CN113900160A - 气象探测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气象探测设备(1)，其包括飞行式探测装置(10)和与飞行式探测装置(10)可无线通信连接的后台控制装置(20)；飞行式探测装置(10)包括无人机(11)和搭载于无人机上的气象检测装置(12)；飞行式探测装置(10)还包括安全模块，所述安全模块配置成响应于触发事件的发生而启动无人机(11)的自动返航模式；触发事件包括以下事件中的任一个：无人机(11)的电池电量过低；飞行式探测装置(10)与后台控制装置(20)之间的通信断开；无人机遭遇极端天气；无人机(11)的软件和/或硬件崩溃。根据本发明能在各种恶劣天气以及其它可能的不良状况下确保无人机安全返航。
Description
技术领域
本发明涉及气象监测及无人机领域。特别地，本发明涉及一种用于综合气象探测的集成多传感器的无人机。
背景技术
气象探测事业不仅与现代人们的工作和生活息息相关，并且也是国家发展航空、航天和军事力量等活动的重要基础。高空气象探测作为世界气象组织在国际范围内开展的大气领域重要科研活动之一，如何设计和研发生产出高精度、成本低的国产高空使用的气象探测系统，成为了国内外相关部门重点研究和关注的一个技术问题。
目前国内外高空监测主要是使用气象气球，即将探空仪带入空中，探空仪在飞升过程中感应出周围空气的温度、气压和湿度。此外还有雷达遥感、气象塔等方式。
在规范方面，中国气象局于2010年发布《常规高空气象观测业务规范》，以测风雷达的运行经验为基础，对观测装备、观测流程、观测数据处理等方面进行了规范，为高空气象观测的发展提供了指导。
而在高空使用的气象探测系统的研发和设计以及生产的过程中，需要解决以下几个关键技术方面的困难：
1.测量准确较为困难，尤其在高空的相对恶劣的气象条件下，对气象探测系统的耐低温和抗干扰能力有很强的要求，且需要在数据传输过程做到延时少、不失真。当前高空气象测量系统精度较低，如《常规高空气象探测规范》中对温度的误差要求在2℃之内，湿度误差要求在10％之内，风向角度要求在10°之内，风速要求在1m/s之内，许多设备的生产以此为准。然而随着时间发展，众多应用场景对高空气象探测精度要求提升，既有的测定精度已不适合当前需求，我们迫切需要精度高且测量稳定、延迟低的高空气象探测设备。
2.高空使用的气象探测系统的结构较为复杂，特别是在恶劣的高空气象环境中，容易导致高空气象探测效率和精度的明显下降，影响高空气象探测的结果。
3.高空使用的气象设备和探测系统在生产中具有同时使用量大、成本高等的特点，这就需要在有效确保高空使用的气象探测系统质量和性能的基础上，控制和降低生产的成本。
4.软硬件的兼容问题，需要开发和探测设备相匹配的软件，同时确保运行环境的稳定，使整个探测系统可以长时间无错误的输出数据。
因此，期待提供一种低成本、使用便捷、功能全面、性能可靠、可重复使用的高空环境快速探测系统。
发明内容
为了实现上述技术目的，本发明提出小型无人机搭载高精度便捷气象传感器的气象探测方案。为此，本发明提供了一种气象探测设备，其包括飞行式探测装置和与飞行式探测装置可无线通信连接的后台控制装置；飞行式探测装置包括无人机和搭载于无人机上的气象检测装置；飞行式探测装置还包括安全模块，所述安全模块配置成响应于触发事件的发生而启动无人机的自动返航模式；触发事件包括以下事件中的任一个：无人机的电池电量过低；飞行式探测装置与后台控制装置之间的通信断开；无人机遭遇极端天气；无人机的软件和/或硬件崩溃。
根据一可选实施例，气象检测装置包括以下测量装置中的至少一种：风速仪，温度传感器，湿度传感器，气压计，能见度传感器。
根据一可选实施例，气象探测设备还包括以下中的至少一个：
●校准装置，其配置成用于利用无人机的实时运动状态数据对由气象检测装置捕捉的风速测量值进行校准；
●搭载于无人机上的飞行控制装置，其配置成用于控制无人机沿预设的轨迹飞行；
●搭载于无人机上的位置检测装置，其配置成用于实时检测无人机的地理位置信息；
●搭载于无人机上的摄像装置，其配置成用于拍摄无人机周围环境的图像或视频；
●搭载于无人机上的运动状态测量装置，其配置成用于实时测量无人机的运动状态。
根据一可选实施例，安全模块配置成采用以下方式执行自动返航模式：使飞行式探测装置向后台控制装置发送返航请求，并在飞行式探测装置未在预设的时间内收到后台控制装置对返航请求的回应的情况下生成自动返航指令。
