CN211554748U - 矿井巡查微型无人机系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种矿井巡查微型无人机系统，包括至少一架无人机、地面站以及设置在矿井通道内的无线基站，所述无人机能够通过无线基站实现与地面站的无线通讯；所述无线基站实现矿井通道内无线网络的全覆盖；所述无人机搭载组合导航模块、飞行控制模块和视觉处理模块，在现有组合导航模块和飞行控制模块的基础上，增加了照明LED实现辅助照明，同时，采用视觉处理模块中的图像计算机、前视相机和下视相机实现避障和前行，并且相机可用于实时检测现场亮度lux，过低时则开启辅助照明LED。通过较小的无人机平台轴距实现狭小空间的检测，实现了低成本、高效率的矿井监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及微型无人机技术领域，特别是涉及一种矿井巡查微型无人机系统。
背景技术
矿井中的安全问题一直是一个重要问题，正常情况下的状态监测，矿难时的救灾救援都需要大量的人力和设备，固定位置安装的监测装备具有运动不灵活，监测范围有限，易发生损坏和破坏等问题，用于矿井环境监测具有一些局限性，并且发生灾情时，由于矿井下道路狭窄，一般救援设备很难摸清矿井中的实际情况，救援人员贸然进入矿井救灾存在人身危险，因此，在矿难发生后，随时了解清楚矿井下的环境尤为重要。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种矿井巡查微型无人机系统。
本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种矿井巡查微型无人机系统，包括至少一架无人机、地面站以及设置在矿井通道内的无线基站，所述无人机能够通过无线基站实现与地面站的无线通讯；所述无线基站实现矿井通道内无线网络的全覆盖；所述无人机搭载组合导航模块、飞行控制模块和视觉处理模块，组合导航模块用于实时检测无人机的IMU数据以及姿态、位置和速度数据；飞行控制模块根据组合导航模块的数据实现无人机飞行时姿态、速度和位置的控制，并响应地面站发送的“左飞”、“右飞”、“前飞”、“后飞”、“上飞”、“下飞”、“左转”、“后转”、“悬停”以及“起飞”和“降落”等控制信号。
组合导航模块包括导航计算机以及与导航计算机信号连接的IMU、气压高度计、光流传感器、激光传感器和照明LED，其中，IMU用于计算无人机姿态；气压高度计用于检测无人机的飞行高度；光流传感器用于测算无人机的飞行速度；激光传感器分别安装于无人机左侧、右侧和前侧，用于测量微型无人机与障碍物的距离，辅助无人机实现自主避障；照明LED安装在无人机前视相机上方，照明LED与视觉计算机相连，当前视相机采集的图像平均亮度持续低于额定阈值时，视觉计算机控制照明LED开启，用于光线不足时辅助照明，可以有助于提高回传视频图像的清晰度，也有利于提高目标检测算法的精度。
飞行控制模块包括飞行控制计算机，所述导航计算机与飞行控制计算机信号连接，导航计算机将飞行数据传输至飞行控制计算机，所述飞行控制计算机与无人机连接，飞行控制计算机将舵机指令信号传输至无人机，控制无人机飞行的姿态、速度和位置。
视觉处理模块包括图像计算机、前视相机和下视相机，所述前视相机和下视相机用于拍摄矿井通道内的环境，分别安装在无人机的前侧和下侧，且与图像计算机信号连接；所述图像计算机用于接收来自前视相机和下视相机所拍摄的视频和图片，并对视频和图片数据进行分析和处理；所述图像计算机分别与导航计算机和飞行控制计算机之间信号连接。
进一步，为了使得微型无人机在返航时处于WiFi拒止的环境仍可以得到准确的位置坐标，进入矿井时，将具有明显图像特征的图片，图像特征包括颜色特征，纹理特征，连通域特征，直方图特征，将这些图片及其采集时刻的世界坐标作为路点存储，如果微型无人机返航时处于wifi拒止环境，可通过与存储的路点图片进行比对，当相似度超过额定阈值时，可认为当前位置是与之相似的路点图片所在的位置，存储的路点图片的世界坐标就是当前微型无人机的世界坐标，以此修正微型无人机的导航信息。
