降落模式实现自主降落。
3)智能停机坪开启无人机固定单元204的电磁开关吸附无人机，同时，开始为无人机充电。
4)智能停机坪检测到无人机电量已经充满时，停止充电，关闭电磁开关释放无人机，并发送起飞指令。
5)无人机接到起飞指令后飞离智能停机坪，并按照预设轨迹继续进行环境监测。
所述的步骤2)中自主降落模式步骤如下：
1)智能停机坪以较低功率持续向附近发送降落无线电信号，确保需要充电的无人机只有在飞抵智能停机坪附近时才可以接收到该无线电信号。所述的较低功率范围为10mW-100mW。
2)无人机在智能停机坪位置附近收到智能停机坪发射的无线电信号，开启雷达探测单元，并接收分析附近的雷达反射波特性，当接收到的雷达反射波强度超过阈值时判定下方为智能停机坪。所述的阈值为-50dBm。
3)无人机下降靠近智能停机坪，同时，启动激光对准单元并微调自身位置，直至激光被智能停机坪的激光接收单元接收。
4)无人机继续缓慢下降，下降过程中确保激光被智能停机坪的激光接收单元接收，同时，确保雷达探测单元探测到的与智能停机坪的距离越来越小，当探测到距离智能停机坪小于10厘米时关闭马达实现自主降落。
一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测装置，该装置由具有自主降落功能的无人机以及智能停机坪两个子装置组成。
所述具有自主降落功能的无人机子装置包括无人机本体及安装在无人机本体上的无人机控制单元101、无线通信单元102、激光对准单元103、监测用传感器104、导航定位单元105、雷达探测单元106。所述无人机控制单元101与其它所有模块单元相连，控制整个无人机的飞行、监测、降落等过程。所述无线通信单元102可无线收发数据，可通过智能停机坪子装置的无线通信单元203与智能停机坪进行数据传输，也可与远程控制中心进行数据传输。所述激光对准单元103可发射激光，发射的激光可使30米内的智能停机坪子装置中激光接收单元202接收。所述监测用传感器104用于环境检测，监测用传感器104包含但不仅限于图像、红外、紫外等各种传感器。所述导航定位单元105用于无人机定位，导航定位单元105采用包含但不仅限于北斗、GPS等导航定位功能模块实现无人机位置估计。所述雷达探测单元106可发射无线电波并探测分析回波，可实现对目标距离的测量以及目标反射特性的分析，有效探测距离大于30米，雷达探测单元106可采用但不仅限于FMCW制式的雷达模块。
所述智能停机坪子装置包括智能停机坪子装置本体及安装在智能停机坪子装置本体上的停机坪控制单元201、激光接收单元202、无线通信单元203、无人机固定单元204、充电控制单元205。所述停机坪控制单元201与其它所有模块单元相连，控制整个智能停机坪引导无人机进行自主降落及充电的过程。所述激光接收单元202可接收激光对准单元103发射的激光波束；所述无线通信单元203可与无线通信单元102进行无线数据传输。所述无人机固定单元204采用电磁开关来吸附以及释放无人机，通过接收来自停机坪控制单元201的信号来控制进行吸附或者释放操作。所述充电控制单元205可对降落在智能停机坪上的无人机进行充电，同时可监测被充电电池的电量。
所述智能停机坪子装置本体采用包含但不仅限于铝材、钢等具有较高电磁波反射率的材料制作，确保容易被雷达探测单元106探测到。
与现有技术相比，本发明的方法及装置可基于智能停机坪充电，从而实现连续监测；同时，无人机和智能停机坪通过无线探测方法彼此配合实现无人机的自主降落与充电，从而实现自主监测。
本发明的有益效果：可提供一种基于无人机与智能停机坪实现对周边环境进行连续自主监测的方法及装置，该装置可完成对无人机的自主充电，从而实现了基于无人机的连续自主的环境监测，有效地扩展了基于无人机的监测系统的连续工作能力与自主工作能力，可在人不参与的情况下实现连续自主监测。其在森林监测、农田监测、重要建筑物监测、海域监测等领域有着良好的应用前景。
附图说明
图1为基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法工作流程图；
图2为自主降落模式工作流程图；
图3为具有自主降落功能的无人机子装置功能框图；
图4为智能停机坪子装置功能框图；
图中：101无人机控制单元；102无线通信单元；103激光对准单元；104监测用传感器；105导航定位单元；106雷达探测单元；201停机坪控制单元；202激光接收单元；203无线通信单元；204无人机固定单元；205充电控制单元。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图具体详细阐述本发明的具体实施。
实施例采用图3所示的具有自主降落功能的无人机子装置功能框图。子装置的构成如下：无人机控制单元101采用ARM处理器+DSP处理器的高性能处理单元组成，同时，配置飞控单元；无线通信单元102采用Zigbee协议的CC2530芯片以及4G远距离通信模块进行设计，CC2530芯片采用陶瓷贴片天线，通信距离50米，4G远距离通信模块通信距离5公里，确保了监测数据的远距离发送；激光对准单元103采用常规的红外激光发射器；监测用传感器104采用图像传感器与红外传感器；导航定位单元105采用北斗定位模块；雷达探测单元106采用工作在24GHz的FMCW制式雷达，采用水平与垂直均为30度的贴片阵列天线，探测距离40米。
实施例采用图4所示的智能停机坪子装置功能框图。子装置的构成如下：停机坪控制单元201采用ARM处理器+DSP处理器的高性能处理单元组成；激光接收单元202采用常规的红外激光接收器；无线通信单元203采用Zigbee协议的CC2530芯片进行设计，采用陶瓷贴片天线，通信距离50米；无人机固定单元204采用常规5V电磁开关；充电控制单元205采用XH-603充电控制模块进行设计。