根据一可选实施例，安全模块配置成在检测到无人机的电池电量低于预设的阈值时启动自动返航模式。
根据一可选实施例，安全模块配置成在检测到飞行式探测装置与后台控制装置之间的通信连接已经断开预设的时长时启动自动返航模式。
根据一可选实施例，安全模块配置成在确定出当前气候条件及预估的未来短时间的气候条件均不适于无人机飞行时启动自动返航模式。
根据一可选实施例，安全模块配置成利用基于机器学习算法构建的模型由当前气候参数值：
确定当前气候条件是否适于无人机飞行；
预估未来短时间内的气候条件；和/或
确定预估的未来气候条件是否适于无人机飞行。
根据一可选实施例，安全模块配置成通过判断当前气候参数值中的一个或多个是否超出相应的第一预设范围来确定当前气候条件是否适于无人机飞行。
根据一可选实施例，安全模块配置成通过判断预估的未来气候参数值中的一个或多个是否超出相应的第二预设范围来确定预估的未来气候条件是否适于无人机飞行。
根据一可选实施例，后台控制装置配置成在显示屏、尤其是触控式显示屏中生成图形用户界面，图形用户界面并行显示包含有无人机的飞行轨迹线的数字地图、图像窗口和数据显示面板，数据显示面板包括切换钮，切换钮配置成用于在罗盘显示方式与文字显示方式之间切换各参数值的显示方式；图形用户界面还包括数据曲线图标，当数据曲线图标被点击时在图形用户界面中显示各参数值的数据曲线。
本发明的技术优点在于：
1)性能安全稳定，能在各种恶劣天气以及其它可能的不良状况下确保无人机安全返航；
2)传感器响应速度快，精度高，风速仪可实现秒级响应；
3)独创人工智能飞行稳定性技术，飞行平台稳定；
4)抗干扰能力强，整机外围结构件均采用导电材料或导电涂覆技术，具有较强的防电磁干扰能力；
5)友好的可视化软件界面；
6)所有飞控技术、人工智能飞行稳定性技术、传感器设计等技术和工程实现，完全自主研发，自主可控；
7)防水性佳，抗风性强，可适用温湿度区间广。
附图说明
本发明的更多特征及优点可以通过下述参考附图的具体实施例的详细说明来进一步阐述。所述附图为：
图1示出根据本发明的一示例性实施例的气象探测设备的示意性结构框图；
图2示出根据本发明的一示例性实施例的处于展开状态的无人机；
图3示出根据本发明的一示例性实施例的处于收回状态的无人机；
图4-6示出根据本发明的一示例性实施例的由后台控制装置生成的图形用户界面在不同状态下的视图；
图7示出根据本发明的一示例性实施例的由安全模块执行的用于控制无人机的安全控制流程的流程图；
图8示出根据本发明的一示例性实施例的自动返航模式的流程图；以及
图9示出根据本发明的一示例性实施例的安全控制流程中的一个步骤的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。
图1示出根据本发明的一示例性实施例的气象探测设备1的示意性结构框图。气象探测设备1包括飞行式探测装置10和与飞行式探测装置10可无线通信连接的后台控制装置20。飞行式探测装置10进而包括无人机11和搭载于无人机上的气象检测装置12。后台控制装置20配置成软件的形式(例如后台控制软件，比方手机APP或电脑应用程序)或软件和硬件结合的形式(例如专用远程控制设备)。
气象检测装置12包括以下测量装置中的至少一种：风速仪121，温度传感器122，湿度传感器123，气压计124，能见度传感器125。示例性地，风速仪121、温度传感器122、湿度传感器123、气压计124和能见度传感器125中的任多个或者全部作为单一个集成的传感器模块设于无人机11上。尤其，温度传感器22和湿度传感器23可以作为单一个集成的温湿度传感器模块设于无人机11上。
根据本发明的一示例性实施例，各测量装置的测量范围和测量精度如下：
●湿度传感器的测量范围：0——100％RH
●温度传感器的测量范围：-40——125℃
●湿度传感器的测量精度：±2％RH
●温度传感器的测量精度：±0.2℃
●气压计的测量范围：300——1100hPa(海拔+9000m到-500m)
●气压计的测量精度：±0.12hPa(1m)
●风速仪的风速测量范围：0——60m/s
●风速仪的风速测量精度：±3％
●风速仪的风向测量范围：0——359°
●风速仪的风向测量精度：±3°
根据本发明，飞行式探测装置10还包括搭载于无人机11上的飞行控制装置13，飞行控制装置13配置成用于控制无人机11尤其沿预设的飞行轨迹飞行。
