CN114633885B

CN114633885B - 一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器及其部署方法

Info

Publication number: CN114633885B
Application number: CN202210512770.9A
Authority: CN
Inventors: 杜源; 刘文星; 黄观文; 张和智; 白正伟; 李东旭; 张勤; 梁峻唯; 黄观武
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2022-05-12
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2042-05-12
Also published as: CN114633885A

Abstract

本发明提供了一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器及其部署方法，属于地质灾害监测技术领域。分体式地质灾害监测仪器包括：监测设备、预投基座，监测设备包括：监测箱体，监测箱体包括：作为监测箱体上半部分的固定组件、作为监测箱体下半部分的承载组件。方法利用无人机将监测设备、预投基座远程分步投放固定，其中，预投基座通过爆破枪管内火药囊、引爆针产出爆炸力，将插入钉稳固插入监测点地面，监测设备通过卡扣结构与预投基座固定。本发明解决了目前无人机部署地质灾害监测设备成功率低、投放失败或监测任务结束后监测设备难以回收的问题，具有分体回收、固定成功率高的优点。

Description

一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器及其部署方法

技术领域

本发明涉及地质灾害监测技术领域，具体是涉及一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器及其部署方法。

背景技术

我国是亚洲乃至世界上遭受地质灾害侵扰最为严重的国家之一，滑坡、崩塌、泥石流、塌陷等地质灾害每年都给我国人民的生命财产安全造成重大损失。我国的川藏铁路工程、黄河流域生态保护工程等国家重大项目大多都处于崇山峻岭或地形高差较大、地质情况复杂的区域，这些工程容易遭受到各类地质灾害的侵扰，同时，高位艰险的地灾也严重影响了项目推进的安全性与稳定性。

此外，我国每年平均发生10余起地震灾害，而地震往往会在短时间内进一步诱发滑坡、泥石流等次生或并发灾害，此类地质灾害具有十分迫切的监测预警需求。但目前针对高位艰险地质灾害、应急次生地质灾害与常规地质灾害的监测技术还不够成熟，传统的监测设备与手段还存在人力难、部署难、野外作业路程远周期长、部署与回收风险高、监测设备成本高等难点痛点。

目前已提出的一种远程部署的地质灾害监测装置及其监测方法（专利申请号202011120304）在一定程度上填补了高位艰险与应急次生地质灾害隐患区域GNSS监测设备部署领域的空白，但其目前还具有以下两个主要问题：

第一、监测设备固定成功率低，地质灾害隐患区往往土质和地貌较为复杂，在面对较硬的土质或岩质地形时，仅依靠监测设备的重力惯性辅助插入脚钉很难使设备稳固插入地面，在面对崎岖倾斜的坡度时，监测设备落地瞬间易发生侧翻；

第二、监测设备部署面临较高的损毁风险，监测设备核心功能元件的成本较高，同时采用无人机投放部署设备的成功率较低，当监测设备因服务寿命到期或需要维护检修时，回收工作却难以推进。

发明内容

本发明解决的技术问题是：目前采用无人机投放部署地质灾害监测设备的成功率较低，投放失败或监测任务结束后监测设备难以回收。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，包括：

作为地质灾害监测仪器上半部分的监测设备，监测设备包括：用于提供地质灾害监测功能的监测箱体，监测箱体包括：作为监测箱体上半部分的空心圆柱形固定组件、作为监测箱体下半部分的空心承载组件，固定组件与空心承载组件之间通过销轴转动连接，其中：

固定组件外表面包裹有柔性太阳能电池板，固定组件上表面设有用于接收卫星信号的GNSS天线模块，固定组件上表面还焊接有便于无人机悬吊的数个环形金属吊环，

承载组件下方中心位置固定有水滴状的定位销，承载组件内壁固定连接有横向的设备固定板，设备固定板上方通过设备固定框固定有维持监测设备正常供电、监测与通信的核心功能元件，核心功能元件与柔性太阳能电池板、GNSS天线模块电性连接，

作为地质灾害监测仪器下半部分的预投基座，预投基座通过卡扣结构与监测设备底部固定连接，预投基座包括：

形状为空心圆柱体的基座箱体，基座箱体内壁中部焊接有支撑隔盘，支撑隔盘上表面中心位置焊接有漏斗式托盘，漏斗式托盘与支撑隔盘连接处中心位置设有与定位销进行卡合固定的环形连接滑扣，支撑隔盘下表面中心位置焊接有用于通过爆破力固定基座箱体的爆破枪管，爆破枪管内设有引爆针，引爆针外周缠绕有引爆弹簧，其中，引爆针的针头朝下，针尾固定在支撑隔盘下方，引爆弹簧的长度超过引爆针，引爆弹簧上端焊接在支撑隔盘下方，下端固定连接有炮枪主钉，炮枪主钉包括：与引爆弹簧下端固定连接的火药囊，火药囊底部固定有穿出基座箱体的插入钉。

