CN110307824A - 一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***及方法，属于监测技术领域。所述基于无人机的矿山塌陷区智能预警***包括地面***、无人机充电模块和至少三台无人机，无人机充电模块设置在起落架组件的底部，无人机充电模块包括导电板一，导电板一与电池连接，地面***包括停机坪、陆基天线和预警处理器，停机坪设置有地面充电模块，地面充电模块包括导电板二，陆基天线与无人机天线连接，陆基天线与预警处理器通过数据连接线连接，数据连接线设置有无线网桥。所述基于无人机的矿山塌陷区智能预警***及方法，实现对人员无法靠近、存在盲区无法测量的区域进行监测预警，能够24小时不间断巡测预警，能够替代人员进行监测预警，避免人员伤害事故发生。

Description

一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***及方法

技术领域

本发明涉及监测技术领域，特别涉及一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***及方法。

背景技术

现有地下矿山经过多年的开采，多采用空场法或崩落法开采，不可避免的造成地表的下沉、塌陷。为了保证矿山地表构建筑物的安全以及井下安全高效的开采，必须对塌陷区进行监测。塌陷区域及周边松动区域地表不稳定，十分危险，传统变形监测方法不适用。现有技术中采用免棱镜全站仪和近景摄影测量进行测量，免棱镜全站仪获得的是单个测点的信息，如需获得整个塌陷区的信息需要大量人员大量时间的投入才可以起到监测作用，时效性不佳，近景摄影测量方法在测量较深的塌陷区域时因存在盲区，无法获取数据。

发明内容

为了解决现有技术存在的矿山塌陷区监测时人员无法靠近、存在盲区无法测量、时效性差等技术问题，本发明提供了一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***及方法，实现对人员无法靠近、存在盲区无法测量的区域进行监测预警，能够24小时不间断巡测预警，能够替代人员进行监测预警，避免人员伤害事故发生。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，基于无人机，所述无人机包括RTK模块、无人机天线、相机和起落架组件，所述基于无人机的矿山塌陷区智能预警***包括地面***、无人机充电模块和至少三台无人机；

所述无人机充电模块设置在起落架组件的底部，所述无人机充电模块包括导电板一，所述导电板一与电池连接；

所述地面***包括停机坪、陆基天线和预警处理器，所述停机坪设置有地面充电模块，所述地面充电模块包括与导电板一配合的导电板二，所述导电板二与电源适配器连接，所述陆基天线与无人机天线无线连接，所述陆基天线与预警处理器通过数据连接线连接，所述数据连接线设置有无线网桥。

所述导电板一设置在起落架组件的底部，所述导电板一与电池通过导电线缆连接，电池设置在电池仓内。

所述导电板二采用柔性板。

所述相机为航拍相机或者红外相机。

所述预警处理器采用工控机，所述工控机内置程序用于执行以下功能：

1)矿山开采之前，设置飞行高度D、巡航速度、航向和重叠率，生成航线，无人机按照航线飞行拍摄图片，采集拍摄图片的初始数据，得到地表拍摄目标的像素宽度P和地表拍摄目标的宽度W，且地表拍摄目标的宽度W不变，进而得到相机的焦距F；

2)矿山开采之后，无人机按照航线自主飞行拍摄图片，采集拍摄图片的数据，得到地表拍摄目标的像素宽度P₁，进而得到无人机距离地表拍摄目标的距离D₁；

3)根据RTK模块得到的无人机的高程H和无人机距离地表拍摄目标的距离D₁，得到地表拍摄目标的高程H₁；

4)当地表拍摄目标的高程H₁大于等于预警设定值时，进行预警提醒。

一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警方法，采用基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，包括如下步骤：

步骤一、由地面***设置好需要监测预警的矿山塌陷区飞行区域，根据地势因素设置飞行高度、巡航速度、航向和重叠率，生成航线；

步骤二、矿山开采之前，由人员控制无人机按照航线对矿山塌陷区飞行区域进行拍照获得初始数据，并储存数据供之后飞行实时对比；

步骤三、矿山开采之后，无人机按照既定航线自主工作，通过相机拍照连续向地面***传输数据，地面***将传输回来的数据与初始数据进行实时对比，达到设定预警条件时进行预警提醒；