根据本发明的一示例性实施例，飞行式探测装置10还包括搭载于无人机11上的位置检测装置14，其配置成用于实时检测无人机11的地理位置信息。示例性地，位置检测装置14可以是GPS或Beidou。
根据本发明的一示例性实施例，飞行式探测装置10还包括搭载于无人机11上的摄像装置16，其用于拍摄无人机11周围环境的图像或视频。
根据本发明的一示例性实施例，飞行式探测装置10还包括搭载于无人机11上的运动状态测量装置17，其用于测量无人机11的运动状态，例如姿态(俯仰角度、横摆角度和/或侧倾角度)和飞行速度。
根据本发明的一示例性实施例，飞行式探测装置10还包括搭载于无人机11上的数据传输装置15，借助于数据传输装置15，飞行式探测装置10与后台控制装置20能进行无线数据交换，例如将气象检测装置12、位置检测装置14、摄像装置16和/或运动状态测量装置17所采集到的数据实时传输给后台控制装置20，或者接收来自后台控制装置20的指令。
根据本发明的一示例性实施例，数据传输装置15的图传距离为0——10km，数传距离为0——30km。
根据本发明的一示例性实施例，后台控制装置20将来自飞行式探测装置10的气象数据进行存储、归档和数字化展示，也可以与其它设备通过网络进行实时数据沟通。
根据本发明的一示例性实施例，无人机11可以是可折叠式六翼无人机，参见图2-3，其中，图2示出处于展开状态的无人机11，图3示出处于收回状态的无人机11。
根据本发明的一示例性实施例，无人机11外围结构采用导电材料制成或涂覆以导电材料层。
根据本发明的一示例性实施例，无人机11设有防水结构。
根据本发明的一示例性实施例，无人机11具有如下参数：
●轴距：960mm
●飞机重量：3420g(不含电池)
●展开尺寸：轴960mm；高40mm
●折叠方式：横折(长103.5mm；宽26mm；高20mm(含脱线装置))
●动力电池：16000mAh(22.2v)重量2020g
●起飞重量：5440g
●探测高度：0——3000m
●起飞海拔：5000m
●最大悬停时间：30min
根据本发明的一示例性实施例，气象探测设备1包括校准装置，其用于利用由运动状态测量装置17捕捉的无人机11的运动状态数据对由风速仪121捕捉的风速测量值进行校准。用于校准的状态数据包括无人机的俯仰角度、横摆角度、侧倾角度和/或飞行速度。校准装置配置成借助于卡尔曼滤波和旋转矩阵实施所述校准。
示例性地，所述校准装置搭载于无人机11上和/或集成于后台控制装置20中。
根据本发明的一示例性实施例，飞行式探测装置10包括安全模块，该安全模块配置成响应于触发事件的发生启动飞行式探测装置10的自动返航模式。示例性地，安全模块与飞行控制装置13集成或独立地配置。
图7示出由安全模块执行的用于控制无人机11飞行的安全控制流程100的流程图。
在安全控制流程100中，在步骤S110中，在无人机11飞行期间，检测触发事件的发生。如果检测到触发事件的发生，则跳至步骤S120。在步骤S120中，自动返航模式被启动。如果未检测到触发事件的发生，则继续执行监测步骤S110。
图8示出自动返航模式的流程图。
自动返航模式启动后，在步骤S121中，飞行式探测装置10向后台控制装置20发出警告及返航请求。
在步骤S122中，判断飞行式探测装置10是否在预设的时间内收到后台控制装置20对返航请求的回应。如果否，则跳至步骤S123，安全模块生成自动返航指令。然后，在步骤S124中，飞行控制装置13响应于自动返航指令控制无人机11返航。
相反地，如果飞行式探测装置10在预设的时间内收到后台控制装置20的回应，则在步骤S125中飞行控制装置13基于来自后台控制装置20的回应控制无人机11的飞行。
根据本发明的一示例性实施例，触发事件包括以下事件中的任一个或任多个：无人机11的电池电量过低；飞行式探测装置10与后台控制装置20之间例如由于遮挡或其它原因出现通信丢失；无人机遭遇极端天气；无人机11的软件和/或硬件崩溃。
相应地，步骤S110包括(参见图9)：
在步骤S111a中监测无人机11的电池电量；在步骤S111b中判断电池电量是否低于预设的阈值；如是，则跳至启动自动返航模式的步骤S120；如否，则继续执行监测步骤S111a；
在步骤S112a中监测飞行式探测装置10与后台控制装置20之间的通信连接状态；在步骤S112b中判断通信连接是否处于连通状态，如是，则继续执行监测步骤S112a，如否，则进而在步骤S112c中判断通信连接断开是否持续预设的时长；如是，则跳至启动自动返航模式的步骤S120；如否，则继续执行监测步骤S112a；
