基于微小型无人机的多传感器集成的环境监测控制系统的制作方法

1.本发明属于物联网应用领域，具体而言，涉及一种基于微小型无人机的多传感器集成的环境监测控制系统。


背景技术：

2.传统的需要依靠人工的环境监测系统无法对危险的地区进行有效的监测，无人机能够携带多种环境监测传感器在危险的区域进行数据采集，通过无人机上的无线传输模块将采集到的数据传输到地面接收终端，地面人员对这些数据进行处理与分析，从而得到有用的信息。为了提高无人机的续航能力和功能的多样性，需要尽可能的减轻无人机的重量，并且在无人机上集成多种传感器。
3.目前的基于无人机的环境监测控制系统普遍存在体积大、功能较少等缺点，在微型化、集成化和功能多样化等方面仍具有较大的提升空间。
4.例如，某a方案提出一种基于无人机的变电站环境质量监测及设备保护系统，该系统可监测变电站及设备内的温湿度、噪音、烟雾等环境质量参数信息，也可通过操作无人机在事故多发点和不易监测的位置进行巡视，再通过无线技术将所得数据传输到监控室的pc机上进行实时监测、存储与分析。若系统发现有异常的参数，则及时发出警报。但该a方案中，主要的传感器只包含了环境传感器，没有包含导航信息传感模块，无法实现无人机的自主巡航。
5.某b方案中，使用无人机携带协调器的方式对相关区域进行数据采集，终端节点将采集到的信息通过zigbee网络传输到搭载于无人机上的协调器中，协调器利用移动gprs网络将收集到的数据发送至服务器端，服务器端进行数据处理，并通过多功能、易操作的客户端实现对该区域环境数据的实时监控。但该b方案只有一种导航方式，在gps信号受到干扰、gps拒止条件下，导航失效，无法为无人机提供位置信息。
6.某c方案设计了一种可配置多种传感器的基于小型四旋翼无人机环境监测平台，从环境监测设备、无线数据传输、信息处理系统等三个方面进行了实践探索。但该方案同样只采用了gps导航，故会存在gps信号拒止情况下，无人机无法正常
7.因此，如何能够使得基于无人机的环境监测系统能够复杂的环境下仍然能够保持工作，且能够全方位采集危险区域环境信息，遇到极端环境，启动实时报警，为人员及时撤离提供充足的准备时间，成为现有技术亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提出一种基于微小型无人机的多传感器集成的环境监测系统，采用多源导航方式，保证gps拒止情况下，无人机仍能正常工作。同时集成多种环境传感器，采集危险区域环境信息，遇到极端环境，会启动实时报警，为人员及时撤离提供充足的准备时间。
9.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
10.一种基于微小型无人机的多传感器集成的环境监测系统，其特征在于，包括：
11.导航信息感知模块、环境信息感知模块、信号处理模块、执行模块；
12.所述导航信息感知模块包括负责导航计算功能的惯性导航模块、卫星导航模块、磁力计模块和高度计模块；
13.所述环境信息感知模块包括负责环境感知功能的温度传感模块、气压传感模块、烟雾传感模块和图像传感模块；
14.所述信号处理模块包括多源导航信息融合模块、环境信息融合模块和信号处理中枢模块，
15.所述多源导航信息融合模块用于获取导航信息感知模块的信息，根据环境条件将多源导航信息进行融合解算得到导航信息，并将所述导航信息发送给信号处理中枢模块；
16.所述环境信息融合模块用于获取环境信息感知模块中采集的温度、气压、烟雾、图像传感器采集的信息发送给信号处理中枢模块；
17.所述信号处理中枢模块用于将无人机的所述导航信息传送到飞控系统和无线传输模块；将飞机控制指令传输到飞控系统模块中；将环境温度、气压温度、烟雾浓度、图像信息传输到环境监测系统和无线传输模块；
18.所述执行模块包括飞控系统、环境监测模块和报警模块；
19.所述飞控系统，用于为按照飞控指令进行执行；
20.环境监测模块，用于判断无人机目前环境是否存在危险，并确定是否启动报警模块。
21.可选的，在负责导航计算功能的导航信息感知模块中的传感器功能具体为：