所述步骤三中的地面***将传输回来的数据与初始数据进行实时对比，达到设定预警条件时进行预警提醒，具体包括如下步骤：

矿山开采之前，无人机拍摄图片得到地表拍摄目标的像素宽度P和地表拍摄目标的宽度W，因此，相机的焦距F为：

F＝(P×D)/W，

其中，D为飞行高度；

矿山开采之后，无人机拍摄图片，得到地表拍摄目标的像素宽度P₁，因此，无人机距离地表拍摄目标的距离D₁为：

D₁＝(W×F)/P₁；

地表拍摄目标的高程H₁为：

H₁＝H-D₁，

其中，H为无人机高程；

H₁≥设定值，进行预警提醒；

步骤四、工控机内置程序对接收到的数据实时拼图，生成正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)和实景三维模型；

步骤五、重复步骤三和步骤四进行多级预警。

本发明的有益效果：

1)能够实现人员无法靠近、存在盲区无法测量区域的监测预警；

2)实现24小时不间断巡测预警；

3)能够替代人员进行监测预警，避免人员伤害事故发生。

附图说明

图1是本发明提供的无人机的结构示意图；

图2是本发明提供的地面***的示意图；

图3是本发明提供的无人机在地面充电模块充电的示意图；

图4是本发明提供的导电板一安装在起落架组件的示意图；

图5是本发明提供的地面充电模块的结构示意图；

图6是本发明提供的矿体开采前的示意图，其中，(a)为矿体剖面示意图，(b)为无人机拍摄的地表地形图；

图7是本发明提供的矿体开采初期的示意图，其中，(a)为矿体剖面示意图，(b)为无人机拍摄的地表地形图；

图8是本发明提供的矿体开采中期的示意图，其中，(a)为矿体剖面示意图，(b)为无人机拍摄的地表地形图；

图9是本发明提供的矿体开采后期的示意图，其中，(a)为矿体剖面示意图，(b)为无人机拍摄的地表地形图。

图中，

1-无人机，2-RTK模块，3-电池仓，4-无人机天线，5-桨叶，6-电机，7-云台，8-相机，9-起落架组件，10-导电板一，11-导电线缆，12-地面充电模块，13-导电板二，14-电源适配器，15-停机坪，16-工控机，17-数据连接线，18-无线网桥，19-支架，20-陆基天线，21-原岩地层，22-第四系地层，23-地表，24-岩层界线，25-矿体，26-空区，27-废石垫层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“一”、二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图9所示，本发明提供了一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***及方法，实现对人员无法靠近、存在盲区无法测量的区域进行监测预警，能够24小时不间断巡测预警，能够替代人员进行监测预警，避免人员伤害事故发生。

如图1至图5所示，一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，基于无人机1，无人机1采用现有技术中大疆M系列无人机，如图1所示，无人机1包括RTK模块2、飞控***、遥控***、动力***、图传***、图像处理***、电池仓3、无人机天线4、云台7、相机8和起落架组件9，动力***包括桨叶5和电机6，无人机1各个部件的设置和连接也均采用现有技术，相机8为航拍相机或者红外相机。基于无人机的矿山塌陷区智能预警***包括地面***、无人机充电模块和至少三台无人机，如图4所示，无人机充电模块设置在起落架组件9的底部，无人机充电模块包括导电板一10，导电板一10与电池连接，导电板一10设置在起落架组件9的底部，导电板一10与电池通过导电线缆11连接，电池设置在电池仓3内，如图3至图5所示，停机坪15设置有地面充电模块12，地面充电模块12包括与导电板一10配合的导电板二13，导电板二13与电源适配器14连接，电源适配器14的型号为MC6S600，无人机充电模块及地面充电模块12结合可实现无人机1降落后直接充电，无人机1设有两个起落架组件9，每个起落架组件9的底部均安装有导电板一10，起落架组件9内部安装有导电线缆11连接导电板一10与电池，无人机1降落时通过导电板一10与地面充电模块12的导电板二13接触进行充电，导电板二13采用柔性板，无人机1降落时可依靠本身重量挤压导电板二13，实现接触密实，以保证充电效果，无需人员干预，通过导电板一10和导电板二13的配合能够实现无人机自行作业，不需要人员的干预，节省人力，自动性好。

