CN110667843A - 一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹空间检测技术领域，公开了一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置及探测方法，所述探测装置搭载于无人机上，且探测装置包括安装组件、减震组件和探测组件；其中所述安装组件包括依次连接的安装挂板、挂架和控制箱，以实现无人机、探测组件与控制箱之间的连接；所述减震组件至少包括顶部减震机构或底部减震机构中的一种，以实现无人机飞行和起落时探测组件与控制箱的防护减震；所述控制箱用于驱动控制探测组件，使得探测组件完成太赫兹探测；基于探测组件中设置的调节机构、以及安装组件中的可调安装件能有效调节太赫兹发射端与接收端的使用位置和角度，从而满足不同情况下的探测需要。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹空间检测技术领域，具体涉及一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置及探测方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指位于微波和红外频段之间的电磁波，频率范围在0.1-10THz之间，有着穿透性强、信噪比高、抗干扰能力强、探测精度和分辨率高等优势，使得太赫兹技术在大气遥感领域起着越来越重要的作用。相对于可见光和红外成像系统而言，太赫兹遥感大气探测受到的大气衰减较小，具有能够在光线不足甚至黑夜的条件下正常工作，因其对云雾、烟尘、雨雪以及沙尘暴等物质具有穿透力强的效果，可实现全天时、全天候、远距离和高分辨的探测目的。此外，太赫兹成像技术和光谱技术还可应用于国土安全与防恐、无损检测、毒品和爆炸物监控、有毒气体监控以及特殊气体含量的探测。
无人飞行器系统(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)，简称无人机，具有体积小、快速灵活、操作方便、造价低的特点。利用无人机搭载传感装置进行探测的技术在工业、农业、电力、地质勘探、大气探测、抢险救灾、视频拍摄等领域已得的应用，因此提高无人机的探测能力有着重要的实际价值。
综上，在无人机上搭载太赫兹探测器，既能发挥无人机在空间飞行(无论是室内还是室外)工作的优势，又能拓宽无人机和太赫兹技术的应用领域，从而提高无人机的探测能力。
在实际应用中，搭载于无人机上的太赫兹装置，对装置在探测精度设计和精密调节探测系统器件方面提出很高的要求；并且无人机在起落和飞行的过程中会产生一定程度的震动，而太赫兹探测器又以固定的方式搭载于无人机上，因而使太赫兹探测器也会产生震动，影响探测的精准性。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，能有效满足活动调节和减震的需要；本发明还提供了一种探测方法，能有效实现不同方式的探测操作。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，所述探测装置搭载于无人机上，且探测装置包括安装组件、减震组件和探测组件；其中所述安装组件包括依次连接的安装挂板、挂架和控制箱，以实现无人机、探测组件与控制箱之间的连接；所述减震组件至少包括顶部减震机构或底部减震机构中的一种，以实现无人机飞行和起落时探测组件与控制箱的防护减震；所述控制箱用于驱动控制探测组件，使得探测组件完成太赫兹探测。
优选的，所述安装组件中的挂架共设有两个，并与安装挂板和安装件组合形成四边形的框架结构；所述控制箱顶端固定有安装件，且通过安装件将探测组件限定于框架结构内部，所述安装挂板直接固定于无人机底部。
优选的，所述顶部减震机构包括相互连接的上永磁体和下永磁体，所述上永磁体和下永磁体分别与安装挂板和挂架连接，且上永磁体与下永磁体相互靠近的一端呈同性磁极；进一步，所述顶部减震机构还包括弹性缓冲装置，所述弹性缓冲装置连接与上永磁体和下永磁体之间，以实现上永磁体与下永磁体之间的弹性防撞。