22.1)惯性导航模块通过测量输出载体的三轴角速率和三轴加速度，通过捷联解算得出载体的姿态、位置、速度的信息；
23.2)gps卫星导航提供位置、速度及时间信息；
24.3)磁力计通过测量载体三轴的磁场强度，解算出磁方位信息，为惯性导航模块提供较高精度、稳定可用的方位信息；
25.4)高度计输出高度信息，为惯性导航修正高度误差。
26.可选的，对于所述多源导航信息融合模块，当gps信号被遮挡或者被屏蔽时，采用惯性导航、磁力计与高度计信息融合的导航方式；当gps信号强时，采用gps和惯性导航信息融合的导航方式，所计算得到的导航信息包括无人机实时的经纬度、高度、横滚姿态、俯仰姿态、方位姿态和时间信息。
27.可选的，在负责环境感知功能的环境信息感知模块中的传感器功能具体为：
28.1)温度传感器输出无人机所处环境的瞬时温度；
29.2)气压传感器输出无人机所处环境的瞬时气压；
30.3)烟雾传感器输出无人机所处环境的烟雾浓度；
31.4)图像传感器实现环境信息的采集、并对其数字化、预处理。
32.可选的，环境监测模块，用于判断无人机目前环境是否存在危险，根据相关环境参数设定阈值，并结合数据分析实现自动预警功能，若存在危险，则启动报警，扬声器进行鸣笛，如环境参数都在阈值范围内，则不启动扬声器。
33.可选的，飞控系统，包括自主巡航和手动控制模式，若接收到自主巡航指令，启动
自主巡航模式，若接收到手动控制指令，则启动手动控制模式。
34.可选的，还包括无线传输模块5，用于将接受到的信息传输到无人机地面接收终端，并接收无人机地面接收终端的飞机控制指令，将该指令发送到信号处理中枢。
35.可选的，还包括电源模块6，用于通过信号传输中枢给各个模块供电。
36.本发明具有如下优点：
37.(1)包括导航信息感知模块和环境信息感知模块，其中负责导航计算功能的有惯性导航模块、卫星导航模块、磁力计模块和高度计模块，采用多源导航方式，保证gps拒止情况下，无人机仍能正常工作；负责环境感知功能的有温度传感模块、气压传感模块、烟雾传感模块和图像传感模块，集成了多种环境传感器。
38.(2)环境信息融合模块将温度、气压、烟雾、图像传感器采集的信息发送给信号处理中枢模块。信号处理中枢模块将环境温度、气压温度、烟雾浓度、图像信息传输到环境监测系统和无线传输模块，环境监测系统判断无人机目前环境是否存在危险，如温度过低、气压过低、烟雾浓度过大等，若存在危险，则启动报警，扬声器进行鸣笛。
附图说明
39.图1是根据本发明的基于微小型无人机的多传感器集成的环境监测系统的模块图。
40.图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
41.1、信号处理模块；2、导航信息感知模块；3、环境信息感知模块；4、执行模块；5、无线传输模块；6、电源模块。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
43.本发明的基于微小型无人机的多传感器集成的环境监测系统，基于无人机系统，采用多源导航方式，包括惯性导航、卫星导航、磁力计、高度计等多种方式综合进行导航，保证在诸如gps的卫星导航拒止情况下，无人机仍能正常工作。同时集成多种环境传感器，包括温度、气压、烟雾和图像传感器，能够采集危险区域环境信息，遇到极端环境，会启动实时报警，为人员及时撤离提供充足的准备时间。
44.具体的，参见图1，示出了根据本发明基于微小型无人机的多传感器集成的环境监测系统，包括：
45.导航信息感知模块2、环境信息感知模块3、信号处理模块1、执行模块4、无线传输模块5和电源模块6；
46.导航信息感知模块2包括负责导航计算功能的惯性导航模块、卫星导航模块、磁力计模块和高度计模块；
47.环境信息感知模块3包括负责环境感知功能的温度传感模块、气压传感模块、烟雾传感模块和图像传感模块；
48.信号处理模块1包括多源导航信息融合模块、环境信息融合模块和信号处理中枢
模块，
49.多源导航信息融合模块用于获取导航信息感知模块2的信息，根据环境条件将多源导航信息进行融合解算得到导航信息，并将所述导航信息发送给信号处理中枢模块；