如图2所示，地面***包括停机坪15、陆基天线和预警处理器，陆基天线20设置在支架19上，陆基天线20与无人机天线4无线连接，陆基天线20与预警处理器通过数据连接线17连接，数据连接线17设置有无线网桥18，无线网桥18采用数传电台作为无线通讯媒介，实现无人机1与地面***的通讯，数传电台通过RS232通信接口与工控机16连接。

预警处理器采用工控机16，工控机16采用现有技术，工控机内置程序用于执行以下功能：

1)矿山开采之前，设置飞行高度D、巡航速度、航向和重叠率，生成航线，无人机按照航线飞行拍摄图片，采集拍摄图片的初始数据，得到地表拍摄目标的像素宽度P和地表拍摄目标的宽度W，且地表拍摄目标的宽度W不变，进而得到相机的焦距F；

2)矿山开采之后，无人机按照航线自主飞行拍摄图片，采集拍摄图片的数据，得到地表拍摄目标的像素宽度P₁，进而得到无人机距离地表拍摄目标的距离D₁；

3)根据RTK模块得到的无人机的高程H和无人机距离地表拍摄目标的距离D₁，得到地表拍摄目标的高程H₁；

4)当地表拍摄目标的高程H₁大于等于预警设定值时，进行预警提醒。

本实施例中，无人机的高程H通过无人机的RTK模块能够得到，为现有技术。通过工控机内置的大疆智图软件设置参数生成航线、采集无人机拍摄的图片的数据，并能得到地表拍摄目标的像素宽度，通过内置的程序进行预警处理，以实现预警报警，报警后，大疆智图软件生成报警时的正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)和实景三维模型。

本实施例中，基于无人机的矿山塌陷区智能预警***采用三台搭载航拍相机的无人机1循环作业执行白天预警任务和三台搭载红外相机的无人机1循环作业执行夜间预警任务，三台搭载航拍相机的无人机1循环作业执行白天预警任务时，其中，一台飞行工作，一台充电，一台备用；三台搭载红外相机的无人机1循环作业执行夜间预警任务时，一台飞行工作，一台充电，一台备用。三台无人机进行预警时，“两用一备”以保证某台无人机出现故障时，可以正常的实现循环飞行，保证预警***正常工作，具体工作方式为：第一台无人机起飞执行任务，第二台无人机处于充电状态，第三台无人机处于备用状态，当第一台无人机电量较低时返航，在第一台无人机降落之前第二台无人机起飞前往接续执行任务，第二台无人起飞后第一台无人机降落进行充电，循环往复。需要说明的是，无人机搭载电池可续航行时间约1小时，充电时间约40分钟，可满足无人机作业要求；第三台无人机在第一台或第二台无人机出现故障时自动起飞接续执行任务，此时可对故障无人机进行检修。

一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警方法，采用基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，包括如下步骤：

步骤一、由地面***设置好需要监测预警的矿山塌陷区飞行区域，根据地势因素设置飞行高度、巡航速度、航向和重叠率，生成航线；

步骤二、矿山开采之前，由人员控制无人机1按照航线对矿山塌陷区飞行区域进行拍照获得初始数据，并储存数据供之后飞行实时对比；

步骤三、矿山开采之后，无人机1按照既定航线自主工作，通过相机8拍照连续向地面***传输数据，地面***将传输回来的数据与初始数据进行实时对比，达到设定预警条件时进行预警提醒；

所述步骤三中的地面***将传输回来的数据与初始数据进行实时对比，达到设定预警条件时进行预警提醒，具体包括如下步骤：

矿山开采之前，无人机拍摄图片得到地表拍摄目标的像素宽度P和地表拍摄目标的宽度W，因此，相机的焦距F为：

F＝(P×D)/W，

其中，D为飞行高度；

矿山开采之后，无人机拍摄图片，得到地表拍摄目标的像素宽度P₁，因此，无人机距离地表拍摄目标的距离D₁为：

D₁＝(W×F)/P₁；

地表拍摄目标的高程H₁为：

H₁＝H-D₁，

其中，H为无人机高程；

H₁≥设定值，进行预警提醒；

步骤四、工控机16内置程序对接收到的数据实时拼图，生成正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)和实景三维模型；

