CN114553294A - 一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统及净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，包括地面遥感基站、通讯基站、测绘无人机、中继无人机及GNSS卫星定位网络，中继无人机至少两个，测绘无人机若干，各测绘无人机间相互并联，并分别与中继无人机间建立数据连接，且测绘无人机、中继无人机分别与地面遥感基站间通过无线通讯网络建立数据连接。其勘测方法包括系统配置，系统设置及测绘作业等三个步骤。本发明一方面可根据实际勘测要求，灵活配置勘测系统，从而有效满足各类不同环境及面域范围勘测作业的需要；另一方面较传统的遥感勘测，具有数据通讯能力强、抗干扰、抗故障能力强，勘测精度高及勘测效率高，且勘测成本及劳动强度均相对较低的优势。

Description

一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统及净化方法

技术领域

本发明涉及一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统及其方法，属空气净化系统技术领域。

背景技术

目前在遥感测绘作业中，尤其是对结构复杂、特种类型众多的大面积范围进行遥感测绘作业时，主要是通过遥感卫星、无人机系统独立测绘或同步协同测绘作业，虽然可以满足遥感测绘的需要，但一方面通过遥感卫星勘测作业时，勘测作业成本高，且易受卫星工作状态而导致勘测作业的灵活性和便捷性受到极大的影响，而当采用无人机勘测作业时，由于无人机的航程、通讯距离首先且机载设备单一等因素限制，从而导致其在对结构复杂、特种类型众多的大面积范围进行遥感测绘作业时，勘测作业效率低下、勘测数据单一，且勘测作业时易受到环境因素影响而导致通讯信号受到干扰，进一步降低了勘测作业的可靠性、稳定性和勘测结果精度；

针对这一现状，虽然当前也开发了利用多架无人机设备同步运行进行勘测作业的需要，各勘测用无人机运行时往往均是独立运行，虽然可以满足勘测的需要，但一方面导致无人机操控基站的工作强度大，各无人机间易发生相互干扰；另一方面导致无人机设备运行时数据交互量大，数据通讯范围受限，因此也依然无法有效满足实际勘测作业的需要。

因此针对这一问题，需要开发一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统及其方法，以满足实际使用的需要。

发明内容

为了解决现有技术上的不足，本发明提供一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统及其方法。

一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，包括地面遥感基站、通讯基站、测绘无人机、中继无人机及GNSS卫星定位网络，中继无人机至少两个，测绘无人机若干，各测绘无人机间相互并联，并分别与中继无人机间建立数据连接，中继无人机间通过无线通讯网络间混连，且测绘无人机、中继无人机分别与地面遥感基站间通过无线通讯网络建立数据连接，测绘无人机、中继无人机和地面遥感基站均与通讯基站建立数据连接，测绘无人机、中继无人机和通讯基站另均与GNSS卫星定位网络建立数据连接。

进一步的，所述的通讯基站若干，且待勘测范围边缘位置设置至少两个通讯基站，勘测范围内设置至少一个通讯基站，且勘测范围内的通讯基站与通讯范围边缘位置的通讯基站间构成至少一个三角形面域。

进一步的，所述的地面遥感基站、通讯基站为固定基站及移动基站中的任意一种。

进一步的，所述的测绘无人机、中继无人机中，一架中继无人机与若干测绘无人机间建立数据连接并构成一个测绘网，所述测绘网数量不小于三个，各测绘网之间通过中继无人机建立数据连接，且每个测绘网中的测绘无人机均不少于5架。

进一步的，所述的测绘无人机、中继无人机均包括无人机机体、遥感勘测设备和无线数据通讯装置，其中所述遥感勘测设备均通过连接机构与无人机机体机腹位置连接，所述无线数据通讯装置嵌于无人机机体内，且遥感勘测设备和无线数据通讯装置均与无人机机体电力系统电气连接。

进一步的，所述的连接机构包括承载台、导向滑轨、连接滑槽、三维转台机构、三轴陀螺仪、加速度传感器、重力传感器、测距传感器、定位夹具，所述导向滑轨与无人机机体机腹连接并与无人机机体轴线平行分布，所述连接滑槽为轴向截面呈“H”字形槽装结构，所述连接滑槽上端面槽体包覆在导向滑轨外并与导向滑轨滑动连接，所述承载台为横断面呈矩形的闭合腔体结构，嵌于连接滑槽下端面的槽体内，与连接滑槽下端面的槽体同轴分布并与槽体侧壁滑动连接，所述定位夹具至少两个，分别与承载台下端面通过三维转台机构连接并环绕承载台轴线均布，且承载台下端面通过定位夹具与遥感勘测设备连接，所述三轴陀螺仪、加速度传感器、重力传感器均嵌于承载台内，与承载台同轴分布并沿承载台轴线从上向下分布，所述测距传感器通过三轴陀螺仪与承载台下端面铰接，且测距传感器轴线与遥感勘测设备轴线呈0°—30°夹角，所述三维转台机构、三轴陀螺仪、加速度传感器、重力传感器、测距传感器均与无人机机体的电力系统电气连接。

