CN111077850A - 一种基于jetson tx2的无人机林火监测系统 - Google Patents

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李晓锟
王扬威
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Abstract

本发明名称一种基于jetson tx2的无人机林火监测系统，属于无人机控制技术领域，是一种基于jetson tx2(nvidia嵌入式电脑)进行图像处理的无人机在林场中飞行监测的控制系统。涉及了一种基于jetson tx2无人机林火监测的系统结构，该结构包括jetson tx2电脑子系统，ZED相机图像采集子系统，无人机飞行控制子系统，电机控制子系统、电池电源管理子系统，并通过uart串口连接构成总的系统构架。本发明通过无人机快速性，灵动性的特点，及时发现火情，并运用jetson tx2即时处理信息传回后台，实现了后台人员及时处理火情，预防并处理森林火情的功能，对实际扑火工作具有重要的指导意义。

Description

一种基于jetson tx2的无人机林火监测系统
技术领域：
本发明属于无人机控制技术领域，是一种基于jetson tx2(nvidia嵌入式电脑)进行图像处理的无人机在林场中飞行监测的控制系统。
背景技术：
一直以来，我国森林防火信息系统中主要采用GPS(全球定位系统)进行火点定位，虽然也能够找到森林火灾的起始火点，但是由于信息采集、传输、分析环节耗费周期长，因此很难做到及时的信息更新。在这种情况下，管理人员获取的火灾情况与森林火灾现场存在一定的时间差距，因此也就不能做出最佳的火灾扑救指挥。
从其他监测系统上来看，我国林火监测手段按空间位置可划分为卫星监测、航空监测、近地面观测和地面巡逻4个层次。但是卫星监测的凡是，数据的空间分辨率不高，通过瞭望塔和远程视频监控的近地面监测的方式,可以及时发现火情,但是,瞭望塔监测范围极其有限,并且需要花费大量的人力在现有的森林防火信息化指挥体系,这些手段常常都孤立的,并没有形成联动的、完备的综合监测体系。
无人机作为新型的航空平台已成为当今航空科技发展的热点之一，它以方便快捷、性价比高、机动灵活、全天候作业等优越性被应用到各种领域，利用无人机进行林火监测，利用无人机传回的高分辨率图像，实现高精度定位，并将处理完的火场特征在系统中标绘出来，对实际扑火工作具有重要的指导意义但目前还处于起步阶段，还有许多待完善的地方。其面临以下几个问题：一是如何实现无人机的精确定位；二是如何提升无人机的控制水平；三是如何实现无人机对林火的定位。这些都是急需解决的问题。
发明内容：
本发明的目的就在于为解决上述问题而提供的一种基于jetson tx2的无人机控制系统结构。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案：
(1)基于无人机的林火系统由以下几个子系统构成，并通过uart串口和usb接口实现子系统间的通信：ZED相机图像采集系统、无人机飞行控制系统、电池电源管理子系统、电机控制子系统、后台GIS系统，并以nvidia jetson tx2电脑作为主控系统。
(2)所述nvidia jetson tx2电脑子系统的处理器以256颗nvidia cuda和64位cpu为核心，有6个CPU核心，4个Cortex-A57、并有WiFi、蓝牙、开关机按键等，通过外部USB与传感器和控制系统连接，包括ZED相机，飞控系统，后台GIS系统，具体实现方法为通过USB总线与ZED相机进行数据交换，通过uart串口与飞控系统数据交换，通过WiFi与后台GIS系统通信。
(3)所述ZED相机系统是一种配备了一种基于被动立体视觉的景深传感器，可通过USB 3.0输出左右两个并行的高分辨率视频流。在ZED SDK的帮助下，主机jetson tx2中的图形处理器(GPU)可从并行视频当中实时计算出景深地图。并将图像信息在OpenCV中处理，识别林火特征，以便后续传输给GIS系统中，实现林火报警。
(4)所述无人机飞控系统是一种以陀螺仪为飞行姿态感知器，以加速度计，气压计感知高度信息，并通过串级PID算法计算出电机的PWM输出的四轴飞行器。通过获取jetsontx2传来的操作指令，准确感知周围环境信息，为无人机的室外飞行提供精确的定位和姿态信息。
