CN106710121A - 一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置 - Google Patents

一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，包括电源组件、传感器组件、控制组件、驱动组件和机械组件；传感器组件、控制组件和驱动组件顺序连接；电源组件分别与传感器组件、控制组件、驱动组件连接；机械组件也分别与传感器组件、控制组件、驱动组件连接；电源组件、传感器组件、控制组件、驱动组件分别设在机械组件上，由机械组件支撑；其中所述的传感器组件包括温度传感器、烟雾传感器和仿生红外感知器。该装置将仿生红外感知器与其他组件相结合，该森林火灾定位装置能够快速、准确地定位森林火灾中心，定位误差较小、实时性好。

Description

一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置
技术领域
本发明涉及森林火灾定位技术领域，特别是一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置。
背景技术
森林不仅是人类社会发展必不可少的资源，而且对维持地球生态平衡具有重大作用。但是近些年来，由于各种因素导致森林火灾频繁发生，对森林资源造成了极大的破坏，因此研究森林火灾是一项具有重要意义的工作。而研究森林火灾必然要研究森林火灾定位问题。
目前，森林火定位方法可大致分为三类：基于卫星遥感的林火定位方法、基于视频监控的森林火定位方法和基于无线传感器网络的森林火定位方法。基于卫星遥感的森林火灾定位方法发展的比较早，也比较成熟，可以监测大范围森林区域，但利用这种方式得到的卫星遥感图像的空间分辨率并不太高，易受高温饱和、强反射面、云层等干扰，同时设置图像处理的阈值非常困难，难以提取小火灾的像元，且容易产生误报、漏报现象。此外，卫星重复监测相同一片森林区域所需要的时间较长，无法快速确定发热点的类型，需要派遣飞机或人工到发热点区域做进一步的确认。视频监控虽然可以实时的发现火情，但监视人员需要长期盯着屏幕和频繁切换多个监视器，容易产生视觉疲劳和发生漏报现象。此外，火灾位置的确定也需要能够熟练操作的监视员来确定，准确性较差。基于无线传感器网络的林火定位方法需要通过大量高密度参数采集节点实时采集森林区域内各种物理或化学参数，节点数目非常大，拓扑结构复杂多变，时间同步精度低。
2015年，Helmut Schmitz、Zupeng Zhou等人发现当发生森林火灾时，生活在澳州的灰烬甲虫能够快速到火源，甚至距离火灾中心80公里外的甲虫也同样可以找到火源，通过分析研究得出了甲虫是依靠自身胸部的两个红外器官寻找森林火源的机理。
综上所述，森林火灾定位方式依旧停留在一个低水平状况，主要体现在定位误差较大、实时性较差以及资金开销较大等方面，且目前尚未见有采用基于生物仿生的方法进行定位森林火灾。因而研究定位速度快、准确性高、精度高、成本低的森林火灾定位体系成为当务之急。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，该装置能够快速、准确地定位森林火灾中心，定位误差较小、实时性好、成本低。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，包括电源组件、传感器组件、控制组件、驱动组件和机械组件；传感器组件、控制组件和驱动组件顺序连接；电源组件分别与传感器组件、控制组件、驱动组件连接；机械组件也分别与传感器组件、控制组件、驱动组件连接；电源组件、传感器组件、控制组件、驱动组件分别设在机械组件上，由机械组件支撑；其中所述的传感器组件包括温度传感器、烟雾传感器和红外传感器。
所述的机械组件，包括底座和四旋翼支架，四旋翼支架设在底座上；其中所述的四旋翼支架，包括顶面板、底面板、面板支撑柱、机翼；面板支撑柱将顶面板和底面板连接，机翼设在顶面板和底面板的两端。
所述的红外传感器为仿生红外感知器，包括凸盖、外壳、内胆、传热杆、感知元件；凸盖设在外壳外表面顶部，感知元件设在外壳外表面底部，内胆、传热杆设在外壳内部；内胆内侧包围着传热杆，传热杆一端延伸至外壳与凸盖相连，传热杆的另一端与外壳底部的感知元件连接。
所述的凸盖和外壳由纳米绝热材料制成，纳米绝热材料是一种基于纳米微孔原理研制而成的新型高效隔热材料；内胆由气凝胶或硅树脂材料制成；传热杆由单层石墨烯、石墨烯带及石墨烯复合材料制成；感知元件由热敏陶瓷材料制成，通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。
所述的烟雾传感器为NIS-05A离子式烟雾传感器，是一种低放射型的标准传感器。
所述的温度传感器是硅基正面腐蚀加工的CMOS兼容的谐振式的准数字传感器，由CMOS工艺中热膨胀系数差值最大的Al和SiO2构成，具有高的灵敏度。
所述的控制组件，包括DSP微处理器、ARM微处理器，控制组件的输入端与传感器组件的烟雾传感器、温度传感器、红外传感器信号输出端相连接；DSP微处理器进行算法运算，ARM微处理器进行信号的输入输出、处理及控制等；双核CPU充分利用了的DSP微处理器的运算能力和ARM微处理器的处理能力，不仅弥补单核处理器各自性能上的缺陷，也降低了控制组件的复杂度。
所述的驱动组件，驱动组件设在机械组件的四旋翼支架的机翼上，包括螺旋桨、伺服电机、电机连接轴、电机底板，驱动组件的输入端与控制组件的DSP微处理器和ARM微处理器信号输出端连接，驱动组件的输出端与机械组件相连接；其中螺旋桨与伺服电机相连，电机底板与伺服电机通过电机连接轴连接。
所述的电源组件由太阳能发电池、蓄电池组组成，电源组件与传感器组件、控制组件、驱动组件相连接，为其供电，白天由太阳能电池供电，晚上由蓄电池组供电。