进一步地，环形连接滑扣由数片纵向的弧形滑片组成，弧形滑片通过滑扣弹簧与漏斗式托盘内壁连接。

进一步地，GNSS天线模块包括：位于固定组件上表面的圆形缺口，圆形缺口底部连通有与固定组件上表面底部固定的底端封闭的天线固定管，天线固定管封闭端通过焊接固定有缓冲弹簧，缓冲弹簧顶端通过焊接固定有穿出固定组件的GNSS天线。

更进一步地，预投基座的基座底部下方水平固定有数个用于支撑和辅助预投基座固定的竖直且下端尖锐的支撑插杆，支撑插杆的长度小于炮枪主钉。

一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器部署方法，包括以下步骤：

S1、将无人机置于起飞平台上，并通过无人机投放装置与预投基座上方钩连，准备起飞；

S2、启动搭载有预投基座的无人机，无人机通过航线规划前往预先设定的目标监测点；

S3、当无人机到达目标监测点位上空时，缓速下降至距地面1~2m处，待无人机机身与预投基座保持稳定水平后，控制无人机投放装置松开；

S4、预投基座因自身重力下落，预投基座下方的枪炮主钉与支撑插杆以高冲量插向地面，此时枪炮主钉的插入钉下端钉头扎入地面，插入钉上端钉帽带动火药囊向上挤压引爆弹簧，使得火药囊触碰引爆针，火药囊受引爆针撞击爆破，引爆后插入钉受到向下的爆破力急速向下冲击并稳定插入地面，从而带动预投基座稳定固定在监测点；

S5、预投基座成功固定后，无人机拍摄预投基座成功固定后的照片，并记录下预投基座的经纬度坐标后自动返航；

S6、无人机返航至起飞点的飞行平台上，将无人机投放装置与监测设备上端的金属吊环钩连，准备起飞；

S7、启动搭载有监测设备的无人机，通过航线规划自动寻点去往预投基座固定点的位置；

S8、无人机到达预投基座点位上空，缓速下降至距预投基座上方1.5~2m处，再次通过无人机照相机镜头水平调整投放位置，待无人机机身和监测设备保持稳定水平且对准预投基座中心后，控制无人机投放装置松开；

S9、监测设备自由下落，即使投放时监测设备与预投基座中心存在水平方向上的偏差，但只要监测设备下端的定位销能够落入预投基座的漏斗式托盘当中，监测设备就能够在漏斗式托盘的引导下，依靠自身重力进一步滑落至预投基座中央，最后通过卡扣结构完成监测设备与预投基座的固定连接；

S10、监测设备成功固定后，无人机拍摄监测设备成功固定后的照片，随后自动返航。

优选地，还包括以下步骤：

S11、在监测设备出现故障需要被回收时，选取一台空载无人机到达监测设备点位上空；

S12、空载无人机缓速下降至距故障监测设备上方1.5~2m处，并通过空载无人机照相机镜头水平调整投放位置，直至空载无人机投放装置与故障监测设备上端的金属吊环钩连，在投放装置与金属吊环钩连成功后，无人机缓速上升，带动故障监测设备的定位销脱离预投基座，脱离完成后，空载无人机带动故障监测设备返航。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过灾害监测仪器的分体式结构设计大幅降低了仪器的使用风险，主要表现在两个方面：一、当不含电子元件的低成本预投基座投放固定失败时，可直接舍弃此基座选择再次投放新的基座，规避了监测设备本体一次投放失败的风险，极大节约了成本，二、若监测设备因监测任务结束或定期维护检修等需要回收时，灾害监测仪器上下部分通过卡扣卡合的设计，使得无人机远程回收监测设备成为可能；

（2）本发明通过位于预投基座重心处的穿透能力极强的枪炮式主钉与起辅助作用的支撑插杆，实现了地质灾害监测设备在复杂地质环境下的稳定固定，漏斗式托盘与连接卡扣的设计，进一步提高了本仪器的固定成功率。

