CN114637032B - 一种无人机部署的滑坡灾害监测设备及其自适应固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机部署的滑坡灾害监测设备及其自适应固定方法，属于滑坡灾害监测技术领域。监测设备包括监测箱体、监测系统、电机固定系统、太阳能供电系统、投放机构，自适应固定方法通过将监测箱体顶部与投放机构进行连接，再通过无人机将监测箱体带至监测点位上方，无人机释放监测箱体后，通过电机固定系统实现监测箱体在各种倾斜场景中的自适应固定。本发明解决了现有的远程部署装置适应场景单一、设备姿态不可调的问题，具有自适应姿势调整、适用各种倾斜场景的优点。

Description

一种无人机部署的滑坡灾害监测设备及其自适应固定方法

技术领域

本发明涉及滑坡灾害监测技术领域，具体是涉及一种无人机部署的滑坡灾害监测设备及其自适应固定方法。

背景技术

滑坡是世界范围内最严重的灾害之一，它威胁着人类的生命和财产安全，每年因此造成数千人员伤亡和大量设施的严重损坏。我国疆土辽阔，约有70%为山地，是一个山地灾害频发的国家，而其中大多数山地灾害是以滑(边)坡为主要表现形式。

据统计，每年有数以万计不同规模的滑坡发生，因滑坡造成年均经济损失严重。同时滑坡还造成自然环境的破坏和人民生命财产的损失。而大部分滑坡均分布于山区，具有体积大、运动速度快、动能强、强烈碎屑化和流体化等特点。滑坡危险性极大，如2017年发生的四川茂县高位山体滑坡、2018发生的白格滑坡等都对人民的生命财产安全造成极大的损害。

然而，目前传统GNSS监测设备仍需要人工进行部署，因此在对这些危险性极强的滑坡进行设备部署时，施工人员的生命安全往往面临着巨大威胁。

针对上述问题，目前已提出了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），初步实现了GNSS监测设备的远程部署，但仍然存在以下三个主要问题：第一、箱体为正方体设计，下落固定的过程中受空气阻力影响严重，设备落地时易发生倾斜；第二、利用设备自由落体时的惯性进行设备固定，面对一些倾斜场景或者碎石密布的地面，设备易发生侧翻而无法固定；第三、设备落地后，若设备倾斜会导致GNSS卫星天线倾斜，进而影响观测数据质量。

因此，亟需一种能够在倾斜滑坡场景下实现可靠固定、可调整GNSS天线姿态的新型滑坡灾害监测设备。

发明内容

本发明解决的技术问题是：在复杂滑坡场景下滑坡灾害监测设备的投放部署易侧翻，同时卫星天线易倾斜。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，包括：

用于布置各功能模块的监测箱体和用于遥控监测箱体投放部署的遥控器；

监测箱体内设有：

用于接收GNSS卫星数据、设备加速度信息及设备倾斜状态的监测系统，监测系统包括：固定在监测箱体顶部中心位置的GNSS卫星天线，与GNSS卫星天线电性连接且位于监测箱体内部的监测终端，

用于实现监测箱体自适应固定的电机固定系统，电机固定系统包括：位于监测箱体内的数个脚钉电机，每个脚钉电机底部的输出端纵向连接有一个联轴器，联轴器底部连接有一个穿出监测箱体底部的钻地脚钉，用于控制数个脚钉电机工作且位于监测箱体内的控制电路，

用于为监测系统和电机固定系统提供电力支持的太阳能供电系统，

用于确保在无人机运输过程中保持稳定，并在到达监测点上方时控制监测箱体投放的投放机构；

投放机构包括：

用于直接连接监测箱体的稳定平台，

固定在稳定平台侧面的数个摇臂，摇臂远离监测箱体端上方设有舵机，

稳定平台中心位置被GNSS卫星天线穿过，稳定平台通过摇臂和舵机连接有投放机构固定面，稳定平台上靠近其边缘位置嵌入有齿轮盘电机，齿轮盘电机的输出端电性连接有位于稳定平台上表面中心位置的齿轮盘，稳定平台上表面还设有数个沿其上表面半径方向均匀分布且两端分别设置在齿轮盘上和稳定平台边缘的拉杆，拉杆位于稳定平台上端边缘处设有锁扣。