所述的四旋翼支架的4个机翼上分别设置太阳能透镜，每一个太阳能透镜下方设置有一块太阳能电池，太阳能透镜为一种菲涅耳衍射***，用于聚集太阳光能；太阳能电池将太阳能透镜聚集的太阳光能转化成电能并为其余各部分供电。
一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置将仿生红外感知器与其他组件相结合，该森林火灾定位装置能够快速、准确地定位森林火灾中心，定位误差较小、实时性好。
附图说明
图1为一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置结构框图；
图2为一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置立体图；
图3为一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置主视图；
图4为一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置俯视图；
图5为仿生红外感知器结构示意图；
图6为一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置工作流程图；
图中，1.电源组件 2.传感器组件 3.温度传感器 4.烟雾传感器 5.红外传感器6.控制组件 7. DSP微处理器 8. ARM微处理器 9.驱动组件 10.机械组件 11.底座12.四旋翼支架 13.顶面板 14.底面板 15.面板支撑柱 16.机翼 17.电机底板 18.伺服电机 19.电机连接轴 20.螺旋桨 21.凸盖 22.外壳 23.内胆 24.传热杆 25.感知元件。
具体实施例
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图1、图2、图3、图4和图5所示：
一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，包括电源组件1、传感器组件2、控制组件6、驱动组件9和机械组件10；传感器组件2、控制组件6和驱动组件9顺序连接；电源组件1分别与传感器组件2、控制组件6、驱动组件9连接；机械组件10也分别与传感器组件2、控制组件6、驱动组件9连接；电源组件1、传感器组件2、控制组件6、驱动组件9分别设在机械组件10上，由机械组件10支撑；其中所述的传感器组件2包括温度传感器3、烟雾传感器4和红外传感器5。
所述的机械组件10，包括底座11和四旋翼支架12，四旋翼支架12设在底座11上；其中所述的四旋翼支架12，包括顶面板13、底面板14、面板支撑柱15、机翼16；面板支撑柱15将顶面板13和底面板14连接，机翼16设在顶面板13和底面板14的两端。
所述的红外传感器5为仿生红外感知器，包括凸盖21、外壳22、内胆23、传热杆24、感知元件25；凸盖21设在外壳22外表面顶部，感知元件24设在外壳22外表面底部，内胆23、传热杆24设在外壳22内部；内胆23内侧包围着传热杆24，传热杆24一端延伸至外壳22与凸盖21相连，传热杆24的另一端与外壳22底部的感知元件25连接。
所述的凸盖21和外壳22由纳米绝热材料制成，纳米绝热材料是一种基于纳米微孔原理研制而成的新型高效隔热材料；内胆23由气凝胶或硅树脂材料制成；传热杆24由单层石墨烯、石墨烯带及石墨烯复合材料制成；感知元件25由热敏陶瓷材料制成，通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。
所述的烟雾传感器4为NIS-05A离子式烟雾传感器，是一种低放射型的标准传感器。
所述的温度传感器3是硅基正面腐蚀加工的CMOS兼容的谐振式的准数字传感器，由CMOS工艺中热膨胀系数差值最大的Al和SiO2构成，具有高的灵敏度。
所述的控制组件6，包括DSP微处理器7、ARM微处理器8，控制组件6的输入端与传感器组件2的烟雾传感器4、温度传感器3、红外传感器5信号输出端相连接；DSP微处理器7进行算法运算，ARM微处理器8进行信号的输入输出、处理及控制等；双核CPU充分利用了的DSP微处理器7的运算能力和ARM微处理器8的处理能力，不仅弥补单核处理器各自性能上的缺陷，也降低了控制组件6的复杂度。
所述的驱动组件9，驱动组件9设在机械组件10的四旋翼支架12的机翼16上，包括螺旋桨20、伺服电机18、电机连接轴19、电机底板17，驱动组件9的输入端与控制组件6的DSP微处理器7和ARM微处理器8信号输出端连接，驱动组件9的输出端与机械组件10相连接；其中螺旋桨20与伺服电机18相连，电机底板17与伺服电机18通过电机连接轴19连接。
所述的电源组件1由太阳能发电池、蓄电池组组成，电源组件1与传感器组件2、控制组件6、驱动组件9相连接，为其供电，白天由太阳能电池供电，晚上由蓄电池组供电。
所述的四旋翼支架12的4个机翼16上分别设置太阳能透镜，每一个太阳能透镜下方设置有一块太阳能电池，太阳能透镜为一种菲涅耳衍射***，用于聚集太阳光能；太阳能电池将太阳能透镜聚集的太阳光能转化成电能并为其余各部分供电。
如图6所示，使用该装置时，地面控制中心确定巡航区域后，通过无线网络发送巡航指令给森林火灾定位装置，接收数据后，经过数据处理，控制组件控制森林火灾定位装置开始巡航。初始巡航高度为1000M左右。沿巡航区域边界往复运动，并不断向中心靠拢。同时传感组件的温度传感器、烟雾浓度检测仪和红外感知器时时检测是否有异常情况。温度传感器、烟雾浓度检测仪和红外感知器均设有上限值；温度、烟雾浓度、红外三者中有一个超出上限值即为异常情况。当检测到有异常情况时降低巡航高度至500m左右，判断是否的确有火灾发生，若检测到的确有异常情况，则发送定位坐标给地面控制中心，否则继续巡航。