进一步，所述无人机上搭载有wifi模块和sd卡，无人机通过wifi模块与地面站之间进行无线通讯；所述sd卡用于定时记录路点信息。路点信息是指路点图片和该路点的世界坐标。
具体的，所述IMU包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量角速度，所述加速度计用于测量加速度。MEMU IMU的简称IMU是惯性测量单元，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。
进一步，为了实现数据的回传，所述无人机上还设有数传模块，所述数传模块用于将飞行控制计算机接收到的图像计算机对视频和图片数据的处理结果回传至地面站。数传模块优选采用CC2500数传模块，无人机飞行状态、导航参数以及接收的图像计算机的计算结果通过该数传模块回传至地面站。
进一步，为了实现对矿井内空气成分的检测，所述无人机上还搭载有采集并分析空气中成分的空气分析仪，所述空气分析仪安装在无人机的正下方，并与飞行控制计算机线路连接，通过飞行控制计算机与数传模块连接，将矿井通道内空气成分通过数传模块回传至地面站显示。空气成分分析仪可以检测空气中的氧气含量，以判断矿井内是否适合人的生存。
具体的，所述飞行控制计算机与图像计算机之间通过串口通讯。
进一步，所述图像计算机上搭载有wifi模块。Wifi模块是地面站与视觉计算机之间的数据和图像传输链路。地面站与视觉计算机通过WiFi实现数据交换，以及图像上传下载。
优选的，为了使无人机能进入尽量狭小的空间内，所述无人机采用四旋翼无人机平台，且该四旋翼无人机平台轴距为110mm。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种矿井巡查微型无人机系统，实现了低成本高效率的矿井监测；采用了智能微型无人机对矿井巡查，取代了成本、功耗和计算代价高的固定探测器以及人工巡查，大大降低了整个矿井巡查工作的功耗，还提高了巡查结果上传的实时性，并且使用的四旋翼无人机平台轴距仅为110mm，无人机能进入狭小空间，在矿井中发生灾情时，一方面可以提前检测通道内险情状况，另一方面可以轻松进入到人无法到达的地方，并可将现场图片实时回传。有网络情况下，利用地面站给出行进指令，可实现精准避障和前行；在无网络情况下，依靠自身视觉处理模块和传感器实现避障和前行；根据组合导航模块中的测速模块，测算无人机速度，推算无人机位置；通过检测无人机在已知地图中的位置，为无人机的飞行控制提供导引信息，采用sd卡定时记录路点信息，返航时可用算法匹配当前图像与路点图像，按照原路返回，直到再次回到有无线网络的环境，根据地面站的指令返回地面。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型最佳实施例的系统框图。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等) 可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
如图1所示，本实用新型的一种矿井巡查微型无人机系统，包括至少一架无人机、地面站以及设置在矿井通道内的无线基站，所述无人机能够通过无线基站实现与地面站的无线通讯；所述无线基站实现矿井通道内无线网络的全覆盖；所述无人机搭载组合导航模块、飞行控制模块和视觉处理模块，组合导航模块用于实时检测无人机的IMU数据以及姿态、位置和速度数据；飞行控制模块根据组合导航模块的数据实现无人机飞行时姿态、速度和位置的控制，并响应地面站发送的“左飞”、“右飞”、“前飞”、“后飞”、“上飞”、“下飞”、“左转”、“后转”、“悬停”以及“起飞”和“降落”等控制信号。