附图说明

图1为实施例1中监测设备与预投基座连接固定后的外观示意图；

图2为实施例1中监测设备与预投基座连接固定后的内部结构示意图；

图3为实施例1中监测设备外观示意图；

图4为实施例1中监测设备内部结构示意图；

图5为实施例2中预投基座外观示意图；

图6为实施例1中预投基座内部结构示意图；

图7为实施例1中炮枪主钉爆破前的状态示意图；

图8为实施例1中炮枪主钉爆破后的状态示意图；

图9为实施例1中卡口结构连接时的状态示意图；

图10为本发明分体式地质灾害监测仪器的部署方法流程图；

其中，1-监测设备、11-监测箱体、111-固定组件、1111-吊环、1112-柔性太阳能电池板、112-承载组件、1121-设备固定板、1122-设备固定框、121-GNSS天线、122-缓冲弹簧、13-核心功能元件、2-预投基座、21-基座箱体、211-基座底部、22-漏斗式托盘、23-支撑隔盘、24-炮枪主钉、241-火药囊、242-插入钉、25-爆破枪管、251-引爆针、252-引爆弹簧、26-支撑插杆、3-卡扣结构、31-定位销、32-环形连接滑扣、321-滑扣弹簧、322-弧形滑片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

实施例1

一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，如图1、图2所示，包括：

作为地质灾害监测仪器上半部分的监测设备1，如图3所示，监测设备1包括：用于提供地质灾害监测功能的监测箱体11以及内置的核心功能元件13，监测箱体11包括：作为监测箱体11上半部分的空心圆柱形固定组件111、作为监测箱体11下半部分的空心承载组件112，固定组件111与空心承载组件112之间通过销轴转动连接，其中：

固定组件111外表面包裹有柔性太阳能电池板1112，固定组件111上表面设有用于接收卫星信号的GNSS天线模块，固定组件111上表面还焊接有便于无人机悬吊的数个环形金属吊环1111，

承载组件112下方中心位置固定有水滴状的定位销31，承载组件112内壁固定连接有横向的设备固定板1121，设备固定板1121上方通过设备固定框1122固定有维持监测设备1正常供电、监测与通信的核心功能元件13，核心功能元件13与柔性太阳能电池板1112、GNSS天线模块电性连，

作为地质灾害监测仪器下半部分的预投基座2，所述预投基座2通过卡扣结构3与所述监测设备1底部固定连接，如图6所示，预投基座2包括：

形状为空心圆柱体的基座箱体21，基座箱体21内壁中部焊接有支撑隔盘23，支撑隔盘23上表面中心位置焊接有漏斗式托盘22，漏斗式托盘22与支撑隔盘23连接处中心位置设有与定位销31进行卡合固定的环形连接滑扣32，如图9所示，环形连接滑扣32由三片纵向的弧形滑片322组成，弧形滑片322通过滑扣弹簧321与漏斗式托盘22内壁连接，支撑隔盘23下表面中心位置焊接有用于通过爆破力固定基座箱体21的爆破枪管25，爆破枪管25内设有引爆针251，引爆针251外周缠绕有引爆弹簧252，其中，引爆针251的针头朝下，针尾固定在支撑隔盘23下方，引爆针251较引爆弹簧252短5cm，爆弹簧252上端焊接在支撑隔盘23下方，下端固定连接有炮枪主钉24，如图7、图8所示，炮枪主钉24包括：与引爆弹簧252下端固定连接的火药囊241，火药囊241底部固定有穿出基座箱体21的插入钉242，如图5所示，预投基座2的基座底部211下方水平方向互成120°固定有三个用于支撑和辅助预投基座2固定的竖直且下端尖锐的支撑插杆26，支撑插杆26的长度比炮枪主钉24短10cm。

如图4所示，GNSS天线模块包括：位于固定组件111上表面的圆形缺口，圆形缺口底部连通有与固定组件111上表面底部固定的底端封闭的天线固定管，天线固定管封闭端通过焊接固定有缓冲弹簧122，缓冲弹簧122顶端通过焊接固定有穿出固定组件111的GNSS天线121。

核心功能元件13具有维持监测设备1正常供电、监测与通信的功能，可由以下设备构成：用于接收GNSS天线121所捕获信号的信号接收机，用于将获取信号进行传输的信号传输装置，用于储存电能的蓄电池，用于控制柔性太阳能电池板1112给蓄电池的充放电的充放电控制器。其中，充放电控制器与柔性太阳能板1112、蓄电池、信号接收机、信号传输装置电性连接，信号接收机与信号传输装置电性连接。

实施例2

本实施例为一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器部署方法，基于实施例1的一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，如图10所示，包括以下步骤：