进一步地，监测终端内置有GNSS板卡、加速度计和倾角仪，用于获取监测箱体的姿态信息以便于通过电机固定系统对其进行调整。

进一步地，控制电路包括：用于接收遥控器信号的遥控器接收机，与遥控器接收机电性连接的主控模块，与主控模块电性连接的降压模块和驱动模块，控制电路负责信号接收并提供设备运行所需所有控制功能。

进一步地，太阳能供电系统包括：柔性太阳能板、与柔性太阳能板电性连接的太阳能控制器和锂电池，柔性太阳能板可以贴附在各种平面上，做到最大面积的能量转化。

进一步地，柔性太阳能板包裹在监测箱体四周，以提供足量的电能供给。

更进一步地，监测箱体上表面设有一圈用于与投放机构连接固定的凹槽，投放机构的锁扣与凹槽卡合，便于监测箱体与投放机构的相互固定。

优选地，监测箱体下方设有圆弧状流线罩，以减少设备在投放下落过程中受到空气阻力影响，避免设备发生侧翻情况。

优选地，监测箱体内部上方设有缓冲保护层，减缓设备在投放固定过程中不受外力损伤。

本发明还提供了一种无人机部署的滑坡灾害监测设备的自适应固定方法，包括以下步骤：

S1、将监测箱体与投放机构进行连接，通过稳定平台上的锁扣与监测箱体上的凹槽进行卡合，再通过摇臂与舵机将稳定平台与投放机构固定面进行固定，最后将投放机构固定面与无人机进行直接固定连接，进而实现滑坡灾害监测设备与无人机之间的固定；

S2、遥控器控制固定有滑坡灾害监测设备的无人机飞行，在飞行过程中通过舵机控制拉杆的抬升与下落，以保证稳定平台最大程度保持水平，进而控制监测箱体的稳定；

S3、无人机飞至预先选定的监测点位上方1~2m处悬停，遥控器控制投放机构中的齿轮盘电机工作，齿轮盘电机带动齿轮盘转动进而带动拉杆移动，使得锁扣松开并释放滑坡灾害监测设备，完成滑坡灾害监测设备的投放工作；

S4、滑坡灾害监测设备落地后，利用遥控器将指令发送至控制电路的遥控器接收机，控制电机固定系统开始工作，主控模块读取监测终端获取的监测箱体姿态信息，并根据滑坡灾害监测设备的倾斜状态自适应控制脚钉电机的工作频率，由此改变各钻地脚钉插入土层的深度，直至加速度计和倾角仪判断监测箱体姿态平整后停止工作，进而实现监测箱体在各种倾斜场景中的自适应固定；

S5、滑坡灾害监测设备固定整平完成后，监测系统正式接收卫星数据并将数据传输至监测云平台，由云平台进行解算获得滑坡位移序列。

本发明的有益效果是：

本发明为倾斜场景下滑坡监测提供了可靠的监测设备和部署方案，保证在各种坡度的滑坡场景下，实现滑坡灾害监测设备的稳定运输、安全投放以及自适应钻地固定，避免了现有滑坡灾害监测设备通过高空投放固定可能引起的滑坡灾害监测设备侧翻情况的发生，同时滑坡灾害监测设备落地后可自动调整滑坡灾害监测设备姿态，保证卫星天线的正确朝向。

