CN113359797A - 一种用于监测气体质量的无人机*** - Google Patents

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张所容
张琼
陈述斌
陈晓琴
段然
黄小倩
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Abstract

本发明公开一种用于监测气体质量的无人机***，包括无人机和气体检测装置，还包括定姿定高装置和避障装置，所述定姿定高装置和避障装置均安装在无人机上；定姿定高装置用于使无人机实现定高和自稳飞行，避障装置用于避免无人机发生碰撞。本发明通过在无人机上搭载气体检测装置、定姿定高装置和避障装置，从而实现无人机在煤矿内部巷道敏捷、稳定、安全的飞行，从而完成气体检测，提高检测效率；同时对气体进行预警，保证工作人员的人身安全。

Description

一种用于监测气体质量的无人机***
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种用于监测气体质量的无人机***。
背景技术
随着社会的发展，人们意识到气体质量对环境的重要性，因此需不定时对气体进行检测。传统的空气质量监测方法采用定点监测、人工巡查、车载流动巡检的方式进行，对空气质量采样位置、采样范围，采样监测速度等方面受到很大限制。
特别是煤矿行业，由于其工作环境的需求，内部的道路非常复杂，且有些区域存在危险，因此不适合工作人员下去探测。而一般的无人机***仅适合在空旷的地方飞行检测，在弯路较多的环境下，无人机无法较快进行飞行检测。
发明内容
针对现有技术煤矿内部气体检测效率低的问题，本发明提出一种用于监测气体质量的无人机***，通过在无人机上搭载气体检测装置、定姿定高装置和避障装置，从而实现无人机在煤矿内部巷道对气体检测的目的，提高了检测效率，同时做出预警，保证工作人员的人身安全。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种用于监测气体质量的无人机***，包括无人机和气体检测装置，还包括定姿定高装置和避障装置，所述定姿定高装置和避障装置均安装在无人机上；定姿定高装置用于使无人机实现定高和自稳飞行，避障装置用于避免无人机发生碰撞。
优选的，所述定姿定高装置采用微惯性/气压计模块。
优选的，所述避障装置采用视觉/超声波避障***，实现无人机在无GPS信号环境内的壁障定位。
优选的，还包括照明装置、摄像装置和通讯装置，所述照明装置、摄像装置和通讯装置均搭载在无人机上。
优选的，所述气体检测装置采用多合一气体检测仪，用于检测气体浓度数据并通过通讯装置传输到气体检测平台。
优选的，所述气体包括SO2、NO2、H2S、CO、O2、CH4。
优选的，所述照明装置采用探照灯，安装在无人机的顶部，用于为摄像装置提供照明。
优选的，所述探照灯内部设置有风冷***和过热保护电路。
优选的，所述摄像装置采用Zenmuse X5S云台相机，支持n种拍摄模式，拍摄模式包括单拍、多张连拍和定时拍摄。
优选的，所述气体检测平台实时显示气体浓度数据，并对超过阈值的气体进行报警。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过在无人机上搭载气体检测装置、定姿定高装置和避障装置，从而实现无人机在煤矿内部巷道敏捷、稳定、安全的飞行，从而完成气体检测，提高检测效率；同时对气体进行预警，保证工作人员的人身安全。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例的种用于监测气体质量的无人机***示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
如图1所示，本发明提供一种用于监测气体质量的无人机***，包括无人机、照明装置、摄像装置、气体检测装置、定姿定高装置、避障装置和通讯装置，照明装置、摄像装置、气体检测装置、定姿定高装置、避障装置和通讯装置均安装在无人机上。
本发明拟采用大疆Matrice210 V2系列无人机为飞行平台，飞行模式：RC遥控飞行(煤矿巷道内)，半/全自主飞行；
机身重量：约4.8Kg(含两块TB55智能飞行电池1.77Kg，空机仅3.03Kg)；
最大起飞重量：6.14Kg；最大负载：1.34Kg；(矿内拆除GPS后，超过规定1.5Kg)
续航时间：34分钟(巷道内：空载遥控飞行)；32分钟(室外：空载飞行)；28分钟(室外：超清摄像机(253g)、气体检测与无线传输***(<450g))；
24分钟(巷道内：气体检测与无线传输***(<450g)、探照灯(470g)、超清摄像机(253g)、桨叶护架(250g))；
