CN110316376A - 一种用于探测矿井火灾的无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于探测矿井火灾的无人机，以多旋翼无人机为载体，同时结合航拍技术实现对矿井全方位巡检，对矿井进行实时监测。采用机器视觉应用控制理论实现无人机自主飞行，无需人员操作，实现远距离飞行。通过井下建立中转站，实现无人机全矿井巡检。本发明通过改进机载传感器的搭配和视觉导航***的算法，使得无人机可以实现不借助GPS等外界设备实现无人自主定位以及自我路径规划在无人工干预下自动探测矿井巷道，提高了发现火灾的效率及准确性；同时，本发明处理器单元通过采用高斯噪声模型下的最优估计，可以很好的消除因无人机抖动等因素带来的测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及涉及火灾探测技术领域，具体是一种用于探测矿井火灾的无人机。
背景技术
在我国煤炭行业中,矿井火灾是煤矿灾害中的重大灾害之一,严重威胁着煤矿安全生产。由于矿井火灾的多样性和突发性,使得矿井火灾的应急救援工作难度增加,但是如果能及早发现火灾,在火灾的初期阶段迅速而有效进行应急处理,结果就大大不同,相反,即使很小的火灾,如果不及时采取应急处理措施,很有可能酿成大型火灾,造成重大损失。
井下空间小，工作场所狭窄；电气设备多，坑木等易燃物多，煤本身就可以引燃，再加上防火设施不健全，灭火器材不齐全，井下又有新鲜风流，一旦发生火灾，不像地面火灾那样容易扑救。
而且各种火灾(如电气失火、油料起火、瓦斯***形成的火灾及煤炭自燃等)都会发生，扑救方法也各不相同。如果灭火不及时或处理不当，就会蔓延发展，往往酿成大火，这就使得灭火工作更加困难。同时，井下工作人员集中，遇有火灾，不知道发生在何处，难于躲避和疏散，这都会加重火灾造成的损失。
而现有的矿井火灾监控装置功能单一，监控项目少，有着不利矿井火灾的监控和提前预防的缺陷。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种用于探测矿井火灾的无人机，解决了现有的矿井火灾监控装置功能单一，监控项目少，不利矿井火灾的监控和提前预防的缺陷。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于探测矿井火灾的无人机，包括飞行控制***，飞行控制***包括接收天线、电源和总控制器，总控制器通过接收天线接收地面站发出的遥控指令；
所述无人机包括视觉导航***和图像处理模块，视觉导航***包括红外热像仪，红外热像仪、图像处理模块分别与飞行控制***的总控制器相连接，红外热像仪的输出端和图像处理模块的输入端连接；
所述飞行控制***包括惯性测量单元、处理器单元和信号处理模块，处理器单元连接两个特制插口；
所述无人机包括电机和螺旋桨，电机控制螺旋桨的转动。
进一步地，所述视觉导航***包括机载红外成像仪和实时图像传输***，机载红外成像仪和实时图像传输***分别与飞行控制***相连接；
视觉导航***采用红外热像仪作为视觉传感器，其红外热图象是以不同的颜色显示画面中不同的温度数值，有十字光标始终自动捕捉画面中温度最高的物体并显示温度数据，当画面中有超过设定温度的便立即启动声光报警，事先可设定的报警灵敏度，能实现任意设定温度段异常的精确报警，适合用作无人机机载传感器。
进一步地，所述实时图像传输***由微处理模块、电源模块和网络模块构成。
进一步地，所述实时图像传输***还包括用于调节所述机载红外成像仪俯仰角的俯仰角调节机构，该俯仰角调节机构与所述飞行控制***相连接，并与所述机载红外成像仪相传动连接，本发明在起飞前或起飞过程中，工作人员向本发明发送指令，通过俯仰角调节机构调节机载红外成像仪的监测角度。
进一步地，所述图像处理模块包括图像输入部分、图像处理分析部分、图像输出部分。