步骤五、重复步骤三和步骤四进行多级预警。

本实施例采用现有技术的大疆智图软件，步骤一中，使用大疆智图根据地势因素设置飞行高度、巡航速度、航向和重叠率，生成航线；步骤二中，由人员通过遥控***或地面***控制无人机1按照既定航线对矿山塌陷区飞行区域进行拍照获得初始数据，通过无人机1图传***传输给地面***存储供之后飞行实时对比；步骤三中、无人机1按照既定航线自主工作，通过相机8拍照连续向地面***传输数据，工控机内置程序将传输回来的数据与初始数据进行实时对比，达到设定预警条件时发出预警信号进行预警提醒，可搭配现有技术预警灯和音响实现声音和光信号的预警提醒；步骤四中，工控机16通过大疆智图对接收到的数据实时拼图，生成正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)和实景三维模型，其中，生成正射影像(DOM)能直观、准确地获取地质灾害点(滑坡、变形体、泥石流等)地理信息；生成数字高程模型(DEM)和实景三维模型则能从不同高程、不同角度观察滑坡、变形体等地质灾害点的全貌和细部特征。

以某矿山塌陷区的发展过程为例进行说明：

如图6(a)所示矿体25开采前的岩层状态，原岩地层21、第四系地层22、地表23和岩层界线24均处于原始状态，岩层没有移动，地表23没有塌陷；通过大疆智图软件设置飞行高度D、巡航速度、航向和重叠率，生成航线，采用基于无人机的矿山塌陷区智能预警***对飞行区域进行拍摄图片采集初始数据，工控机内置大疆智图软件得到地表拍摄目标的像素宽度P和地表拍摄目标的宽度W，且地表拍摄目标的宽度W不变，通过工控机内置程序得到相机的焦距F＝(P×D)/W，通过大疆智图软件生成地表地形图如图6(b)所示，图6(b)中的线为等高线，数字为地表的海拔。

如图7(a)所示矿体25开采初期，形成了空区26，岩层界线24产生了轻微下沉变形，地表23产生了极小的变形；采用基于无人机的矿山塌陷区智能预警***对飞行区域进行拍摄图片采集数据并传输至地面***，大疆智图通过传回的数据得到地表拍摄目标的像素宽度P₁，通过工控机内置程序得到无人机距离地表拍摄目标的距离D₁＝(W×F)/P₁，地表拍摄目标的高程H₁＝H-D₁，当二级预警设定值＞H₁≥三级预警设定值时，即传回的数据与初始数据对比发现地表23产生极小的下沉变形，发出三级预警信号，进行预警提醒，大疆智图大疆智图地表23变形区域的高程、水平位移变化量及影像信息，生成数字高程模型(DEM)和地表地形图，其中，地表地形图如图7(b)所示，图7(b)中的线为等高线，数字为地表的海拔。

如图8(a)所示矿体25开采中期，原岩地层21发生了坍落形成了少量的废石垫层27，岩层界线24发现较大的下沉变形，地表23产生了可见的变形；采用基于无人机的矿山塌陷区智能预警***对飞行区域进行拍照采集数据并传输至地面***，大疆智图通过传回的数据得到地表拍摄目标的像素宽度P₂，通过工控机内置程序得到无人机距离地表拍摄目标的距离D₂＝(W×F)/P₂，地表拍摄目标的高程H₂＝H-D₂，当一级预警设定值＞H₂≥二级预警设定值时，即传回的数据与初始数据对比发现地表23产生的下沉变形量继续增大，发出二级预警信号，进行预警提醒，大疆智图大疆智图地表23变形区域的高程、水平位移变化量及影像信息，生成数字高程模型(DEM)和地表地形图，其中，地表地形图如图8(b)所示，8(b)中的线为等高线，数字为地表的海拔。