进一步的，所述的连接滑槽下端面设至少四个环绕连接滑槽轴线均布的防撞弹性垫块，且防撞弹性垫块超出连接滑槽下端面至少10毫米，所述连接滑槽下端面的槽体侧壁与承载台间通过升降驱动机构滑动连接，且承载台上端面与连接滑槽槽底间通过至少一条减震弹簧相互连接，所述连接滑槽上端面侧槽体侧壁内设行走驱动机构，并通过行走驱动机构与导向滑轨滑动连接，且所述行走驱动机构与导向滑轨轴线平行分布，所述升降驱动机构和行走驱动机构均与无人机机体的电力系统电气连接。

进一步的，所述的无线数据通讯装置均设至少两个通讯天线，其中一个通讯天线嵌于无人机机体内，并与无人机机体内表面相抵，另一条通讯天线前与无人机机体外表面连接，且无人机机体内的通讯天线和无人机机体外的通讯天线间并联，并分别与无线数据通讯装置和无人机机体电力系统电气连接。

一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统的勘测方法，包括如下步骤：

S1，系统配置，首先根据待勘测面域范围，一方面设置用于勘测作业的测绘无人机数量，并根据测绘无人机数量设定中继无人机的数量；另一方面根据测绘无人机、中继无人机的数量及待勘测面域范围设定所需地面遥感基站、通讯基站的相应数量、运行功率及设定位置，同时对GNSS卫星定位网络进行设置；然后对待勘测面域范围进行区域划分，将待勘测面域划分问若干勘测区域，然后根据各勘测区域的数量和范围，将各测绘无人机、中继无人机划分为与勘测区域数量对应的，且每个勘测区域均设一个测绘网；

S2，系统设置，将参与到测绘作业的测绘无人机、中继无人机分别与地面遥感基站、通讯基站及GNSS卫星定位网络建立数据连接，并由地面遥感基站对各设定测绘无人机、中继无人机协调运行策略，并为各定测绘无人机、中继无人机分配独立数据通讯地址及硬件识别号；

S3，测绘作业，完成S2步骤作业，由地面遥感基站在通讯基站直接向中继无人机发送测绘控制命令，然后由中继无人机接接收的测绘控制命令进行初步处理后，分别推送至其所在测绘网的各测绘无人机，然后由测绘无人机对其所划分的勘测区域进行勘测，且勘测数据统一反馈至中继无人机，并由中继无人机汇总处理后反馈至地面遥感基站，即可完成勘测作业。

进一步的，所述的S2步骤中，测绘无人机、中继无人机协调运行策略包括：

a、设定同一测绘网中多个中继无人机的工作优先级及中继无人机应急替补处置机制；

b、设定同一测绘网中测绘无人机、中继无人机独立飞行姿态及轨迹，设定测绘无人机、中继无人机之间相对位置关系；

c、设定相邻测绘网中通讯古装时中继无人机应急信息协同运行通讯机制。

本发明一方面系统构成结构简单灵活，可根据实际勘测要求，灵活配置勘测系统，从而有效满足各类不同环境及面域范围勘测作业的需要；另一方面较传统的遥感勘测，具有数据通讯能力强、抗干扰、抗故障能力强，勘测精度高及勘测效率高，且勘测成本及劳动强度均相对较低的优势。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明测绘勘测作业示意图；

图3为测绘无人机、中继无人机局部结构示意图；

图4为连接机构示意图；

图5为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于施工，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1—4所示，一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，包括地面遥感基站1、通讯基站2、测绘无人机3、中继无人机4及GNSS卫星定位网络5，中继无人机4至少两个，测绘无人机3若干，各测绘无人机间3相互并联，并分别与中继无人机4间建立数据连接，中继无人机4间通过无线通讯网络间混连，且测绘无人机3、中继无人机4分别与地面遥感基站1间通过无线通讯网络建立数据连接，测绘无人机3、中继无人机4和地面遥感基站1均与通讯基站2建立数据连接，测绘无人机3、中继无人机4和通讯基站2另均与GNSS卫星定位网络5建立数据连接。