优选的，所述底部减震机构包括弹性减震部件、以及连接于弹性减震部件两端的支撑脚，其中所述弹性减震部件顶端的支撑脚直接与控制箱底部固定。
优选的，所述探测组件包括活动安装于安装件上的发射组件和接收组件，且安装件主要由导轨和步进电机构成，以实现发射组件与接收组件之间距离的调节。
优选的，所述发射组件至少包括太赫兹发射端和发射端调节机构；所述接收组件至少包括太赫兹接收端和接收端调节机构；所述发射端调节机构和接收端调节机构均由螺纹角度调节器构成，以实现太赫兹发射端或太赫兹接收端的三维角度调节。
优选的，所述控制箱内设有驱动模块、供电模块、通信模块、定位模块、处理模块和数据库模块；其中所述驱动模块直接驱动无人机和探测装置，所述供电模块包括可充电电池，为无人机和探测装置提供电源，所述通信模块至少采用ZigBee、WIFI或蓝牙中的一种，并与无人机控制终端形成无线数据传输，所述定位模块至少采用GPS定位或北斗定位中的一种，实现无人机的自动定位；所述处理模块对太赫兹接收端接收到的反射信号进行处理，以获得待测目标物的太赫兹时域光谱；所述数据库模块内包括的数据至少有水分含量、农药残留物含量和有毒气体中的一种，且数据库模块与无线网络适配以完成实时更新。
2、基于上述探测装置的探测方法，包括如下步骤：
S1.在无人机上安装探测装置，并根据探测需要调整太赫兹发射端与太赫兹接收端的相对位置；
S2.规划无人机的飞行路径，驱动无人机依照规划路径进行飞行；
S3.无人机飞行至指定检测区域后，通过无人机控制终端发出探测指令，探测装置通过通信模块的无线传输接收探测指令，并在驱动模块的驱动下进行探测；
S4.由探测装置中的太赫兹发射端发出太赫兹波，太赫兹波经反射或透射后由太赫兹接收端进行接收；
S5.处理模块对太赫兹接收端接收的探测信号进行处理，并配合通信模块将将处理后的探测结果和无人机的飞行状态传输至无人机控制终端；
S6.无人机控制终端接收探测结果，并根据所接收的探测结果和飞行状态调整无人机的飞行路径，以实现精准探测。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)基于探测组件中设置的调节机构、以及安装组件中的可调安装件能有效调节太赫兹发射端与接收端的使用位置和角度，从而满足不同情况下的探测需要，使得本发明所提供的、并搭载于无人机上的探测装置更具有通用性，并结合太赫兹技术使得整体装置具有精准探测的优点。
(2)上述调节机构和安装件基于螺纹角度调节器、导轨和步进电机形成，具有结构稳定、简单、且易于调节的优点。
(3)上述安装件实现发射组件和接收组件的活动连接，从而使探测组件能形成太赫兹探测的单独使用，也可形成太赫兹探测与红外探测或摄像头的组合使用，进而满足不同的探测需要。
(4)基于减震组件的设置，使得本发明所提供的探测装置具有良好的减震性能，从而有效提高无人机起落和飞行工作过程中探测装置的稳定性，进而保证探测装置探测的精确性。
(5)基于安装挂板形成可拆卸安装，使得整体探测装置能独立安装于其他航空器上，从而保证本发明具有较广的应用范围。
附图说明
图1为本发明探测装置与无人机的装配示意图；
图2为本发明中探测装置的结构分解图；
图3为本发明中探测方法的流程图；
图4为本发明中探测方法的一种使用示意图；
图5为本发明中探测方法的另一种使用示意图；
图中：10-无人机、11-安装挂板、20-减震组件、21-顶部减震机构、211-上永磁体、212-弹性缓冲装置、213-下永磁体、22-底部减震机构、30-发射组件、31-太赫兹发射端、32-发射端调节机构、40-安装件、50-接收组件、51-太赫兹接收端、52-接收端调节机构、60-控制箱、70-挂架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
1、请参阅图1-图2所示，本发明提供了一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，探测装置搭载于无人机10上，且探测装置包括安装组件、减震组件20和探测组件；
