CN114020000A - 一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，包括火灾监测***，用于监测并获取待测点位的仪器实时温度；传感单元，用于采集矿区的环境数据；控制中心,包括数据处理单元以及智能扫描单元，用于监测各个区域的危险源数据,指挥调度救援，其中机载热成像监测单元用于监测并获取起火点或危险源的实时温度、火势，语音功能即控制中心收到反馈后，指挥人员通过喊话功能及时远程指挥调度；本发明还公开了一种合理、可行、智能的矿山巡检方法，以将火灾监测***的运用进行说明，本发明还在提高火灾危险识别准确性的同时提高数据处理的适用性，省时、高效节省人力。
Description
技术领域
本发明属于矿业监测技术领域，具体涉及一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***。
背景技术
矿业在我国经济中占据着重要的地位，因此，矿业的安全状况不仅关系着人们的生活，还影响着经济的发展。然而，矿业的安全由于其危险源多，监测手段匮乏缓慢等缺点，使得人们无法随时掌握危险情况，传统矿山火灾等隐患监测时，需要在矿山布置传感器及铺设电路，通常会出现进展缓慢、维护成本高、耗时费力的现象。尤其是在大采区生产中，如何能够快速、高效、实时掌握矿区安全情况，及时进行隐患排查、危险源识别、应急救援是当前面临的重要问题。而红外热成像技术作为一种新型的探测手段，具有获取信息快、覆盖面积广及运行成本低的优势，为矿山安全监测提供了有利条件。
现有的矿山巡检方案，均无法实现在较远距离时使用无人机进行工况巡检，自动化度较低，在监测气体浓度以及工况温度过程中仍然需要操作人员手动操作。无法实现数据的过程处理。无法实现无人机与矿山的高质量联动，均无法实现矿山大数据互联。对于瓦斯超限等特殊气体危害检测是特定点位特定范围的，无法实现灵活机动。无法实现无人机巡检过程过程中的自保护。因此，需要设计一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，保证工程安全的同时保障设备最优化处理。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，能够快速、高效、实时掌握矿区安全情况，及时进行隐患排查、危险源识别、应急救援，本发明，将热成像技术与无人机技术及其通信技术应用到上述问题中，设计了一种用于煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***；
为实现上述目的，本发明提供了如下方案:一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，包括:
矿用热成像监测仪，用于获取采区的监测点温度遥感图像，并结合地面测量的工作温度等数据，提取出监测点实时温度及其预测，用于监测采区各工作单位的安全状况；
控制中心：包括数据处理单元以及智能扫描单元，用于监测各个采区的危险源数据，指挥调度救援，其中数据处理单元用于根据危险源类别不同选取特征波段和合适的数据处理方法进行分析处理，剔除冗余数据、减少数据量，智能扫描单元用于循环扫描监测点危险指数；
定位***，用于获取当前起火点或危险点的地理位置信息，所述地理位置信息包括经纬度、时间、日期以及所处采区；
无人机监测单元，包括机载热成像监测单元、报警与语音功能、北斗模块，其中机载热成像监测单元用于监测并获取起火点或危险源的实时温度、火势，报警与语音功能即控制中心收到反馈后，指挥人员通过喊话功能及时报警、远程指挥救援，北斗模块，用于获取无人机监测的位置信息；
传感单元，用于采集矿区的环境数据，并结合拍摄水平矫正装置进行机身防抖；
一种无人机智能矿山巡检路径方法，用于充分利用无人机各功能联动；
火势预测装置，用于对目标起火点的参数进行分析，得出火势预测结果；
定点目标数值特征提取模块，采用多尺度分割算法对影像进行多尺度分割，然后进行特征提取、特征融合数据；
数据分类模块，用于对复杂的特征根据模拟环境和历史数据的不同，选取适合的模型进行分类；
优选地，所述初步处理过程为：动态监测、虚像对焦、滤波过滤、自动降噪及图像调节、杂质消除；
优选地，本发明的无人机单元配备开源摄像模组，支持三维化扫描矿区及视觉建模，对重点关注坐标可采用无人机扫描；
优选地，所述无人机单元开源摄像模组功能包括：
安全帽检测，巡航时根据预先算法输入识别安全帽配备；
人体体温监测，巡航时，在低飞悬停阶段可监测工作人员体温；
进一步的，包括通信模块与通信基站，所述控制中心通过通信基站与通信模块建立连接；
优选地，所述传感模块可搭载多种气体传感器，用于对矿区空间内CO2、CH4等气体浓度进行实时监测；