附图说明

图1为实施例1的监测箱体结构爆炸图；

图2为实施例1的监测箱体剖视图；

图3为实施例1的电机固定系统示意图；

图4为实施例1中投放机构的结构图；

图5是实施例1中稳定平台俯视图；

图6为实施例1的设备内部电路连接原理图；

图7为本发明滑坡灾害监测设备自适应固定方法的方法流程图；

其中，1-监测箱体、11-缓冲保护层、12-流线罩、2-电机固定系统、21-控制电路、211-驱动模块、212-降压模块、213-主控模块、214-遥控器接收机、22-钻地脚钉、23-脚钉电机、24-联轴器、3-太阳能供电系统、31-太阳能控制器、32-锂电池、33-柔性太阳能板、4-监测系统、41-GNSS卫星天线、42-监测终端、5-投放机构、51-投放机构固定面、52-舵机、53-摇臂、54-稳定平台、55-齿轮盘电机、56-齿轮盘、57-拉杆、58-锁扣。

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地详细描述，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

本实施例为一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，如图1、图2、图6所示，包括：

用于遥控监测箱体1投放部署的遥控器，

用于布置各功能模块的监测箱体1，监测箱体1为空心圆柱体，具体尺寸为：底面直径250mm、高300mm箱体为顶部可打开的开盖结构，用于保护各功能模块免受撞击破坏，防止雨水进入，监测箱体1下方设有圆弧状流线罩12，以减少设备在投放下落过程中受到空气阻力影响，避免设备发生侧翻情况，监测箱体1内部上方设有缓冲保护层11，减缓设备在投放固定过程中不受外力损伤，监测箱体1内设有：

用于接收GNSS卫星数据、设备加速度信息及设备倾斜状态的监测系统4，监测系统4包括：固定在监测箱体1顶部中心位置的GNSS卫星天线41，与所述GNSS卫星天线41电性连接且位于监测箱体1内部的监测终端42，监测终端42内置有GNSS板卡、加速度计和倾角仪，倾角仪可读取设备主体倾斜姿态，确定仪器倾斜位置，

用于实现监测箱体1自适应固定的电机固定系统2，电机固定系统2包括：位于监测箱体1内的三个脚钉电机23，每个脚钉电机23底部的输出端纵向连接有一个联轴器24，联轴器24底部连接有一个穿出监测箱体1底部的钻地脚钉22，用于控制三个脚钉电机23工作且位于监测箱体1内的控制电路21，

如图3所示，控制电路21包括：用于接收遥控器信号的遥控器接收机214，与遥控器接收机214电性连接的主控模块213，与主控模块213电性连接的降压模块212和驱动模块211，控制电路21与监测终端42采用相同的12v锂电池32供电，主控模块213的工作电压为3.3v，因此利用降压模块212，将电压降至3.3v对该系统其余各模块进行供电，控制电路21根据各钻地脚钉22所在位置姿态的高低，将与各钻地脚钉22连接的脚钉电机23的转速分别调整至由高到低，以控制脚钉钻入土层的深度，达到设备整平的目的，

从而，遥控器通过USART通信将控制信息传送给控制电路21，利用控制电路21控制电机固定系统2开始工作，脚钉电机23带动着钻地脚钉22旋转，根据上述读取的姿态信息自动调整脚钉电机23的工作频率，以实现自适应钻地固定的功能，

用于为监测系统4和电机固定系统2提供电力支持的太阳能供电系统3，太阳能供电系统3包括：柔性太阳能板33、与柔性太阳能板33电性连接的太阳能控制器31和锂电池32，柔性太阳能板33包裹在监测箱体1四周，保证监测系统4和电机固定系统2获得充足的电量供给，

用于确保在无人机运输过程中保持稳定，并在到达监测点上方时控制监测箱体1投放的投放机构5，监测箱体1上表面设有一圈用于与投放机构5连接固定的凹槽，投放机构5的锁扣58与监测箱体1上表面的凹槽卡合，如图4、图5所示，投放机构5包括：