组合导航模块包括导航计算机以及与导航计算机信号连接的IMU、气压高度计、光流传感器、激光传感器和照明LED，其中，IMU用于计算无人机姿态，所述IMU包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量角速度，所述加速度计用于测量加速度。MEMU IMU的简称IMU是惯性测量单元，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。气压高度计用于检测无人机的飞行高度；光流传感器用于测算无人机的飞行速度；激光传感器分别安装于无人机左侧、右侧和前侧，用于测量微型无人机与障碍物的距离，辅助无人机实现自主避障；照明LED安装在无人机前视相机上方，照明LED与视觉计算机相连，当前视相机采集的图像平均亮度持续低于额定阈值时，视觉计算机控制照明LED开启，用于光线不足时辅助照明，可以有助于提高回传视频图像的清晰度，也有利于提高目标检测算法的精度。
飞行控制模块包括飞行控制计算机，所述导航计算机与飞行控制计算机信号连接，导航计算机将飞行数据传输至飞行控制计算机，所述飞行控制计算机与无人机连接，飞行控制计算机将舵机指令信号传输至无人机，控制无人机飞行的姿态、速度和位置。飞行控制计算机与图像计算机之间通过串口通讯。
视觉处理模块包括图像计算机、前视相机和下视相机，所述前视相机和下视相机用于拍摄矿井通道内的环境，分别安装在无人机的前侧和下侧，且与图像计算机信号连接；所述图像计算机用于接收来自前视相机和下视相机所拍摄的视频和图片，并对视频和图片数据进行分析和处理；所述图像计算机分别与导航计算机和飞行控制计算机之间信号连接。图像计算机上搭载有wifi模块。WiFi模块是地面站与机载视觉计算机之间的数据和图像的通讯链路，地面站与视觉计算机通过WiFi实现数据交换，以及图像上传下载。
在无人机飞入矿井过程中，将具有明显图像特征的图片，图像特征包括颜色特征，纹理特征，连通域特征，直方图特征，将这些图片及其采集时刻的世界坐标作为路点存储，如果微型无人机返航时处于wifi拒止环境，可通过与存储的路点图片进行比对，当相似度超过额定阈值时，可认为当前位置是与之相似的路点图片所在的位置，存储的路点图片的世界坐标就是当前微型无人机的世界坐标，以此修正微型无人机的导航信息。无人机上搭载有wifi模块和sd卡，无人机通过wifi模块与地面站之间进行无线通讯；所述sd卡用于定时记录路点信息。路点信息是指路点图片和该路点的世界坐标。
为了使无人机能进入尽量狭小的空间内，所述无人机采用四旋翼无人机平台，且该四旋翼无人机平台轴距为110mm。无人机上还设有数传模块，所述数传模块用于将飞行控制计算机接收到的图像计算机对视频和图片数据的处理结果回传至地面站。数传模块优选采用CC2500数传模块，无人机飞行状态、导航参数以及接收的图像计算机的计算结果通过该数传模块回传至地面站。为了实现对矿井内空气成分的检测，所述无人机上还搭载有采集并分析空气中成分的空气分析仪，所述空气分析仪安装在无人机的正下方，并与飞行控制计算机线路连接，通过飞行控制计算机与数传模块连接，将矿井通道内空气成分通过数传模块回传至地面站显示。空气成分分析仪可以检测空气中的氧气含量，以判断矿井内是否适合人的生存。
本实用新型采用微型四旋翼无人机为平台，搭载IMU、气压高度计、光流传感器，激光测距传感器，相机和气体检测分析仪，实现无人机飞行所需的避障，目标检测，以及空气成分分析。光流传感器可用于图像测速，相机可用于实时检测现场亮度lux。亮度lux过低时则开启辅助照明装备，用于辅助光流传感器运行。无人机通过相机实时获取视频码流数据，检测图中是否存在危险情况，目前可检测火情，大面积喷水两种险情；搭载空气成分分析仪，时刻检测空气成分，确保实时发现有害气体泄露的险情，并通过wifi将结果和视频实时回传。为防止矿井中的信号中断情况，定时将路点信息记录在机载sd卡中，依靠WiFi与地面站相连，通过地面站操控飞行，如检测到WiFi信号中断超过一定时间，返程时依靠机载路点信息，开启图像识别算法，按照进入路线自主返程，直到重新连接上wifi信号，再依靠地面站指令返航。微型无人机续航时间较长，机身尺寸非常小，可充分检测到人无法触及到的平台，在正常情况可预防险情，发生问题时，可用于救援，具有机动灵活，覆盖面广，检测精准的特点。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：包括至少一架无人机、地面站以及设置在矿井通道内的无线基站，所述无人机能够通过无线基站实现与地面站的无线通讯；所述无线基站实现矿井通道内无线网络的全覆盖；所述无人机搭载组合导航模块、飞行控制模块和视觉处理模块，基站选用LAFALINK 双频千兆无线路由器，定向全向WIFI覆盖 高通主机+全向天线 半径覆盖250米左右其中，