进一步地，为了将上述发明内容耦合，本发明还公开了一种合理、可行、智能的矿山巡检方法，包括以下步骤：
一、通信基站的布置与监测点选择
在露天矿运用背景下，应尽量选择5G通信，基站的布置应覆盖整个矿山工作面，从而更好的保障通信网络质量；在井下工作面，通信基站应沿巷道选择间隔60米作为一个通信基站，在通信基站周边布置相对应的UWB基站，此外，对于通信基站无法合理布置或不满足长距离通信时，宜选用WIFI6通信。
监测点分为火灾危险源监测点、气体危险源监测点和粉尘危险源监测点，选择井下大型设备、电缆作为火灾危险源监测点；考虑到矿山的复杂性，选择气体危险源监测点和粉尘危险源监测点是一致的；
二、巡检路径的设置与监测数据回传
在进行首次人工控制飞行时，无人机按照指令由控制台飞往目标点1(火灾危险源监测点)，并记录坐标(X1，Y1，Z1)，同时记录监测点数值(a℃)，并经由通信基站回传至控制中心，控制中心主机生成以“监测点1历史温度”命名的文件夹并保存至云端，无人机按照指令飞往目标点2(气体危险源监测点和粉尘危险源监测点)，并记录坐标(X2、Y2、Z2)，并经由通信基站回传至控制中心，控制中心主机生成以“监测点2历史粉尘及气体数据”命名的文件夹并保存至云端，重复上述操作直至无人机返回控制台；
优选的，特别是对于露天矿，为节省能源、减少数据占用，无人机返航时优选近距离路径返回，预设起始点路径为(X1，Y1)、 (X2，Y2)…(Xn，Yn)，无人机返航时路径为(Xn，Yn)-(X1， Y1)，返航时除导航功能外其余功能均处于关闭状态，优选最短距离返航；
在首次飞行后，无人机会生成全部巡检路径信息，将路径保存并设置成自动巡航路径，无人机将按照预设巡检周期，在预设路径进行巡检；
优选的，无人机巡检过程中，无人机运行环境温度与机身高度密切相关，按照[T1-T2、Z1]、[T2-T3、Z2]的对应关系飞行，即机身传感器温度处于T1-T2区间时，无人机于Z1高度飞行，同理，机身传感器温度处于T2-T3区间时，无人机于Z2高度飞行；对于发现温度异常区域，需要重点监测时，无人机向控制中心发出确认降低高度信号，控制中心确认后方可降低高度，对异常区域重点监测；
优选的，为了使无人机科学计算规划高度，建立目标高度与参数函数关系如下：
式中T为机感温度；C为气体系数；由现场校正值确定。
优选的，为了使机身能平稳飞行，建立机身俯仰角与飞行控制器函数关系如下：
式中K为俯仰参数，由α与β实时决定；α为上倾覆角；β为下俯角。
控制中心将会以图表形式按固定周期生成报告，以便控制中心人员观察数据变化幅度、分析数据原因、及时发现危险。
三、巡检的摄像与指令
在无人机上，安装了4K摄像模组与语音模块，4K摄像模组全程录像，并生成巡检全景地图，语音模块用于在人工工作面实时下达指令。
由上，本发明的矿山无人机包括如下有益效果：
本发明在无人机上安装了用于进行矿山实景扫描的 4K摄像头，用于对巡检矿山进行实景地图生成，用于观测开采过程中矿山表面变化；
本发明在无人机本体上安装了可遥控热成像仪，用于对矿山岩石、矸石、设备进行温度预测，联动通信模块将监测点实时温度回传至控制中心；
本发明在无人机芯片接口加装了传感模块，用于实时监测矿山CO、CO2、CH4等气体数据，并经由通信模块回传至控制中心；
本发明无人机安装了语音模块，控制中心人员可通过控制中心下达指令至矿山工作人员。
本发明包含一种数据处理单元，用于对热源温度、气体浓度数据与对应监测坐标生成日志文件，上传至云端，按固定周期生成图表，以观测同一坐标下该点历史变化趋势。
本发明对于矿山安全预警、危险源监测、矿山智能化建设具有良好效果；
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下：
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明的架构图；
图2为本发明的数据处理图；
图3为本发明的无人机结构图；
图4为本发明的无人机的结构图；
图5为本发明的无人机自保护高度路径图。
图1至图4中：1、机载热成像仪，2、4K摄像头模组与循迹避障模块，3、扬声器模块，4、无人机防碰撞橡胶圈，5、本安外壳，6、传感器模块，7、通信模块，8、飞控板，9、线槽， 10、散热孔，11、可控摇臂；
图5中：A、高度Z1，B、高度Z2，C、水平高度。
具体实施方式：
如图3和图4所示的一种矿山巡检无人机，包括无人机本体，循迹避障模块；