机身尺寸：883×886×398mm(展开，含桨叶和起落架)；
最大巡航速度：12m/s(室外)；煤矿巷道内根据其可视程度和有毒有害气体取证需求决定；
最大控制/图传/数传半径：8km(室外、无干扰、无遮挡)，>200m(直线巷道或有弯曲巷道，且俯仰角和拐弯角均不超过25度)。
本实施例中，照明装置可采用探照灯，安装在无人机的顶部，用于为摄像装置提供照明；探照灯的型号可为阿拉丁Z15，是一款基于大疆Payload SDK开发的无人机云台探照灯，集成三轴增稳云台和大功率灯珠，探照距离长达150米，同时可提供多种探照模式(例如常亮、闪烁、求救等)。通过DJI SkyPort，阿拉丁Z15云台探照灯可直接挂载至经纬M200系列、经纬M200 V2系列无人机云台接口，为消防、应急救援、执法等领域提供夜间照明。探照灯内部设置有风冷***，帮助强制散热，在作业时将热量传导至设备外，时刻保持探照灯内部温度正常。还设置有过热保护电路，当灯体内部温度超过90℃时，将自动切断探照灯设备运行，延长使用寿命。
本实施例中，摄像装置可采用Zenmuse X5S云台相机，用于拍摄外部的图像，该相机采用4/3英寸CMOS影像传感器，支持最高每秒30帧5.2K及最高每秒60帧4K的CinemaDNG格式无损视频录制，以及最高2080万像素静态照片拍摄，支持多种拍摄模式，例如单拍、多张连拍和定时拍摄，多张连拍支持极速连拍和自动包围曝光两种模式，最高支持14张连拍。配合DJI CINESSDTM高速存储卡使用，Zenmuse X5S可拍摄最高码流位4.2Gbps的无损格式视频，并实现20张每秒的2080万像素的DNG照片无限连拍。Zenmuse X5S有镜头套装和不含镜头两个版本，其中，Zenmuse X5S镜头套装配备有DJI MFT15mm f/1.7APSH定焦镜头(35mm格式等效30mm，FOV72°)；如果是不含镜头版本，能自行配置相关配。
Zenmuse X5S配备高精度三轴增稳云台，控制精度为±0.01°，在飞行过程中可以拍出稳定的画面。支持云台相机水平方向±320°旋转、垂直方向-130°至40°旋转以获得最佳的拍摄角度。安装到DJI INSPIRETM2飞行器，使用DJI GOTM4APP可实时预览高清图像，并进行拍摄设置。
本实施例中，定姿定高装置可采用微惯性/气压计模块，型号为MPU6050/MS5611，能实现自主定高和定姿方式，不依赖于外部任何信息且不受外界干扰，特别是在煤矿巷道内GPS信号完全中断的情况下，提供敏捷、稳定、安全的飞行性能。微惯性/气压计模块配合视觉定位及红外感知***，可在更大范围内及时探测并自主躲避障碍物，进一步提升安全性。
本实施例中，无人机易受不确定强烈气流及定位信号中断影响，产生涡流撞机；此外，由于煤矿内狭小的空间，在正常飞行中很容易与煤矿壁等进行接触碰撞，严重的会损坏无人机甚至引爆煤矿内的易爆气体，因此需采用避障装置。避障装置可采用视觉/超声波避障***(例如Guidance)，实现无人机在低光照度且无GPS信号的煤矿巷道内的高精度定位壁障。Guidance是一款全新的Guidance视觉/超声波避障***，可感知附近障碍物，让飞行器主动躲避附近的障碍物。它内置功能强大的处理核心，配备五组视觉/超声波组合传感器，采用高精度立体视觉算法，近地面定位精度可达厘米级。视觉避障***在复杂地形和高速飞行条件下均可提供精确的定位信息，有效高度高达20米。在煤矿巷道等狭小的空间内，Guidance视觉/超声波避障***的功能更好的显现出来。
本实施例中，气体检测装置可采用多合一气体检测仪，例如体积小、重量轻、功耗低的多合一便气体检测仪(MS600)，外形尺寸为180×78×33mm(L×W×H)，用于采集气体数据。检测气体包括二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、硫化氢H2S、一氧化碳CO、氧气O2、甲烷CH4。检测范围：SO2(0～200ppm)、NO2(0～20ppm)、H2S(0～500ppm)、CO(0～500ppm)、O2(0～30％Vol)、CH4(0～100％LEL)。分辨率：SO2(0.01ppm)、NO2(0.01ppm)、H2S(0.1ppm)、CO(0.1ppm)O2(0.1％Vol)、CH4(0.1％LEL)。气体检测装置的使用环境：温度-40℃～+70℃；相对湿度≤0-99％RH(内置过滤器可在高湿度或高粉尘环境使用)。