进一步地，所述无人机采用机载飞行控制***与视觉导航***、图像处理模块协同计算的方案，所述飞行控制***中的迭代就近点元件通过对图像处理模块输出的信息进行分析，供无人机控制***进行位置和轨迹控制。
进一步地，所述处理器单元为集成电路阵列处理器，利用显示核心进行加速，采用高斯噪声模型下的最优估计来处理视觉导航***所收集到的数据。
进一步地，所述处理器单元使用迭代就近点算法就近点搜索法来匹配不同位置所观测的点云数据，再辅以其搭载的机载传感器以实现不借助GPS等外界设备来实现定位，所述无人机在飞行过程中，机载红外成像仪实时检测周围温度变化。
进一步地，所述无人机采集到的移动数据包括相机第t帧所勘察到的画面Zt：Ω→R+，Ω为像素集合、当前勘察点云Vt，其中：已知相机的内置矩阵
可计算当前观测点云vt(s)＝H-1[sx，sy，1]Tzt(s)，
s＝[sx，sy]T∈Ω，
t时刻相机的位姿T可用齐次坐标变换表示为
其中Rt∈R3；
该位姿变换对应的基准坐标系为世界坐标系，以符号g表示，点云坐标也以齐次坐标表示；
a时刻所观测的点云投影至世界坐标系下为：
进一步地，所述信号处理模块包括可编程数据放大器、高共模抑制比隔离放大器模块、集成调制解调器、模拟开关、采样保持器、开关电容滤波器。
本发明的有益效果：
1、本发明通过改进机载传感器的搭配和视觉导航***的算法，使得无人机可以实现不借助GPS等外界设备实现无人自主定位以及自我路径规划在无人工干预下自动探测矿井巷道，提高了发现火灾的效率及准确性；
2、本发明通过对视觉导航***的红外热像仪进行特殊处理，监视面积大，红外热像监控头工作状态时，被动探测画面中所有目标的红外热量辐射，它具有多个探测器单元，同时测量全画面中多个像数点的温度数据，成温度分布热图象，探测角度为水平24°，垂直18°，探测有效面积与距离有关，红外热像监控头属于面阵探测设备，监视面积极大；
3、本发明处理器单元通过采用高斯噪声模型下的最优估计，可以很好的消除因无人机抖动等因素带来的测量误差；
4、本发明中处理器单元连接的两个特制插口，可以直接更换特制的传感器，以满足无人机在不同场景的需求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明正视结构示意图；
图2是本发明的***软件架构框图；
图中：视觉导航***1、图像处理模块2、飞行控制***3、惯性测量单元4、处理器单元5、电机6、信号处理模块7、电源8、螺旋桨9、特制插口10。
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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种用于探测矿井火灾的无人机，如图1所示，包括视觉导航***1、图像处理模块2、飞行控制***3、电机6和螺旋桨9，所述飞行控制***3包括惯性测量单元4、处理器单元5和信号处理模块7。
所述电机6采用防爆电机，电机6控制螺旋桨9的转动，所述螺旋桨9经防爆绝缘处理，确保其在矿井中工作时，不会发生产生静电火花等威胁巷道安全的行为。
所述飞行控制***3包括接收天线、电源8和总控制器，总控制器通过接收天线接收地面站发出的遥控指令，电源8为电池。所述飞行控制***3采用Pixhawk飞控，在其开源算法的基础上，整合视觉导航***1，飞行控制***3控制本发明完成任务后自主返航至起飞点。
所述视觉导航***1包括红外热像仪，红外热像仪用于捕捉无人机所处环境供其自我规划前进路径，红外热像仪和图像处理模块2分别与飞行控制***3的总控制器相连接，且视觉导航***1的红外热像仪的输出接至图像处理模块2的输入，图像处理模块2包括图像输入部分、图像处理分析部分、图像输出部分。