(5)所述电源模块是一种以STM32为核心,并通过开关对各个子系统供电，通过mos管打开或者关闭整机电源，从而达到节能的作用。同时检测电池信息,监测电源各通路的输出电压以及负载功率，实现对各个子系统的合理的电量分配，并在低电量时打开蜂鸣器，发出报警信号。
(6)所述GIS系统是一种自行开发的地理信息系统，预先在系统中加载好所监测的林场的三维地理信息，并在无人机飞行过程中实时更新，并系统里实时加载jetson tx2发回的林火特征，后台人员通过系统可以准确实时地监测无人机所飞行的林场，为林火监测提供巨大便利。
(7)整个系统的工作程序为1.后台人员通过WiFi给jetson tx2发送起飞信号，jetson tx2再将信号通过串口给无人机飞控，无人机起飞。2.无人机在林场中飞行，通过ZED相机实时获取林场的深度信息，在jetson tx2中进行图像处理。3.jetson tx2进一步对无人机发送操作指令，并将处理好的林火特征，三维地理信息再传回后台GIS系统中4.GIS系统实现更新林火特征和无人机的地理信息，实现林火监测功能。
本发明与现有技术相比,具有如下优点：
本发明是一种基于无人机的实时林火监测系统，相比于传统林火监测系统，通过无人机搭载高分辨率的ZED相机，可以获取林场的高分辨率图像；基于nvidia jetson tx2的主控系统，对图像实时处理，准确获得三维的地理信息和林火特征，系统，建立及实时更新所监控区域的地理信息系统；自动识别林火并在GIS系统中标注出来；具备人机交互界面，实时返回感兴趣区域的高清视频数据，实现工作人员快速地发现林火，清晰辨别林火大小，完成实时地无人机森林火灾监测、探测和扑救的相关技术；
附图说明：
图为本发明实施例的框架原理图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明
1.一种基于jetson tx2的无人机林火监测控制系统结构，该结构采用分布式总线控制系统结构,其特征在于包括ZED相机图像采集系统、无人机飞行控制系统、电池电源管理子系统、电机控制子系统、后台GIS系统，上述子系统均通过总线和以总线连接为一个分布式控制系统,并以jetson tx2作为主控系统。
2.所述nvidia jetson tx2电脑子系统的处理器以256颗nvidia cuda和64位cpu为核心，并且搭载OpenCV图像处理平台，可即时处理采集的图像数据，并通过WiFi，uart串口，usb接口与外围子系统通信。
3.ZED相机子系统是一种获得深度图像的相机系统，并与jetson tx2通过usb交换数据；飞控系统通过获取jetson tx2传来的操作指令，经过串级PID算法计算出电机的PWM输出的四轴飞行器，是整个系统中的执行单位；电源模块以STM32为核心，通过uart串口与系统交互，实现电量管理功能；后台GIS为实时更新的人机交互界面，jetson tx2通过WiFi实时通信接受林火特征与地理信息消息，并实时加载到界面，便于工作人员的监测工作。
4.通过以下实例具体说明：
一：某工作人员需要对某一林场实现无人机的林火监测。1.工作人员通过WiFi给jetson tx2发送起飞信号，jetson tx2再将信号通过串口给无人机飞控，无人机起飞。2.无人机在林场中飞行，通过ZED相机实时获取林场的深度信息，在jetson tx2中进行图像处理。3.jetson tx2进一步对无人机发送操作指令，并将处理好的林火特征，三维地理信息再传回后台GIS系统中GIS系统实现更新林火特征和无人机的地理信息，实现林火监测功能。
二：无人机自主巡航实现自动报警。后台人员通过GIS系统设置定点定时巡航，每隔30分钟无人机在林场飞行一次，若有林火现象，ZED相机采集的图像经jetson tx2处理后，通过WiFi自动报警。

Claims (1)

1.一种基于jetson tx2无人机林火监测的系统结构，其特征在于：该结构应包括jetson tx2电脑子系统，ZED相机图像采集子系统，无人机飞行控制子系统，电机控制子系统、电池电源管理子系统，并通过uart串口连接构成总的系统构架。
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