用于直接连接监测箱体1的稳定平台54，

固定在稳定平台54侧面的四个摇臂53，摇臂53远离监测箱体1端上方设有舵机52，

稳定平台54中心位置被GNSS卫星天线41穿过，稳定平台54通过摇臂53和舵机52连接有投放机构固定面51，稳定平台54上靠近其边缘位置嵌入有齿轮盘电机55，齿轮盘电机55的输出端电性连接有位于稳定平台54上表面中心位置的齿轮盘56，稳定平台54上表面还设有四个沿其上表面半径方向均匀分布且两端分别设置在齿轮盘56上和稳定平台54边缘的拉杆57，拉杆57位于稳定平台54上端边缘处设有锁扣58。

其中，遥控器设有四个拨杆，每个拨杆的通道值设为-660~600，通过调整该数值大小设置PWM的占空比，进而控制脚钉电机23的转速，以适应在不同硬度土地上的固定。

实施例2

本实施例为基于实施例1滑坡灾害监测新设备的一种无人机部署的滑坡灾害监测设备的自适应固定方法，如图7所示，包括以下步骤：

S1、将监测箱体1与投放机构5进行连接，通过稳定平台54上的锁扣58与监测箱体1上的凹槽进行卡合，再通过摇臂53与舵机52将稳定平台54与投放机构固定面51进行固定，最后将投放机构固定面51与无人机进行直接固定连接，进而实现滑坡灾害监测设备与无人机之间的固定；

S2、遥控器控制固定有滑坡灾害监测设备的无人机飞行，在飞行过程中通过舵机52控制拉杆57的抬升与下落，以保证稳定平台54最大程度保持水平，进而控制监测箱体1的稳定；

S3、无人机飞至预先选定的监测点位上方1m处悬停，遥控器控制投放机构5中的齿轮盘电机55工作，齿轮盘电机55带动齿轮盘56转动进而带动拉杆57移动，使得锁扣58松开并释放滑坡灾害监测设备，完成滑坡灾害监测设备的投放工作；

S4、滑坡灾害监测设备落地后，利用遥控器将指令发送至控制电路21的遥控器接收机214，控制电机固定系统2开始工作，主控模块213读取监测终端42获取的监测箱体1姿态信息，并根据滑坡灾害监测设备的倾斜状态自适应控制脚钉电机23的工作频率，由此改变各钻地脚钉22插入土层的深度，直至加速度计和倾角仪判断监测箱体1姿态平整后停止工作，进而实现监测箱体1在各种倾斜场景中的自适应固定；

S5、滑坡灾害监测设备固定整平完成后，监测系统4正式接收卫星数据并将数据传输至监测云平台，由云平台进行解算获得滑坡位移序列。

实施例3

本实施例与实施例2的区别之处在于：

步骤S3中，无人机飞至预先选定的监测点位上方2m处悬停。

Claims (7)

1.一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，其特征在于，包括：

用于布置各功能模块的监测箱体（1）和用于遥控所述监测箱体（1）投放部署的遥控器；

所述监测箱体（1）内设有：

用于接收GNSS卫星数据、设备加速度信息及设备倾斜状态的监测系统（4），所述监测系统（4）包括：固定在监测箱体（1）顶部中心位置的GNSS卫星天线（41），与所述GNSS卫星天线（41）电性连接且位于监测箱体（1）内部的监测终端（42），所述监测终端（42）内置有GNSS板卡、加速度计和倾角仪，

用于实现监测箱体（1）自适应固定的电机固定系统（2），所述电机固定系统（2）包括：位于监测箱体（1）内的数个脚钉电机（23），每个所述脚钉电机（23）底部的输出端纵向连接有一个联轴器（24），所述联轴器（24）底部连接有一个穿出监测箱体（1）底部的插入土层的钻地脚钉（22），用于控制数个脚钉电机（23）工作且位于监测箱体（1）内的控制电路（21），所述控制电路（21）包括：用于接收所述遥控器信号的遥控器接收机（214），与所述遥控器接收机（214）电性连接的主控模块（213），与所述主控模块（213）电性连接的降压模块（212）和驱动模块（211），