本实施例中，所述的通讯基站2若干，且待勘测范围边缘位置设置至少两个通讯基站2，勘测范围内设置至少一个通讯基站2，且勘测范围内的通讯基站与通讯范围边缘位置的通讯基站2间构成至少一个三角形面域。

进一步优化的，所述的地面遥感基站1、通讯基站2为固定基站及移动基站中的任意一种。

同时，所述的测绘无人机3、中继无人机4中，一架中继无人机4与若干测绘无人机3间建立数据连接并构成一个测绘网，所述测绘网数量不小于三个，各测绘网之间通过中继无人机4建立数据连接，且每个测绘网中的测绘无人机3均不少于5架。

本实施例中，所述的测绘无人机3、中继无人机4均包括无人机机体10、遥感勘测设备11和无线数据通讯装置12，其中所述遥感勘测设备11均通过连接机构13与无人机机体10机腹位置连接，所述无线数据通讯装置12嵌于无人机机体10内，且遥感勘测设备11和无线数据通讯装置12均与无人机机体10电力系统电气连接。

需要特别说明的，所述的连接机构13包括承载台131、导向滑轨132、连接滑槽133、三维转台机构134、三轴陀螺仪135、加速度传感器136、重力传感器137、测距传感器138、定位夹具139，所述导向滑轨132与无人机机体10机腹连接并与无人机机体10轴线平行分布，所述连接滑槽133为轴向截面呈“H”字形槽装结构，所述连接滑槽133上端面槽体包覆在导向滑轨132外并与导向滑轨132滑动连接，所述承载台131为横断面呈矩形的闭合腔体结构，嵌于连接滑槽133下端面的槽体内，与连接滑槽133下端面的槽体同轴分布并与槽体侧壁滑动连接，所述定位夹具139至少两个，分别与承载台131下端面通过三维转台机构135连接并环绕承载台131轴线均布，且承载台131下端面通过定位夹具139与遥感勘测设备11连接，所述三轴陀螺仪135、加速度传感器136、重力传感器137均嵌于承载台131内，与承载台131同轴分布并沿承载台131轴线从上向下分布，所述测距传感器138通过三轴陀螺仪135与承载台131下端面铰接，且测距传感器138轴线与遥感勘测设备11轴线呈0°—30°夹角，所述三维转台机构134、三轴陀螺仪135、加速度传感器136、重力传感器137、测距传感器138均与无人机机体10的电力系统电气连接。

其中，所述的连接滑槽133下端面设至少四个环绕连接滑槽133轴线均布的防撞弹性垫块1331，且防撞弹性垫块1331超出连接滑槽133下端面至少10毫米，所述连接滑槽133下端面的槽体侧壁与承载台131间通过升降驱动机构1332滑动连接，且承载台131上端面与连接滑槽133槽底间通过至少一条减震弹簧1333相互连接，所述连接滑槽133上端面侧槽体侧壁内设行走驱动机构1334，并通过行走驱动机构1334与导向滑轨132滑动连接，且所述行走驱动机构1334与导向滑轨132轴线平行分布，所述升降驱动机构1332和行走驱动机构1334均与无人机机体10的电力系统电气连接。

同时，所述的无线数据通讯装置12均设至少两个通讯天线6，其中一个通讯天线6嵌于无人机机体10内，并与无人机机体10内表面相抵，另一条通讯天线前6与无人机机体10外表面连接，且无人机机体10内的通讯天线6和无人机机体10外的通讯天线6间并联，并分别与无线数据通讯装置12和无人机机体10电力系统电气连接。

如图5所示，一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统的勘测方法，包括如下步骤：

S1，系统配置，首先根据待勘测面域范围，一方面设置用于勘测作业的测绘无人机数量，并根据测绘无人机数量设定中继无人机的数量；另一方面根据测绘无人机、中继无人机的数量及待勘测面域范围设定所需地面遥感基站、通讯基站的相应数量、运行功率及设定位置，同时对GNSS卫星定位网络进行设置；然后对待勘测面域范围进行区域划分，将待勘测面域划分问若干勘测区域，然后根据各勘测区域的数量和范围，将各测绘无人机、中继无人机划分为与勘测区域数量对应的，且每个勘测区域均设一个测绘网；

S2，系统设置，将参与到测绘作业的测绘无人机、中继无人机分别与地面遥感基站、通讯基站及GNSS卫星定位网络建立数据连接，并由地面遥感基站对各设定测绘无人机、中继无人机协调运行策略，并为各定测绘无人机、中继无人机分配独立数据通讯地址及硬件识别号；