其中安装组件包括依次连接的安装挂板11、挂架70和控制箱60，挂架70共设有两个，并与安装挂板11和控制箱60组合形成四边形的框架结构，控制箱60的顶端固定有安装件40，且其固定方式为焊接，并通过安装件40将探测组件限定于框架结构内部，安装挂板11直接固定于无人机10底部；
减震组件20至少包括顶部减震机构21或底部减震机构22中的一种，其中顶部减震机构21连接于安装挂板11与挂架70之间，底部减震机构22固定于控制箱60的底部，以实现无人机10飞行和起落时探测组件与控制箱60的防护减震；
控制箱60用于驱动控制探测组件，使得探测组件完成太赫兹探测。
优选的，顶部减震机构21包括相互连接的上永磁体211和下永磁体213，上永磁体211和下永磁体213分别与安装挂板11和挂架70连接，且上永磁体211与下永磁体213相互靠近的一端呈同性磁极；
在实际使用时，通过上永磁体211与下永磁体213之间的排斥作用实现安装挂板11与挂架70之间的支撑；而在受到震动时，安装挂板11与挂架70产生晃动，从而缩短安装挂板11与挂架70之间的距离，同时也带动上永磁体211与下永磁体213之间的距离缩小，以此增大了排斥作用，达到抵抗震动晃动的效果，从而起到减震作用，以此使无人机10在起飞和飞行的过程中探测组件的定位更加稳定，进而保证探测组件探测的精准性。
进一步的，顶部减震机构21还包括弹性缓冲装置212，弹性缓冲装置212连接与上永磁体211和下永磁体213之间，以实现上永磁体211与下永磁体213之间的弹性防撞；
具体如图2所示，弹性缓冲装置212为一圆柱形的弹性套，限定于上永磁体211与下永磁体213之间，而在实现整体减震机构21的安装时：将固定螺栓依次穿过安装挂板11、上永磁体211、缓冲装置212、下永磁体213和挂架70，然后再固定螺栓的底端旋入固定螺母，以实现整体结构的锁紧。
优选的，如图2所示，底部减震机构22包括弹性减震部件、以及连接于弹性减震部件两端的支撑脚，其中弹性减震部件顶端的支撑脚直接与控制箱60底部固定，其固定方式为焊接；具体图2中优选的弹性减震部件为S型结构的弹簧片，通过S型弹簧片本身的弹性变形实现底部减震机构22的减震效果，而底部减震机构22用于在地面上支撑整体探测装置，用于防止无人机10降落时探测组件直接接触地面，并降低无人机10与地面接触时产生的冲击震动。
优选的，探测组件包括活动安装于安装件40上的发射组件30和接收组件50，且安装件40主要由导轨和步进电机构成，以实现发射组件30与接收组件50之间距离的调节；具体安装件40在调节时，通过控制箱60内的处理模块实时获取太赫兹接收端51接收的信号质量，例如信噪比和信号强度，然后根据所获得的信号质量实时反馈至驱动模块，驱动模块驱动步进电机进行正反启动，并与导轨配合，从而实现发射组件30与接收组件50相对位置的调整。
优选的，发射组件30包括太赫兹发射端31和发射端调节机构32；接收组件50包括太赫兹接收端51和接收端调节机构52；发射端调节机构32和接收端调节机构52均由螺纹角度调节器构成，且螺纹角度调节器能有效实现太赫兹发射端31或太赫兹接收端51在X-Y-Z三个维度的角度调节，从而使整体探测组件能有效满足不同探测方式的需要。
另外，发射组件30还可采用太赫兹发射端31、红外线发射端/摄像头和发射端调节机构32组合的方式；而对应接收组件50则采用太赫兹接收端51、红外线接收端和接收端调节机构52组合的方式，以此使整体探测组件构成太赫兹探测与红外探测/摄像头相互结合探测的形式。
基于上述安装件40和两个调节机构，使得整体探测装置可形成如下两种使用状态：
(1)结合图4所示，透射式检测
在该方式中，可使待探测的目标物穿过于太赫兹发射端31和太赫兹接收端51之间，此时太赫兹发射端31输出太赫兹光束，光束穿过目标物形成透射信号，透射过的太赫兹光束由太赫兹接收端51进行接收；
该方式能有效适用于工业探测、大气探测等领域，例如气体浓度探测；
(2)结合图5所示，反射式检测