所述视觉导航***1包括机载红外成像仪和实时图像传输***(实时图像传输***由微处理模块、电源模块和网络模块构成)，机载红外成像仪和实时图像传输***分别与飞行控制***3相连接，视觉导航***1采用红外热像仪作为视觉传感器，其红外热图象是以不同的颜色显示画面中不同的温度数值，有十字光标始终自动捕捉画面中温度最高的物体并显示温度数据。当画面中有超过设定温度的便立即启动声光报警，事先可设定的报警灵敏度，能实现任意设定温度段异常的精确报警，适合用作无人机机载传感器，所述机载传感器包括高速、高精度的陀螺仪、用于姿态估计和自稳的加速度计，以及用于飞行时的高度增稳气压计、超声和压力传感器。
所述实时图像传输***包括用于调节机载红外成像仪俯仰角的俯仰角调节机构，该俯仰角调节机构与飞行控制***3相连接，并与机载红外成像仪相传动连接，本发明在起飞前或起飞过程中，工作人员向本发明发送指令，通过俯仰角调节机构调节机载红外成像仪的监测角度。
所述惯性测量单元4由两个加速度传感器与三个速度传感器构成，所述处理器单元5连接两个特制插口10，可以直接更换特制的传感器，处理器单元5为集成电路阵列处理器，利用显示核心进行加速，采用高斯噪声模型下的最优估计来处理视觉导航***1所收集到的数据，处理器单元5使用迭代就近点算法就近点搜索法来匹配不同位置所观测的点云数据，再辅以其搭载的机载传感器以实现不借助GPS等外界设备来实现定位，所述无人机在飞行过程中，机载红外成像仪实时检测周围温度变化。所述信号处理模块7包括可编程数据放大器、高共模抑制比隔离放大器模块、集成调制解调器、模拟开关、采样保持器、开关电容滤波器。
在使用的时候，无人机采用飞行控制***3与视觉导航***1、图像处理模块2协同计算的方案，所述飞行控制***3中的迭代就近点元件通过对图像处理模块2输出的信息进行分析，供无人机控制***进行位置和轨迹控制。
所述无人机采集到的移动数据包括相机第t帧所勘察到的画面Zt：Ω→R+，Ω为像素集合、当前勘察点云Vt，其中：已知相机的内置矩阵可计算当前观测点云vt(s)＝H-1[sx，sy，1]Tzt(s)，
s＝[sx，sy]T∈Ω，
t时刻相机的位姿T可用齐次坐标变换表示为
其中Rt∈R3:
该位姿变换对应的基准坐标系为世界坐标系，以符号g表示，点云坐标也以齐次坐标表示；
a时刻所观测的点云投影至世界坐标系下为：
如图2所示，描述了结合视觉定位和场景重建的一种用于探测矿井火灾的无人机***算法架构。在该***中，无人机通过自身携带的高速、高精度的陀螺仪、用于姿态估计和自稳的加速度计，以及用于飞行时的高度增稳气压计、超声等传感器和机载红外成像仪用来采集周围的环境信息数据，经信号处理模块融合、滤波后分别传输至飞行控制***的处理器单元和图像处理模块，图像处理模块和地面站协同计算后，通过对环境的持续观察，可以构建较为精确的环境模型，实现无人机的视觉定位和模型构建，新构建的模型一方面用来补充无人机绘制的周围环境地图，另一方面用来更新无人机对自身所处的位置和姿态的判断，得到对无人机自身位置和姿态较为精确的估计，和经过处理器单元进行计算后的数据经过信号处理模块处理后一起供无人机进行位置和轨迹控制。
一种用于探测矿井火灾的无人机的使用方法，包括以下步骤：
(1)选定目标场地，将本发明放置于待探测区域，并对其所携带传感器做适当更换；
(2)启动本发明，本发明通过视觉导航***1和图像处理模块2及飞行控制***3协同计算，规划其自动探测路径，并展开探测；
(3)工作人员向本发明发送继续执行航行任务的指令，本发明继续探测下一待探测区域，并重复上述步骤(2)设定，直至本发明探测完最后一个目标区域；
(4)当本发明探测完最后一个目标区域时，如果超出最长设定时间仍未接收到新的指令，则会自动回归至地面。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，包括飞行控制***(3)，飞行控制(3)***包括接收天线、电源(8)和总控制器，总控制器通过接收天线接收地面站发出的遥控指令；
所述无人机包括视觉导航***(1)和图像处理模块(2)，视觉导航***(1)包括红外热像仪，红外热像仪、图像处理模块(2)分别与飞行控制***(3)的总控制器相连接，红外热像仪的输出端和图像处理模块(2)的输入端连接；