S1、将无人机置于起飞平台上，并通过无人机投放装置与预投基座2上方钩连，准备起飞；

S2、启动搭载有预投基座2的无人机，无人机通过航线规划前往预先设定的目标监测点；

S3、当无人机到达目标监测点位上空时，缓速下降至距地面1m处，待无人机机身与预投基座2保持稳定水平后，控制无人机投放装置松开；

S4、预投基座2因自身重力下落，预投基座2下方的枪炮主钉24与支撑插杆26以高冲量插向地面，此时枪炮主钉24的插入钉242下端钉头扎入地面，插入钉242上端钉帽带动火药囊241向上挤压引爆弹簧252，使得火药囊241触碰引爆针251，火药囊241受引爆针251撞击爆破，引爆后插入钉242受到向下的爆破力急速向下冲击并稳定插入地面，从而带动预投基座2稳定固定在监测点；

S5、预投基座2成功固定后，无人机拍摄预投基座2成功固定后的照片，并记录下预投基座2的经纬度坐标后自动返航；

S6、无人机返航至起飞点的飞行平台上，将无人机投放装置与监测设备1上端的金属吊环1111钩连，准备起飞；

S7、启动搭载有监测设备1的无人机，通过航线规划自动寻点去往预投基座2固定点的位置；

S8、无人机到达预投基座2点位上空，缓速下降至距预投基座2上方1.5m处，再次通过无人机照相机镜头水平调整投放位置，待无人机机身和监测设备1保持稳定水平且对准预投基座2中心后，控制无人机投放装置松开；

S9、监测设备1自由下落，即使投放时监测设备1与预投基座2中心存在水平方向上的偏差，但只要监测设备1下端的定位销31能够落入预投基座2的漏斗式托盘22当中，监测设备1就能够在漏斗式托盘22的引导下，依靠自身重力进一步滑落至预投基座2中央，最后通过卡扣结构3完成监测设备1与预投基座2的固定连接；

S10、监测设备1成功固定后，无人机拍摄监测设备1成功固定后的照片，随后自动返航。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于：

步骤S3中，当无人机到达目标监测点位上空时，缓速下降至距地面2m处；

步骤S8中，无人机到达预投基座2点位上空，缓速下降至距预投基座2上方2m处。

实施例4

本实施例为一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器部署方法，基于实施例1的一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，包括以下步骤：

S10、监测设备1成功固定后，无人机拍摄监测设备1成功固定后的照片，随后自动返航；

S11、在监测设备1出现故障需要被回收时，选取一台空载无人机到达监测设备1点位上空；

S12、空载无人机缓速下降至距故障监测设备1上方1.5m处，并通过空载无人机照相机镜头水平调整投放位置，直至空载无人机投放装置与故障监测设备1上端的金属吊环1111钩连，在投放装置与金属吊环1111钩连成功后，无人机缓速上升，带动故障监测设备1的定位销31脱离预投基座2，脱离完成后，空载无人机带动故障监测设备1返航。

实施例5

本实施例与实施例4的区别之处在于：

步骤S8中，无人机到达预投基座2点位上空，缓速下降至距预投基座2上方2m处；

步骤S12中，空载无人机缓速下降至距故障监测设备1上方2m处。

Claims

1.一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，其特征在于，包括：

作为地质灾害监测仪器上半部分的监测设备（1），所述监测设备（1）包括：用于提供地质灾害监测功能的监测箱体（11），所述监测箱体（11）包括：作为监测箱体（11）上半部分的空心圆柱形固定组件（111）、作为监测箱体（11）下半部分的空心承载组件（112），所述固定组件（111）与所述空心承载组件（112）之间通过销轴转动连接，其中：

所述固定组件（111）外表面包裹有柔性太阳能电池板（1112），固定组件（111）上表面设有用于接收卫星信号的GNSS天线模块，固定组件（111）上表面还焊接有便于无人机悬吊的数个环形金属吊环（1111），

所述空心承载组件（112）下方中心位置固定有水滴状的定位销（31），空心承载组件（112）内壁固定连接有横向的设备固定板（1121），所述设备固定板（1121）上方通过设备固定框（1122）固定有维持监测设备（1）正常供电、监测与通信的核心功能元件（13），所述核心功能元件（13）与所述柔性太阳能电池板（1112）、所述GNSS天线模块电性连接，