在该方式中，调整太赫兹发射端31与太赫兹接收端51的使用角度，而待探测的目标物则位于太赫兹发射端31的一侧，此时太赫兹发射端31呈斜角方向输出太赫兹光束，光束在目标物表面产生反射，反射后的太赫兹光束被对应设置的太赫兹接收端51接收；
该方式能广泛使用时农业、电力探测、地质勘探、抢险救灾检测领域，例如农药残留探测、人员搜救。
优选的，控制箱60内设有驱动模块、供电模块、通信模块、定位模块、处理模块和数据库模块，其中驱动模块直接驱动无人机10和探测装置，供电模块包括可充电电池，为无人机10和探测装置提供电源，通信模块至少采用ZigBee、WIFI或蓝牙中的一种，并与无人机控制终端形成无线数据传输，定位模块至少采用GPS定位或北斗定位中的一种，实现无人机10的自动定位；处理模块对太赫兹接收端51接收到的反射信号进行处理，以获得被测目标物的太赫兹时域光谱；数据库模块内包括的数据至少有水分含量、农药残留物含量和有毒气体，且数据库模块与无线网络适配以完成实时更新。
2、请参阅图3所示，基于上述探测装置，本发明还提供了一种探测方法，包括如下步骤：
S1.在无人机10上安装探测装置，具体指通过螺栓将安装挂板11固定于无人机10底端；然后根据探测需要调整太赫兹发射端31与太赫兹接收端51的相对位置，具体通过安装件40和两个调节机构进行调整；
S2.根据探测区域的实际需要规划无人机10的飞行路径，并通过无人机控制终端驱动无人机10依照规划路径进行飞行；
S3.无人机10飞至指定检测区域后，由无人机控制终端发出探测指令，探测装置通过通信模块的无线传输接收探测指令，并在驱动模块的驱动下进行探测；具体结合定位模块的定位确认无人机10是否进入指定检测区域内；
S4.由探测装置中的太赫兹发射端31发出太赫兹波，太赫兹波经反射或透射后由太赫兹接收端51进行接收；
S5.处理模块对太赫兹接收端51接收的探测信号进行处理，并配合通信模块将将处理后的探测结果和无人机10的飞行状态传输至无人机控制终端；具体处理模块在处理太赫兹接收端51接收的探测信号时，由傅立叶变换可获得被测目标物的光谱信息。
S6.无人机控制终端接收探测结果，并根据所接收的探测结果和飞行状态调整无人机10的飞行路径，以实现精准探测。
基于上述方法，以消防应用中对火灾现场的毒气探测为例：
在进行探测时，首先通过无人机控制终端规划需要检测的火场范围；然后驱动搭载有探测装置的无人机10起飞，当无人机10飞至目标火场时，通过无人机控制终端远程驱动探测装置启动；探测装置的太赫兹发射端31与太赫兹接收端51启动进行探测，处理模块处理得到探测结果，并与驱动模块配合形成对发射组件30和接收组件50的使用状态的调节，以优化探测结果的准确性，而在火场有毒气体的探测时，特别注重形成CO、NO的光谱数据；与此同时，配合通信模块将探测结果以及无人机10本身的飞行状态发回至无人机控制终端；无人机控制终端根据探测结果和飞行状态进行人为调整，以改变无人机10的飞行轨迹，达到对火场的完整探测，并准确追寻CO、NO的气体来源。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述探测装置搭载于无人机(10)上，且探测装置包括安装组件、减震组件(20)和探测组件；
其中所述安装组件包括依次连接的安装挂板(11)、挂架(70)和控制箱(60)，以实现无人机(10)、探测组件与控制箱(60)之间的连接；
所述减震组件(20)至少包括顶部减震机构(21)或底部减震机构(22)中的一种，以实现无人机(10)飞行和起落时探测组件与控制箱(60)的防护减震；
所述控制箱(60)用于驱动控制探测组件，使得探测组件完成太赫兹探测。
2.根据权利要求1所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述安装组件中的挂架(70)共设有两个，并与安装挂板(11)和控制箱(60)组合形成四边形的框架结构；所述控制箱(60)顶端固定有安装件(40)，且通过安装件(40)将探测组件限定于框架结构内部，所述安装挂板(11)直接固定于无人机(10)底部。