50.环境信息融合模块用于获取环境信息感知模块3中采集的温度、气压、烟雾、图像传感器采集的信息发送给信号处理中枢模块；
51.信号处理中枢模块用于将无人机的所述导航信息传送到飞控系统和无线传输模块；将飞机控制指令传输到飞控系统模块中；将环境温度、气压温度、烟雾浓度、图像信息传输到环境监测系统和无线传输模块；
52.执行模块4包括飞控系统模块与环境监测模块和报警模块；
53.所述飞控系统，用于为按照飞控指令进行执行；
54.环境监测模块，用于判断无人机目前环境是否存在危险，并确定是否启动报警模块。
55.其中，在负责导航计算功能的导航信息感知模块中的传感器功能具体为：
56.1)惯性导航模块通过测量输出载体的三轴角速率和三轴加速度，通过捷联解算得出载体的姿态、位置、速度的信息；
57.2)gps卫星导航提供位置、速度及时间信息；
58.3)磁力计通过测量载体三轴的磁场强度，解算出磁方位信息，为惯性导航模块提供较高精度、稳定可用的方位信息；
59.4)高度计输出高度信息，为惯性导航修正高度误差。
60.对于所述多源导航信息融合模块，当gps信号被遮挡或者被屏蔽时，采用惯性导航、磁力计与高度计信息融合的导航方式；当gps信号强时，采用gps和惯性导航信息融合的导航方式，所计算得到的导航信息包括无人机实时的经纬度、高度、横滚姿态、俯仰姿态、方位姿态和时间信息。
61.在负责环境感知功能的环境信息感知模块中的传感器功能具体为：
62.1)温度传感器输出无人机所处环境的瞬时温度；
63.2)气压传感器输出无人机所处环境的瞬时气压；
64.3)烟雾传感器输出无人机所处环境的烟雾浓度；
65.4)图像传感器实现环境信息的采集、并对其数字化、预处理。
66.环境监测模块，用于判断无人机目前环境是否存在危险，根据相关环境参数设定阈值，并结合数据分析实现自动预警功能，为使用者在环境发生改变的时候提供更多应对时间。如温度过低、气压过低、烟雾浓度过大等，若存在危险，则启动报警，扬声器进行鸣笛。若温度、气压和烟雾浓度都在阈值范围内，则不启动扬声器。
67.飞控系统，用于为按照飞控指令进行执行，包括自主巡航和手动控制模式，若接收到自主巡航指令，启动自主巡航模式，若接收到手动控制指令，则启动手动控制模式。
68.无线传输模块5，用于将接受到的信息传输到无人机地面接收终端，并接收无人机地面接收终端的飞机控制指令，将该指令发送到信号处理中枢；
69.电源模块6，用于通过信号传输中枢给各个模块供电。
70.改进的实施例1：在本发明的具体实施例中，以卫星导航以gps导航为例，但本发明不以此为限，包括北斗导航的各种可能受到屏蔽的卫星导航方式均在本发明的保护范围之
内。
71.改进的实施例2：在本发明的具体实施例中，以微小型无人机为例，但本发明不以此为限，各种类型能够实现无人飞行的飞行器均可，但在本发明中，为了提高环境监测的功能，优选为微小型无人机，以避免受到客观地形的阻碍。
72.因此，本发明具有如下优点：
73.(1)包括导航信息感知模块和环境信息感知模块，其中负责导航计算功能的有惯性导航模块、卫星导航模块、磁力计模块和高度计模块，采用多源导航方式，保证gps拒止情况下，无人机仍能正常工作；负责环境感知功能的有温度传感模块、气压传感模块、烟雾传感模块和图像传感模块，集成了多种环境传感器。
74.(2)环境信息融合模块将温度、气压、烟雾、图像传感器采集的信息发送给信号处理中枢模块。信号处理中枢模块将环境温度、气压温度、烟雾浓度、图像信息传输到环境监测系统和无线传输模块，环境监测系统判断无人机目前环境是否存在危险，如温度过低、气压过低、烟雾浓度过大等，若存在危险，则启动报警，扬声器进行鸣笛。
75.显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上,可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
76.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。