用于为所述监测系统（4）和所述电机固定系统（2）提供电力支持的太阳能供电系统（3），

用于确保在无人机运输过程中保持稳定，并在到达监测点上方时控制所述监测箱体（1）投放的投放机构（5）；

所述投放机构（5）包括：

用于直接连接监测箱体（1）的稳定平台（54），

固定在所述稳定平台（54）侧面的数个摇臂（53），所述摇臂（53）远离监测箱体（1）端上方设有舵机（52），

所述稳定平台（54）中心位置被所述GNSS卫星天线（41）穿过，稳定平台（54）通过所述摇臂（53）和所述舵机（52）连接有投放机构固定面（51），稳定平台（54）上靠近其边缘位置嵌入有齿轮盘电机（55），所述齿轮盘电机（55）的输出端电性连接有位于稳定平台（54）上表面中心位置的齿轮盘（56），稳定平台（54）上表面还设有数个沿其上表面半径方向均匀分布且两端分别设置在齿轮盘（56）上和稳定平台（54）边缘的拉杆（57），所述拉杆（57）位于稳定平台（54）上端边缘处设有锁扣（58）。

2.如权利要求1所述的一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，其特征在于，所述太阳能供电系统（3）包括：柔性太阳能板（33）、与所述柔性太阳能板（33）电性连接的太阳能控制器（31）和锂电池（32）。

3.如权利要求2所述的一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，其特征在于，所述柔性太阳能板（33）包裹在所述监测箱体（1）四周。

4.如权利要求1所述的一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，其特征在于，所述监测箱体（1）上表面设有一圈用于与投放机构（5）连接固定的凹槽，所述投放机构（5）的锁扣（58）与所述凹槽卡合。

5.如权利要求1所述的一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，其特征在于，所述监测箱体（1）下方设有圆弧状流线罩（12）。

6.如权利要求1所述的一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，其特征在于，所述监测箱体（1）内部上方设有缓冲保护层（11）。

7.一种无人机部署的滑坡灾害监测设备的自适应固定方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一所述的一种无人机部署的滑坡灾害监测设备，包括以下步骤：

S1、将监测箱体（1）与投放机构（5）进行连接，通过稳定平台（54）上的锁扣（58）与监测箱体（1）上的凹槽进行卡合，再通过摇臂（53）与舵机（52）将稳定平台（54）与投放机构固定面（51）进行固定，最后将投放机构固定面（51）与无人机进行直接固定连接，进而实现滑坡灾害监测设备与无人机之间的固定；

S2、遥控器控制固定有滑坡灾害监测设备的无人机飞行，在飞行过程中通过舵机（52）控制拉杆（57）的抬升与下落，以保证稳定平台（54）最大程度保持水平，进而控制监测箱体（1）的稳定；

S3、无人机飞至预先选定的监测点位上方1~2m处悬停，遥控器控制投放机构（5）中的齿轮盘电机（55）工作，齿轮盘电机（55）带动齿轮盘（56）转动进而带动拉杆（57）移动，使得锁扣（58）松开并释放滑坡灾害监测设备，完成滑坡灾害监测设备的投放工作；

S4、滑坡灾害监测设备落地后，利用遥控器将指令发送至控制电路（21）的遥控器接收机（214），控制电机固定系统（2）开始工作，主控模块（213）读取监测终端（42）获取的监测箱体（1）姿态信息，并根据滑坡灾害监测设备的倾斜状态自适应控制脚钉电机（23）的工作频率，由此改变各钻地脚钉（22）插入土层的深度，直至加速度计和倾角仪判断监测箱体（1）姿态平整后停止工作，进而实现监测箱体（1）在各种倾斜场景中的自适应固定；

S5、滑坡灾害监测设备固定整平完成后，监测系统（4）正式接收卫星数据并将数据传输至监测云平台，由云平台进行解算获得滑坡位移序列。

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