3.根据权利要求1所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述顶部减震机构(21)包括相互连接的上永磁体(211)和下永磁体(213)，所述上永磁体(211)和下永磁体(213)分别与安装挂板(11)和挂架(70)连接，且上永磁体(211)与下永磁体(213)相互靠近的一端呈同性磁极。
4.根据权利要求3所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述顶部减震机构(21)还包括弹性缓冲装置(212)，所述弹性缓冲装置(212)连接与上永磁体(211)和下永磁体(213)之间，以实现上永磁体(211)与下永磁体(213)之间的弹性防撞。
5.根据权利要求1所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述底部减震机构(22)包括弹性减震部件、以及连接于弹性减震部件两端的支撑脚，其中所述弹性减震部件顶端的支撑脚直接与控制箱(60)底部固定。
6.根据权利要求1所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述探测组件包括活动安装于安装件(40)上的发射组件(30)和接收组件(50)，且安装件(40)主要由导轨和步进电机构成，以实现发射组件(30)与接收组件(50)之间距离的调节。
7.根据权利要求6所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述发射组件(30)至少包括太赫兹发射端(31)和发射端调节机构(32)；所述接收组件(50)至少包括太赫兹接收端(51)和接收端调节机构(52)；所述发射端调节机构(32)和接收端调节机构(52)均由螺纹角度调节器构成，以实现太赫兹发射端(31)或太赫兹接收端(51)的三维角度调节。
8.根据权利要求1所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述控制箱(60)内设有驱动模块、供电模块、通信模块和定位模块；
其中所述驱动模块直接驱动无人机(10)和探测装置，所述供电模块包括可充电电池，为无人机(10)和探测装置提供电源，所述通信模块至少采用ZigBee、WIFI或蓝牙中的一种，并与无人机控制终端形成无线数据传输，所述定位模块至少采用GPS定位或北斗定位中的一种，实现无人机(10)的自动定位。
9.根据权利要求8所述的一种搭载在无人机上的太赫兹探测装置，其特征在于：所述控制箱(60)内还设有处理模块和数据库模块；其中所述处理模块对太赫兹接收端(51)接收到的反射信号进行处理，以获得待测目标物的太赫兹时域光谱；所述数据库模块内包括的数据至少有水分含量、农药残留物含量和有毒气体中的一种，且数据库模块与无线网络适配以完成实时更新。
10.应用权利要求1-9所述的任一探测装置的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在无人机(10)上安装探测装置，并根据探测需要调整太赫兹发射端(31)与太赫兹接收端(51)的相对位置；
S2.规划无人机(10)的飞行路径，驱动无人机(10)依照规划路径进行飞行；
S3.无人机(10)飞行至指定检测区域后，通过无人机控制终端发出探测指令，探测装置通过通信模块的无线传输接收探测指令，并在驱动模块的驱动下进行探测；
S4.由探测装置中的太赫兹发射端(31)发出太赫兹波，太赫兹波经反射或透射后由太赫兹接收端(51)进行接收；
S5.处理模块对太赫兹接收端(51)接收的探测信号进行处理，并配合通信模块将将处理后的探测结果和无人机(10)的飞行状态传输至无人机控制终端；
S6.无人机控制终端接收探测结果，并根据所接收的探测结果和飞行状态调整无人机(10)的飞行路径，以实现精准探测。
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