本实施例中，通讯模块用于将气体检测装置检测的气体数据发送到气体检测平台。通讯模块的型号为USR-LG207-L，是一个支持点对点通信协议的低频半双工LoRa串口LoRa数传终端，工作的频段为：410～441Mhz。使用串口进行数据收发，降低了无线应用的门槛，可实现一对一或者一对多的通信。LoRa具有功率密度集中，抗干扰能力强的优势，LoRa数传终端通讯距离可达8000m(空旷视距，晴朗天气，天线增益5dBi，天线放置高度大于2m，0.268K空中速率)。在煤矿巷道内，USR-LG207-L可在潮湿复杂的巷道中直线距离通讯达5km，能完全保证设计指标要求的200m直线气体无线传输要求。同时，通过室内跨房间、有遮挡情况下，实测最小通讯距离大于40m，满足对于拐弯幅度不太大(小于25°)的巷道内能短距离有效传输的要求。
本实施例中，气体检测装置和通讯模块以背靠背的方式用螺钉固定在无人机的安装支架上、并用魔术贴加固，气体检测装置和通讯模块通过232小电缆连接。
本实施例中，气体检测平台可实时显示无人机定位点周围的气体含量且内部设置有各类气体的阈值，即可对含量接近临界值的气体提供预警、对超过阈值的进行报警(声光报警、振动报警、视觉报警、声光+振动+视觉报警)；同时，气体检测平台对气体数据进行存储，操作人员可通过触摸屏方式进行查看、消除报警及数据导出。
本实施例中，无人机身为一体化设计，采用高强度碳纤维材料，其轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。抗风能力达到五级风标准，悬停精度达到0.1米以内，实现全自动起落，可全自动执行任务。该无人机可应用于电力巡检，测绘、勘探、植保、救险等多种领域，对于小横截面(4x4m2)、强烈气流条件下煤矿巷道内安全飞行至关重要。
本实施例中，无人机***能通过对气体的检测，提前预知井下作业场所的毒害气体危险程度，避免井下人员发生中毒伤亡事故，为煤矿职业危害事故的预防起到有效保障。对矿难危险区域有毒有害气体实现无人探测，一方面避免救援人员介入、泄漏、温度等变化引起挥发性有机物或其它有毒有害气体浓度变化，另一方面实施救援前在危险区域外为救援人员提供矿难区域有毒有害气体状况，保障安全有效救援。还可以对大气中的雾霾、粉尘颗粒等进行多区域监测，通过现场取证参数的设定，给出危害程度评价鉴定结果，便于事故鉴定，事故应急及日常管理。对化工厂、玻璃纤维厂、建筑工地等处大气污染源巡查和违法证据搜集等，大大提高巡查效率和效果，减少人员安全隐患等。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于监测气体质量的无人机***，包括无人机和气体检测装置，其特征在于，还包括定姿定高装置和避障装置，所述定姿定高装置和避障装置均安装在无人机上；定姿定高装置用于使无人机实现定高和自稳飞行，避障装置用于避免无人机发生碰撞。
2.如权利要求1所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述定姿定高装置采用微惯性/气压计模块。
3.如权利要求1所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述避障装置采用视觉/超声波避障***，实现无人机在无GPS信号环境内的壁障定位。
4.如权利要求1所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，还包括照明装置、摄像装置和通讯装置，所述照明装置、摄像装置和通讯装置均搭载在无人机上。
5.如权利要求1所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述气体检测装置采用多合一气体检测仪，用于检测气体浓度数据并传输到气体检测平台。
6.如权利要求5所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述气体包括SO2、NO2、H2S、CO、O2、CH4。
7.如权利要求4所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述照明装置采用探照灯，安装在无人机的顶部。
8.如权利要求7所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述探照灯内部设置有风冷***和过热保护电路。
9.如权利要求4所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述摄像装置采用Zenmuse X5S云台相机，支持n种拍摄模式，拍摄模式包括单拍、多张连拍和定时拍摄。
10.如权利要求5所述的一种用于监测气体质量的无人机***，其特征在于，所述气体检测平台实时显示气体浓度数据，并对超过阈值的气体进行报警。
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