如图9(a)所示矿体25开采后期，原岩地层21继续坍落，废石垫层27进一步增加、岩层界面和地表23产生极大的变形，地表23位移表现为裂缝、塌陷坑形式；采用基于无人机的矿山塌陷区智能预警***对飞行区域进行拍照采集数据并传输至地面***，大疆智图通过传回的数据得到地表拍摄目标的像素宽度P₃，无人机距离地表拍摄目标的距离D₃＝(W×F)/P₃，地表拍摄目标的高程H₃＝H-D₃，当H₃≥一级预警设定值时，即传回的数据与初始数据对比发现地表23产生的下沉变形量继续增大并形成裂缝或塌陷坑，发出一级预警信号，进行预警提醒，大疆智图大疆智图地表23变形区域的高程、水平位移变化量及影像信息，生成数字高程模型(DEM)和地表地形图，其中，地表地形图如图9(b)所示，9(b)中的线为等高线，数字为地表的海拔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，基于无人机，所述无人机包括RTK模块、无人机天线、相机和起落架组件，其特征在于，所述基于无人机的矿山塌陷区智能预警***包括地面***、无人机充电模块和至少三台无人机；

所述无人机充电模块设置在起落架组件的底部，所述无人机充电模块包括导电板一，所述导电板一与电池连接；

所述地面***包括停机坪、陆基天线和预警处理器，所述停机坪设置有地面充电模块，所述地面充电模块包括与导电板一配合的导电板二，所述导电板二与电源适配器连接，所述陆基天线与无人机天线无线连接，所述陆基天线与预警处理器通过数据连接线连接，所述数据连接线设置有无线网桥。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，其特征在于，所述导电板一设置在起落架组件的底部，所述导电板一与电池通过导电线缆连接，电池设置在电池仓内。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，其特征在于，所述导电板二采用柔性板。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，其特征在于，所述相机为航拍相机或者红外相机。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，其特征在于，所述预警处理器采用工控机，所述工控机内置程序用于执行以下功能：

1)矿山开采之前，设置飞行高度D、巡航速度、航向和重叠率，生成航线，无人机按照航线飞行拍摄图片，采集拍摄图片的初始数据，得到地表拍摄目标的像素宽度P和地表拍摄目标的宽度W，且地表拍摄目标的宽度W不变，进而得到相机的焦距F；

2)矿山开采之后，无人机按照航线自主飞行拍摄图片，采集拍摄图片的数据，得到地表拍摄目标的像素宽度P₁，进而得到无人机距离地表拍摄目标的距离D₁；

3)根据RTK模块得到的无人机的高程H和无人机距离地表拍摄目标的距离D₁，得到地表拍摄目标的高程H₁；

4)当地表拍摄目标的高程H₁大于等于预警设定值时，进行预警提醒。

6.一种基于无人机的矿山塌陷区智能预警方法，采用权利要求1所述的基于无人机的矿山塌陷区智能预警***，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、由地面***设置好需要监测预警的矿山塌陷区飞行区域，根据地势因素设置飞行高度、巡航速度、航向和重叠率，生成航线；

步骤二、矿山开采之前，由人员控制无人机按照航线对矿山塌陷区飞行区域进行拍照获得初始数据，并储存数据供之后飞行实时对比；

步骤三、矿山开采之后，无人机按照既定航线自主工作，通过相机拍照连续向地面***传输数据，地面***将传输回来的数据与初始数据进行实时对比，达到设定预警条件时进行预警提醒；

步骤四、工控机内置程序对接收到的数据实时拼图，生成正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)和实景三维模型；

步骤五、重复步骤三和步骤四进行多级预警。

7.根据权利要求6所述的基于无人机的矿山塌陷区智能预警方法，其特征在于，所述步骤三中的地面***将传输回来的数据与初始数据进行实时对比，达到设定预警条件时进行预警提醒，具体包括如下步骤：

矿山开采之前，无人机拍摄图片得到地表拍摄目标的像素宽度P和地表拍摄目标的宽度W，因此，相机的焦距F为：

F＝(P×D)/W，

其中，D为飞行高度；

矿山开采之后，无人机拍摄图片，得到地表拍摄目标的像素宽度P₁，因此，无人机距离地表拍摄目标的距离D₁为：

D₁＝(W×F)/P₁；

地表拍摄目标的高程H₁为：

H₁＝H-D₁，

其中，H为无人机高程；

H₁≥设定值，进行预警提醒。