实施例采用图1以及图2所示的工作流程图进行连续自主的工作，在5平方公里的范围内进行连续自主监测。测试表明，该基于无人机与智能停机坪的连续自主监测装置可实现对该区域的连续自主监测。
为了更好的陈述本发明了，现以按照上述配置组装的某型四旋翼无人机执行某农场检测任务为例详细介绍本发明：
步骤一：某型号具有自主降落功能的无人机，按照预定的路线对某农场的温度、作物生长等情况进行检测，并将检测的到的数据传回远程控制中心；
步骤二：当无人机检测到电池电量不足时，根据预设的智能停机坪的位置信息，判定出距离最近的智能停机坪位置P1，无人机控制单元101控制无人机飞向该智能停机坪所在的位置P1飞去；
步骤三：当无人机飞抵智能停机坪上空50米以内时，无人机接收到智能停机坪发射的无线电信号，开启雷达探测单元，无人机继续向智能停机坪所在的位置P1飞去；其中，智能停机坪在全工作时域内持续向周围发射无线电信号；
步骤四：当无人机飞抵智能停机坪正上方附近时，无人机接收到智能停机坪反射的雷达信号，无人机开启激光对准单元；
步骤五：无人机不断调整位置，以使其发射的激光对准智能停机坪的激光接收单元；此过程无人机保持空中悬停；
步骤六：当无人机发射的激光对准智能停机坪的激光接收单元时，无人机继续下降；
步骤七：当无人机下降到距离智能停机坪10cm时，无人机关闭马达，降落在智能停机坪上；
步骤八：智能停机坪开启电磁开关吸附无人机，同时，开始为无人机充电；
步骤九：电池充满电后智能停机坪释放无人机，并发送起飞指令；
步骤十：无人机接到起飞指令后飞离智能停机坪，继续执行步骤一。
按照上述步骤循环，无人机可以在无人工干预的情况下连续执行任务。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法，其特征在于，所述的连续自主监测方法包括以下步骤：
1)无人机利用导航定位单元提供的位置信息按照预设轨迹飞行，并利用搭载的各种传感器完成对周边环境的监测；
2)无人机检测到电池电量不足时，根据预设的智能停机坪的位置信息，飞向就近的智能停机坪，并进入自主降落模式实现自主降落；
3)智能停机坪开启无人机固定单元(204)的电磁开关吸附无人机，同时，开始为无人机充电；
4)智能停机坪检测到无人机电量已经充满时，停止充电，关闭电磁开关释放无人机，并发送起飞指令；
5)无人机接到起飞指令后飞离智能停机坪，并按照预设轨迹继续进行环境监测；
所述的步骤2)中自主降落模式步骤如下：
1)智能停机坪以较低功率持续向附近发送降落无线电信号，确保需要充电的无人机只有在飞抵智能停机坪附近时才可以接收到该无线电信号；
2)无人机在智能停机坪位置附近收到智能停机坪发射的无线电信号，开启雷达探测单元，并接收分析附近的雷达反射波特性，当接收到的雷达反射波强度超过阈值时判定下方为智能停机坪；
3)无人机下降靠近智能停机坪，同时，启动激光对准单元并微调自身位置，直至激光被智能停机坪的激光接收单元接收；
4)无人机继续缓慢下降，下降过程中确保激光被智能停机坪的激光接收单元接收，同时，确保雷达探测单元探测到的与智能停机坪的距离越来越小，当探测到距离智能停机坪小于10厘米时关闭马达实现自主降落。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法，其特征在于，所述的较低功率范围为10mW-100mW。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测方法，其特征在于，所述的阈值为-50dBm。
4.一种基于无人机与智能停机坪的连续自主监测装置，其特征在于，所述的连续自主监测装置包括具有自主降落功能的无人机以及智能停机坪；
所述具有自主降落功能的无人机子装置包括无人机本体及安装在无人机本体上的无人机控制单元(101)、无线通信单元(102)、激光对准单元(103)、监测用传感器(104)、导航定位单元(105)、雷达探测单元(106)；所述无人机控制单元(101)与其它所有模块单元相连，控制整个无人机的飞行、监测、降落全过程；所述无线通信单元(102)能够无线收发数据，通过智能停机坪子装置的无线通信单元(203)与智能停机坪进行数据传输，并与远程控制中心进行数据传输；所述激光对准单元(103)用于发射激光，发射的激光能够使30米内的智能停机坪子装置中激光接收单元(202)接收；所述监测用传感器(104)用于环境检测；所述导航定位单元(105)用于无人机定位，实现无人机位置估计；所述雷达探测单元(106)用于发射无线电波并探测分析回波，实现对目标距离的测量以及目标反射特性的分析，有效探测距离大于30米；
所述智能停机坪子装置包括智能停机坪子装置本体及安装在智能停机坪子装置本体上的停机坪控制单元(201)、激光接收单元(202)、无线通信单元(203)、无人机固定单元(204)、充电控制单元(205)，智能停机坪子装置本体能够被雷达探测单元(106)探测到；所述停机坪控制单元(201)与其它所有模块单元相连，控制整个智能停机坪引导无人机进行自主降落及充电过程；所述激光接收单元(202)用于接收激光对准单元(103)发射的激光波束；所述无线通信单元(203)与无线通信单元(102)进行无线数据传输；所述无人机固定单元(204)采用电磁开关吸附或者释放无人机，通过接收来自停机坪控制单元(201)的信号控制进行吸附或者释放操作；所述充电控制单元(205)用于对降落在智能停机坪上的无人机进行充电，同时可监测被充电电池的电量。
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