S3，测绘作业，完成S2步骤作业，由地面遥感基站在通讯基站直接向中继无人机发送测绘控制命令，然后由中继无人机接接收的测绘控制命令进行初步处理后，分别推送至其所在测绘网的各测绘无人机，然后由测绘无人机对其所划分的勘测区域进行勘测，且勘测数据统一反馈至中继无人机，并由中继无人机汇总处理后反馈至地面遥感基站，即可完成勘测作业。

进一步的，所述的S2步骤中，测绘无人机、中继无人机协调运行策略包括：

a、设定同一测绘网中多个中继无人机的工作优先级及中继无人机应急替补处置机制；

b、设定同一测绘网中测绘无人机、中继无人机独立飞行姿态及轨迹，设定测绘无人机、中继无人机之间相对位置关系；

c、设定相邻测绘网中通讯古装时中继无人机应急信息协同运行通讯机制。

同时，在勘测过程中，通过设置中继无人机实现对多个测绘无人机与地面遥感基站、通讯基站间通讯及操控信号中继处理，一方面有效的减低了地面遥感基站、通讯基站数据处理量，提高数据处理效率；另一方面利用中继无人机和测绘无人机间近距离通讯，及中继无人机与地面遥感基站、通讯基站间位置灵活调整，从而有效的提高了数据通讯交互作业的稳定性和可靠性，克服传统无人机直接与基站信息交互时易受距离、地理环境因素造成的勘测范围小、数据通讯信号易受干扰的缺陷；

此外，通过对各测绘无人机进行分组运行，实现同时对多类地域环境同步勘测作业及连续重复勘测作业，有效的提高勘测作业覆盖范围和提高单次勘测作业时获取数据的全面性；同时另通过对测绘无人机分组控制，且各组测绘无人机中均设置多个中继无人机结构，实现当个别设备故障时，具备充足的后续应急替代设备，从而极大的提高了勘测系统运行时的稳定性和抗故障能力。

与此同时，在实际勘测作业中，首先由连接机构的三轴陀螺仪、加速度传感器、重力传感器对飞行姿态进行检测，同时通过测距传感器对相邻无人机机体之间及无人机机体与勘测范围内地面物间距检测检测，然后根据检测到的各数据一方面由行走驱动机构驱动连接滑槽及连接槽内的遥感勘测设备沿导向滑轨进行勘测位置调节；另一方面通过三维转台机构、升降驱动机构调整遥感勘测设备与勘测标的物间的夹角，从而达到提高勘测作业稳定性、定位精度的目的，并有效的提高勘测作业的精度。

与此同时，在测绘作业时，一方面由连接机构的防撞弹性垫块和减震弹簧对勘测作业时产生的震动、及无人机起降作业时的冲击作用力进行弹性吸收，提高遥感勘测设备运行稳定性和抗故障能力；另一方面在进行数据通讯时，可同时通过无线数据通讯装置设置在无人机机体内部和外部的通讯天线进行数据传输，从而提高通讯信号的稳定性，并可实现利用不同通讯天线同时传递多种类型通讯数据，提高信息通讯交互效率和稳定性。