组合导航模块包括导航计算机以及与导航计算机信号连接的IMU、气压高度计、光流传感器、激光传感器和照明LED，其中，IMU用于计算无人机姿态；气压高度计用于检测无人机的飞行高度；光流传感器用于测算无人机的飞行速度；激光传感器分别安装于无人机左侧、右侧和前侧，用于测量微型无人机与障碍物的距离，辅助无人机实现自主避障；照明LED安装在无人机前视相机上方，照明LED与视觉计算机相连，当前视相机采集的图像平均亮度持续低于额定阈值时，视觉计算机控制照明LED开启，用于光线不足时辅助照明；
飞行控制模块包括飞行控制计算机，所述导航计算机与飞行控制计算机信号连接，导航计算机将飞行数据传输至飞行控制计算机，所述飞行控制计算机与无人机连接，飞行控制计算机将舵机指令信号传输至无人机，控制无人机飞行的姿态、速度和位置；
视觉处理模块包括图像计算机、前视相机和下视相机，所述前视相机和下视相机用于拍摄矿井通道内的环境，分别安装在无人机的前侧和下侧，且与图像计算机信号连接；所述图像计算机用于接收来自前视相机和下视相机所拍摄的视频和图片，并对视频和图片数据进行分析和处理；所述图像计算机分别与导航计算机和飞行控制计算机之间信号连接。
2.如权利要求1所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述矿井通道内检测到的具有明显图像特征的图片，图像特征包括颜色特征，纹理特征，连通域特征，直方图特征，将这些图片及其采集时刻的世界坐标作为路点存储，如果微型无人机返航时处于wifi拒止环境，可通过与存储的路点图片进行比对，当相似度超过额定阈值时，可认为当前位置是与之相似的路点图片所在的位置，存储的路点图片的世界坐标就是当前微型无人机的世界坐标，以此修正微型无人机的导航信息。
3.如权利要求2所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述无人机上搭载有wifi模块和sd卡，无人机通过wifi模块与地面站之间进行无线通讯；所述sd卡用于定时记录路点信息。
4.如权利要求1所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述IMU包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量角速度，所述加速度计用于测量加速度。
5.如权利要求1所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述无人机上还设有数传模块，所述数传模块用于将飞行控制计算机接收到的图像计算机对视频和图片数据的处理结果回传至地面站。
6.如权利要求5所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述无人机上还搭载有采集并分析空气中成分的空气分析仪，所述空气分析仪安装在无人机的正下方，并与飞行控制计算机线路连接，通过飞行控制计算机与数传模块连接，将矿井通道内空气成分通过数传模块回传至地面站显示。
7.如权利要求1所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述飞行控制计算机与图像计算机之间通过串口通讯。
8.如权利要求1所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述图像计算机上搭载有wifi模块。
9.如权利要求1所述的矿井巡查微型无人机系统，其特征在于：所述无人机采用四旋翼无人机平台，且该四旋翼无人机平台轴距为110mm。
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