在步骤S113a中检测当前气候参数值；在步骤S113b中基于当前气候参数值判断当前气候条件是否适于无人机11飞行；如是，则继续捕捉实时气候参数值；如否，则进而在步骤S113c中基于当前气候参数值预估未来短时间(例如2分钟)内的气候参数值；接下来，步骤S113d中判断预估的未来气候参数值是否适于无人机11飞行，如否，则跳至步骤S120；如是，则继续捕捉实时气候参数值；和/或
在步骤S114中监测飞行式探测装置10中的各软件和/或各硬件是否发出崩溃信号；如是，则跳至步骤S120；如否，则继续执行步骤S114。
根据本发明的一示例性实施例，借助于气象检测装置12检测当前气候参数值，气候参数值包括以下中的任一个或任多个：风速值，风向值，温度值，湿度值，气压值，能见度值。
根据本发明的一示例性实施例，采用以下方式执行步骤S113b：判断当前气候参数值中的一个或多个是否超出相应的第一预设范围。
根据本发明的一示例性实施例，采用以下方式执行步骤S113d：判断预估的气候参数值中的一个或多个是否超出相应的第二预设范围。
附加地或替代地，采用基于机器学习算法构建的模型(例如人工神经网络模型)执行步骤S113b、S113c和/或步骤S113d。
图4-6示出了由后台控制装置20生成的图形用户界面200在不同状态下的视图。图形用户界面200配置成并行显示包含有无人机11的飞行轨迹线的数字地图210和图像窗口220，图像窗口220显示由摄像装置16实时采集的视频或图像并例如以悬浮于数字地图210的一部分上的方式显示。
图形用户界面200还包括数据显示面板230。数据显示面板230可以并行显示以下实时参数值的至少一种：飞机姿态、飞机角度、温度、湿度、风速、风向、能见度和压强，其中，飞机姿态和飞机角度来自运动状态测量装置17，温度、湿度、风速、风向、能见度和压强来自气象检测装置12。数据显示面板230包括切换钮231，通过点击切换钮231，可以将各参数值的显示方式由罗盘显示(参见图4)切换成文字显示(参见图5)或反向切换。
根据本发明的一示例性实施例，图形用户界面200还包括数据曲线图标240，通过点击数据曲线图标240，可以显示各参数值的数据曲线250(即随时间变化的走势曲线)，如图6所示。
尽管一些实施例已经被说明，但是这些实施例仅仅是以示例的方式予以呈现，而没有旨在限定本发明的范围。所附的权利要求和它们的等价形式旨在覆盖落在本发明范围和精神内的所有改型、替代和改变。
Claims (10)
1.一种气象探测设备(1)，其包括飞行式探测装置(10)和与飞行式探测装置(10)可无线通信连接的后台控制装置(20)；飞行式探测装置(10)包括无人机(11)和搭载于无人机上的气象检测装置(12)；飞行式探测装置(10)还包括安全模块，所述安全模块配置成响应于触发事件的发生而启动无人机(11)的自动返航模式；触发事件包括以下事件中的至少一个：无人机(11)的电池电量过低；飞行式探测装置(10)与后台控制装置(20)之间的通信断开；无人机遭遇极端天气；无人机(11)的软件和/或硬件崩溃。
2.根据权利要求1所述的气象探测设备(1)，其特征在于，
气象检测装置(12)包括以下测量装置中的至少一种：风速仪(121)，温度传感器(122)，湿度传感器(123)，气压计(124)，能见度传感器(125)。
3.根据权利要求1或2所述的气象探测设备(1)，其特征在于，气象探测设备(1)还包括以下中的至少一个：
校准装置，其配置成利用无人机(11)的实时运动状态数据对由气象检测装置(12)捕捉的风速测量值进行校准；
搭载于无人机(11)上的飞行控制装置(13)，其配置成用于控制无人机(11)沿预设轨迹飞行；
搭载于无人机(11)上的位置检测装置(14)，其配置成用于实时检测无人机(11)的地理位置；
搭载于无人机(11)上的摄像装置(16)，其配置成用于拍摄无人机(11)周围环境的图像或视频；
搭载于无人机(11)上的运动状态测量装置(17)，其配置成用于测量无人机(11)的运动状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气象探测设备(1)，其特征在于，安全模块配置成采用以下方式启动自动返航模式：