作为地质灾害监测仪器下半部分的预投基座（2），所述预投基座（2）通过卡扣结构（3）与所述监测设备（1）底部固定连接，预投基座（2）包括：

形状为空心圆柱体的基座箱体（21），所述基座箱体（21）内壁中部焊接有支撑隔盘（23），所述支撑隔盘（23）上表面中心位置焊接有漏斗式托盘（22），所述漏斗式托盘（22）与支撑隔盘（23）连接处中心位置设有与所述定位销（31）进行卡合固定的环形连接滑扣（32），支撑隔盘（23）下表面中心位置焊接有用于通过爆破力固定基座箱体（21）的爆破枪管（25），所述爆破枪管（25）内设有引爆针（251），所述引爆针（251）外周缠绕有引爆弹簧（252），其中，引爆针（251）的针头朝下，针尾固定在支撑隔盘（23）下方，所述引爆弹簧（252）的长度超过引爆针（251），引爆弹簧（252）上端焊接在支撑隔盘（23）下方，下端固定连接有炮枪主钉（24），所述炮枪主钉（24）包括：与引爆弹簧（252）下端固定连接的火药囊（241），所述火药囊（241）底部固定有穿出所述基座箱体（21）的插入钉（242）。

2.如权利要求1所述的一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，其特征在于，所述环形连接滑扣（32）由数片纵向的弧形滑片（322）组成，所述弧形滑片（322）通过滑扣弹簧（321）与漏斗式托盘（22）内壁连接。

3.如权利要求1所述的一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，其特征在于，所述GNSS天线模块包括：位于所述固定组件（111）上表面的圆形缺口，所述圆形缺口底部连通有与固定组件（111）上表面底部固定的底端封闭的天线固定管，所述天线固定管封闭端通过焊接固定有缓冲弹簧（122），所述缓冲弹簧（122）顶端通过焊接固定有穿出固定组件（111）的GNSS天线（121）。

4.如权利要求1所述的一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，其特征在于，所述预投基座（2）的基座底部（211）下方水平固定有数个用于支撑和辅助预投基座（2）固定的竖直且下端尖锐的支撑插杆（26），所述支撑插杆（26）的长度小于所述炮枪主钉（24）。

5.一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器部署方法，基于权利要求1-4中任意一项所述的一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将无人机置于起飞平台上，并通过无人机投放装置与预投基座（2）上方钩连，准备起飞；

S2、启动搭载有预投基座（2）的无人机，无人机通过航线规划前往预先设定的目标监测点；

S3、当无人机到达目标监测点位上空时，缓速下降至距地面1~2m处，待无人机机身与预投基座（2）保持稳定水平后，控制无人机投放装置松开；

S4、预投基座（2）因自身重力下落，预投基座（2）下方的枪炮主钉（24）与支撑插杆（26）以高冲量插向地面，此时枪炮主钉（24）的插入钉（242）下端钉头扎入地面，插入钉（242）上端钉帽带动火药囊（241）向上挤压引爆弹簧（252），使得火药囊（241）触碰引爆针（251），火药囊（241）受引爆针（251）撞击爆破，引爆后插入钉（242）受到向下的爆破力急速向下冲击并稳定插入地面，从而带动预投基座（2）稳定固定在监测点；

S5、预投基座（2）成功固定后，无人机拍摄预投基座（2）成功固定后的照片，并记录下预投基座（2）的经纬度坐标后自动返航；

S6、无人机返航至起飞点的飞行平台上，将无人机投放装置与监测设备（1）上端的金属吊环（1111）钩连，准备起飞；

S7、启动搭载有监测设备（1）的无人机，通过航线规划自动寻点去往预投基座（2）固定点的位置；

S8、无人机到达预投基座（2）点位上空，缓速下降至距预投基座（2）上方1.5~2m处，再次通过无人机照相机镜头水平调整投放位置，待无人机机身和监测设备（1）保持稳定水平且对准预投基座（2）中心后，控制无人机投放装置松开；

S9、监测设备（1）自由下落，即使投放时监测设备（1）与预投基座（2）中心存在水平方向上的偏差，但只要监测设备（1）下端的定位销（31）能够落入预投基座（2）的漏斗式托盘（22）当中，监测设备（1）就能够在漏斗式托盘（22）的引导下，依靠自身重力进一步滑落至预投基座（2）中央，最后通过卡扣结构（3）完成监测设备（1）与预投基座（2）的固定连接；

S10、监测设备（1）成功固定后，无人机拍摄监测设备（1）成功固定后的照片，随后自动返航。

6.如权利要求5所述的一种无人机部署的分体式地质灾害监测仪器部署方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S11、在监测设备（1）出现故障需要被回收时，选取一台空载无人机到达监测设备（1）点位上空；

S12、空载无人机缓速下降至距故障监测设备（1）上方1.5~2m处，并通过空载无人机照相机镜头水平调整投放位置，直至空载无人机投放装置与故障监测设备（1）上端的金属吊环（1111）钩连，在投放装置与金属吊环（1111）钩连成功后，无人机缓速上升，带动故障监测设备（1）的定位销（31）脱离预投基座（2），脱离完成后，空载无人机带动故障监测设备（1）返航。