本发明一方面系统构成结构简单灵活，可根据实际勘测要求，灵活配置勘测系统，从而有效满足各类不同环境及面域范围勘测作业的需要；另一方面较传统的遥感勘测，具有数据通讯能力强、抗干扰、抗故障能力强，勘测精度高及勘测效率高，且勘测成本及劳动强度均相对较低的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的基于无人机集群的大面域遥感勘测系统包括地面遥感基站、通讯基站、测绘无人机、中继无人机及GNSS卫星定位网络，所述中继无人机至少两个，测绘无人机若干，各测绘无人机间相互并联，并分别与中继无人机间建立数据连接，所述中继无人机间通过无线通讯网络间混连，且测绘无人机、中继无人机分别与地面遥感基站间通过无线通讯网络建立数据连接，所述测绘无人机、中继无人机和地面遥感基站均与通讯基站建立数据连接，且所述测绘无人机、中继无人机和通讯基站另均与GNSS卫星定位网络建立数据连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的通讯基站若干，且待勘测范围边缘位置设置至少两个通讯基站，勘测范围内设置至少一个通讯基站，且勘测范围内的通讯基站与通讯范围边缘位置的通讯基站间构成至少一个三角形面域。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的地面遥感基站、通讯基站为固定基站及移动基站中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的测绘无人机、中继无人机中，一架中继无人机与若干测绘无人机间建立数据连接并构成一个测绘网，所述测绘网数量不小于三个，各测绘网之间通过中继无人机建立数据连接，且每个测绘网中的测绘无人机均不少于5架。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的测绘无人机、中继无人机均包括无人机机体、遥感勘测设备和无线数据通讯装置，其中所述遥感勘测设备均通过连接机构与无人机机体机腹位置连接，所述无线数据通讯装置嵌于无人机机体内，且遥感勘测设备和无线数据通讯装置均与无人机机体电力系统电气连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的连接机构包括承载台、导向滑轨、连接滑槽、三维转台机构、三轴陀螺仪、加速度传感器、重力传感器、测距传感器、定位夹具，所述导向滑轨与无人机机体机腹连接并与无人机机体轴线平行分布，所述连接滑槽为轴向截面呈“H”字形槽装结构，所述连接滑槽上端面槽体包覆在导向滑轨外并与导向滑轨滑动连接，所述承载台为横断面呈矩形的闭合腔体结构，嵌于连接滑槽下端面的槽体内，与连接滑槽下端面的槽体同轴分布并与槽体侧壁滑动连接，所述定位夹具至少两个，分别与承载台下端面通过三维转台机构连接并环绕承载台轴线均布，且承载台下端面通过定位夹具与遥感勘测设备连接，所述三轴陀螺仪、加速度传感器、重力传感器均嵌于承载台内，与承载台同轴分布并沿承载台轴线从上向下分布，所述测距传感器通过三轴陀螺仪与承载台下端面铰接，且测距传感器轴线与遥感勘测设备轴线呈0°—30°夹角，所述三维转台机构、三轴陀螺仪、加速度传感器、重力传感器、测距传感器均与无人机机体的电力系统电气连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的连接滑槽下端面设至少四个环绕连接滑槽轴线均布的防撞弹性垫块，且防撞弹性垫块超出连接滑槽下端面至少10毫米，所述连接滑槽下端面的槽体侧壁与承载台间通过升降驱动机构滑动连接，且承载台上端面与连接滑槽槽底间通过至少一条减震弹簧相互连接，所述连接滑槽上端面侧槽体侧壁内设行走驱动机构，并通过行走驱动机构与导向滑轨滑动连接，且所述行走驱动机构与导向滑轨轴线平行分布，所述升降驱动机构和行走驱动机构均与无人机机体的电力系统电气连接。

8.根据权利要求5所述的一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统，其特征在于：所述的无线数据通讯装置均设至少两个通讯天线，其中一个通讯天线嵌于无人机机体内，并与无人机机体内表面相抵，另一条通讯天线前与无人机机体外表面连接，且无人机机体内的通讯天线和无人机机体外的通讯天线间并联，并分别与无线数据通讯装置和无人机机体电力系统电气连接。

9.一种基于无人机集群的大面域遥感勘测系统的勘测方法，其特征在于，所述基于无人机集群的大面域遥感勘测系统的勘测方法包括如下步骤：

S1，系统配置，首先根据待勘测面域范围，一方面设置用于勘测作业的测绘无人机数量，并根据测绘无人机数量设定中继无人机的数量；另一方面根据测绘无人机、中继无人机的数量及待勘测面域范围设定所需地面遥感基站、通讯基站的相应数量、运行功率及设定位置，同时对GNSS卫星定位网络进行设置；然后对待勘测面域范围进行区域划分，将待勘测面域划分问若干勘测区域，然后根据各勘测区域的数量和范围，将各测绘无人机、中继无人机划分为与勘测区域数量对应的，且每个勘测区域均设一个测绘网；

S2，系统设置，将参与到测绘作业的测绘无人机、中继无人机分别与地面遥感基站、通讯基站及GNSS卫星定位网络建立数据连接，并由地面遥感基站对各设定测绘无人机、中继无人机协调运行策略，并为各定测绘无人机、中继无人机分配独立数据通讯地址及硬件识别号；

S3，测绘作业，完成S2步骤作业，由地面遥感基站在通讯基站直接向中继无人机发送测绘控制命令，然后由中继无人机接接收的测绘控制命令进行初步处理后，分别推送至其所在测绘网的各测绘无人机，然后由测绘无人机对其所划分的勘测区域进行勘测，且勘测数据统一反馈至中继无人机，并由中继无人机汇总处理后反馈至地面遥感基站，即可完成勘测作业。

10.根据权利要求9所述的基于无人机集群的大面域遥感勘测系统的勘测方法，其特征在于：所述的S2步骤中，测绘无人机、中继无人机协调运行策略包括：

a、设定同一测绘网中多个中继无人机的工作优先级及中继无人机应急替补处置机制；

b、设定同一测绘网中测绘无人机、中继无人机独立飞行姿态及轨迹，设定测绘无人机、中继无人机之间相对位置关系；

c、设定相邻测绘网中通讯古装时中继无人机应急信息协同运行通讯机制。

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