Claims (10)

1.一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，包括电源组件、传感器组件、控制组件、驱动组件和机械组件；传感器组件、控制组件和驱动组件顺序连接；电源组件分别与传感器组件、控制组件、驱动组件连接；机械组件也分别与传感器组件、控制组件、驱动组件连接；电源组件、传感器组件、控制组件、驱动组件分别设在机械组件上，由机械组件支撑；其中所述的传感器组件包括温度传感器、烟雾传感器和红外传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的机械组件，包括底座和四旋翼支架，四旋翼支架设在底座上；其中所述的四旋翼支架，包括顶面板、底面板、面板支撑柱、机翼；面板支撑柱将顶面板和底面板连接，机翼设在顶面板和底面板的两端。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的红外传感器为仿生红外感知器，包括凸盖、外壳、内胆、传热杆、感知元件；凸盖设在外壳外表面顶部，感知元件设在外壳外表面底部，内胆、传热杆设在外壳内部；内胆内侧包围着传热杆，传热杆一端延伸至外壳与凸盖相连，传热杆的另一端与外壳底部的感知元件连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的凸盖和外壳由纳米绝热材料制成，纳米绝热材料是一种基于纳米微孔原理研制而成的新型高效隔热材料；内胆由气凝胶或硅树脂材料制成；传热杆由单层石墨烯、石墨烯带及石墨烯复合材料制成；感知元件由热敏陶瓷材料制成，通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。
5.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的烟雾传感器为NIS-05A离子式烟雾传感器，是一种低放射型的标准传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的温度传感器是硅基正面腐蚀加工的CMOS兼容的谐振式的准数字传感器，由CMOS工艺中热膨胀系数差值最大的Al和SiO2构成，具有高的灵敏度。
7.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的控制组件，包括DSP微处理器、ARM微处理器，控制组件的输入端与传感器组件的烟雾传感器、温度传感器、红外传感器信号输出端相连接；DSP微处理器进行算法运算，ARM微处理器进行信号的输入输出、处理及控制等；双核CPU充分利用了的DSP微处理器的运算能力和ARM微处理器的处理能力，不仅弥补单核处理器各自性能上的缺陷，也降低了控制组件的复杂度。
8.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的驱动组件，驱动组件设在机械组件的四旋翼支架的机翼上，包括螺旋桨、伺服电机、电机连接轴、电机底板，驱动组件的输入端与控制组件的DSP微处理器和ARM微处理器信号输出端连接，驱动组件的输出端与机械组件相连接；其中螺旋桨与伺服电机相连，电机底板与伺服电机通过电机连接轴连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的电源组件由太阳能发电池、蓄电池组组成，电源组件与传感器组件、控制组件、驱动组件相连接，为其供电，白天由太阳能电池供电，晚上由蓄电池组供电。
10.根据权利要求2所述的一种基于仿生感知器的森林火灾定位装置，其特征在于，所述的四旋翼支架的4个机翼上分别设置太阳能透镜，每一个太阳能透镜下方设置有一块太阳能电池，太阳能透镜为一种菲涅耳衍射***，用于聚集太阳光能；太阳能电池将太阳能透镜聚集的太阳光能转化成电能并为其余各部分供电。
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