使飞行式探测装置(10)向后台控制装置(20)发送返航请求，并在飞行式探测装置(10)未在预设的时间内收到后台控制装置(20)对返航请求的回应的情况下生成自动返航指令。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气象探测设备(1)，其特征在于，
安全模块配置成在检测到无人机(11)的电池电量低于预设的阈值时启动自动返航模式。
6.根据前述权利要求中任一项所述的气象探测设备(1)，其特征在于，
安全模块配置成在检测到飞行式探测装置(10)与后台控制装置(20)之间的通信连接已经断开预设的时长时启动自动返航模式。
7.根据前述权利要求中任一项所述的气象探测设备(1)，其特征在于，
安全模块配置成在确定出当前气候条件及预估的未来气候条件均不适于无人机(11)飞行时启动自动返航模式。
8.根据权利要求7所述的气象探测设备(1)，其特征在于，安全模块配置成利用基于机器学习算法构建的模型由当前气候参数值：
确定当前气候条件是否适于无人机(11)飞行；
预估未来短时间内的气候条件；和/或
确定预估的未来短时间的气候条件是否适于无人机(11)飞行。
9.根据权利要求7或8所述的气象探测设备(1)，其特征在于，
安全模块配置成通过判断当前气候参数值中的一个或多个是否超出相应的第一预设范围来确定当前气候条件是否适于无人机(11)飞行；和/或
安全模块配置成通过判断预估的未来气候参数值中的一个或多个是否超出相应的第二预设范围来确定预估的未来气候条件是否适于无人机(11)飞行。
10.根据前述权利要求中任一项所述的气象探测设备(1)，其特征在于，
后台控制装置(20)配置成在显示屏中生成图形用户界面(200)，图形用户界面(200)并行显示包含有无人机(11)的飞行轨迹线的数字地图(210)、图像窗口(220)和数据显示面板(230)，数据显示面板(230)包括切换钮(231)，切换钮(231)配置成用于在罗盘显示方式与文字显示方式之间切换各参数值的显示方式；图形用户界面(200)还包括数据曲线图标(240)，当数据曲线图标(240)被点击时在图形用户界面(200)中显示各参数值的数据曲线(250)。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111230268.0A Pending CN113900160A (zh) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | 气象探测设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113900160A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106125755A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-11-16 | 中国科学院南海海洋研究所 | 一种无人机的大气边界层环境自主探测系统及其控制方法 |
| CN107577001A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-01-12 | 程鹏 | 一种人工影响天气火箭弹信息收集系统 |
| CN110749943A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-02-04 | 武汉工程大学 | 一种基于气象无人机的气象探测系统 |
| CN111369760A (zh) * | 2018-12-25 | 2020-07-03 | 西南科技大学 | 一种基于无人机的夜间行人安全预警装置及方法 |
| CN111665859A (zh) * | 2019-03-08 | 2020-09-15 | 北京京东尚科信息技术有限公司 | 无人机的返航控制方法及装置、存储介质、电子设备 |
| CN212861863U (zh) * | 2020-07-27 | 2021-04-02 | 中南安全环境技术研究院股份有限公司 | 基于无人机的植物群落统计监测系统 |
-
2021
- 2021-10-22 CN CN202111230268.0A patent/CN113900160A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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