所述飞行控制***(3)包括惯性测量单元(4)、处理器单元(5)和信号处理模块(7)，处理器单元(5)连接两个特制插口(10)；
所述无人机包括电机(6)和螺旋桨(9)，电机(6)控制螺旋桨(9)的转动。
2.根据权利要求1所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述视觉导航***(1)包括机载红外成像仪和实时图像传输***，机载红外成像仪和实时图像传输***分别与飞行控制***(3)相连接；
视觉导航***(1)采用红外热像仪作为视觉传感器，其红外热图象是以不同的颜色显示画面中不同的温度数值，有十字光标始终自动捕捉画面中温度最高的物体并显示温度数据，当画面中有超过设定温度的便立即启动声光报警，事先可设定的报警灵敏度，能实现任意设定温度段异常的精确报警，适合用作无人机机载传感器。
3.根据权利要求2所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述实时图像传输***由微处理模块、电源模块和网络模块构成。
4.根据权利要求2所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述实时图像传输***还包括用于调节所述机载红外成像仪俯仰角的俯仰角调节机构，该俯仰角调节机构与所述飞行控制***(3)相连接，并与所述机载红外成像仪相传动连接，本发明在起飞前或起飞过程中，工作人员向本发明发送指令，通过俯仰角调节机构调节机载红外成像仪的监测角度。
5.根据权利要求1所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述图像处理模块(2)包括图像输入部分、图像处理分析部分、图像输出部分。
6.根据权利要求1所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述无人机采用机载飞行控制***(3)与视觉导航***(1)、图像处理模块(2)协同计算的方案，所述飞行控制***(3)中的迭代就近点元件通过对图像处理模块(2)输出的信息进行分析，供无人机控制***进行位置和轨迹控制。
7.根据权利要求1所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述处理器单元(5)为集成电路阵列处理器，利用显示核心进行加速，采用高斯噪声模型下的最优估计来处理视觉导航***(1)所收集到的数据。
8.根据权利要求1所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述处理器单元(5)使用迭代就近点算法就近点搜索法来匹配不同位置所观测的点云数据，再辅以其搭载的机载传感器以实现不借助GPS等外界设备来实现定位，所述无人机在飞行过程中，机载红外成像仪实时检测周围温度变化。
9.根据权利要求1所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述无人机采集到的移动数据包括相机第t帧所勘察到的画面Zt：Ω→R+，Ω为像素集合、当前勘察点云Vt，其中：已知相机的内置矩阵可计算当前观测点云vt(s)＝H-1[sx，sy，1]Tzt(s)，
s＝[sx，sy]T∈Ω，
t时刻相机的位姿T可用齐次坐标变换表示为
其中Rt∈R3；
该位姿变换对应的基准坐标系为世界坐标系，以符号g表示，点云坐标也以齐次坐标表示；
a时刻所观测的点云投影至世界坐标系下为：
10.根据权利要求1所述的一种用于探测矿井火灾的无人机，其特征在于，所述信号处理模块(7)包括可编程数据放大器、高共模抑制比隔离放大器模块、集成调制解调器、模拟开关、采样保持器、开关电容滤波器。
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