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图3至图4所示，本发明的矿山巡检无人机包括；本安型无人机本体，用于对工况与煤层自燃性进行安全判断的热成像仪；用于实时监视工作面以及进行巡检自动避障的4K摄像头模组；用于远程传播指令的扬声器模块；用于矿井防碰撞的橡胶圈；所述本安型无人机本体外表为矿用本安型外壳，所述矿用本安型外壳内部装载用于控制无人机飞行的飞控板、用于实施巡检方案的通信模块，所述矿用本安型外壳下表面布置阶梯型开孔，用于机身散热以及平衡大气压，内部线路经由线槽连接热成像仪、摄像头模块以及活动杆，所述通信模块包含UWB矿井高精度定位通讯、4G/5G高强度组网、WIFI6通信，上述模块与气体、烟雾传感器、摄像头模块、热成像仪、扬声器模块相连接，经数据处理回传至控制中心；
本发明的无人机本体设置了考虑井下复杂地形的防碰撞橡胶圈4，所述防碰撞橡胶圈可在无人机发生意外碰撞、跌落时保护螺旋桨装置不受损坏，以便安全返航；本发明本安型外壳下表面布置散热孔10，用于对机身降温并平衡气体传感器测量时机身内部与外部大气压，所述本安型外壳中部有线槽9，用于连通飞控板8、通信模块7、传感器模块6、热成像仪1、4K摄像模块2、语音模块3与可控摇臂11；
所述可控摇臂11用于固定热成像仪1及4K摄像模块 2，可控摇臂通过两根轴杆与二者分别相连接；
进一步的，所述可控摇臂11是可控制的、可操作的。可控摇臂11与机载通信模块7相连，从而控制中心可通过远程操作的方式控制热成像仪6、4K摄像模块2旋转角度；
进一步的，所述热成像仪1的具体成像步骤为：
无人机到达监测点后，悬停至固定高度，控制中心人员可通过控制中心监视器画面调整可控摇臂11，从而调整热成像仪角度，悬停5s后，热成像仪显示屏显示实时温度并截取屏幕、生成日志文件，通过通信模块7回传至控制中心；
本发明的巡检步骤为：
一、通信基站的布置与监测点选择
1、在露天矿运用背景下，应尽量选择5G通信，基站的布置应覆盖整个矿山工作面，从而更好的保障通信网络质量；在井下工作面，通信基站应沿巷道选择间隔60米作为一个通信基站，在通信基站周边布置相对应的UWB基站，此外，对于通信基站无法合理布置或不满足长距离通信时，宜选用WIFI6通信；
2、监测点分为火灾危险源监测点、气体危险源监测点和粉尘危险源监测点，选择井下大型设备、电缆作为火灾危险源监测点；考虑到矿山的复杂性，选择气体危险源监测点和粉尘危险源监测点是一致的。
二、巡检路径的设置与监测数据回传
1、在进行首次人工控制飞行时，无人机按照指令由控制台飞往目标点1(火灾危险源监测点)，无人机在目标点悬停超过 5s后，通信模块发出定位信号，并记录坐标(X1，Y1，Z1)，同时记录监测点数值(a℃)，并经由通信基站回传至控制中心，控制中心主机生成以“监测点1历史温度”命名的文件夹并保存至云端，无人机按照指令飞往目标点2(气体危险源监测点和粉尘危险源监测点)，无人机在目标点悬停超过5s后，通信模块发出定位信号，并记录坐标(X2、Y2、Z2)，并经由通信基站回传至控制中心，控制中心主机生成以“监测点2历史粉尘及气体数据”命名的文件夹并保存至云端，重复上述操作直至无人机返回控制台；
优选的，特别是对于露天矿，为节省能源、减少数据占用，无人机返航时优选近距离路径返回，预设起始点路径为(X1，Y1)、 (X2，Y2)…(Xn，Yn)，无人机返航时路径为(Xn，Yn)-(X1， Y1)，返航时除导航功能外其余功能均处于关闭状态，优选最短距离返航；
2、在首次飞行后，无人机会生成全部巡检路径信息，将路径保存并设置成自动巡航路径，无人机将按照预设巡检周期，在预设路径进行巡检；
如图5所示，无人机巡检过程中，在监测火灾危险源(图五 C)时，无人机运行环境温度与机身高度密切相关，按照[T1-T2、 Z1]、[T2-T3、Z2]的对应关系飞行，即机身传感器温度处于T1-T2区间时，无人机于Z1高度即图五A点飞行，同理，机身传感器温度处于T2-T3区间时，无人机于Z2高度即B点飞行；对于发现温度异常区域，需要重点监测时，无人机向控制中心发出确认降低高度信号，控制中心确认后方可降低高度，对异常区域重点监测；
3、控制中心将会以图表形式按固定周期生成报告，以便控制中心人员观察数据变化幅度、分析数据原因、及时发现危险；
三、巡检的摄像与指令
1、在无人机上，安装了4K摄像模组与语音模块，4K摄像模组全程录像，并生成巡检全景地图，语音模块用于在人工工作面实时下达指令；
2、进一步的，所述4K摄像模组工作过程为：无人机到达目标点悬停-对焦-拍摄校正-光学防抖-预处理-波段扫描-文件分析- 数据处理；
优选的，所述4K摄像模组为开源摄像模组，用于对矿区建模，提取矿物图像光谱和相对应的地面目标的各参数含量数据及填图；
优选的，为了使无人机科学计算规划高度，建立目标高度与参数函数关系如下：
式中T为机感温度；C为气体系数；由现场校正值确定。
优选的，为了使机身能平稳飞行，建立机身俯仰角与飞行控制器函数关系如下：
式中K为俯仰参数，由α与β实时决定；α为上倾覆角；β为下俯角；
进一步的，所述开源摄像模组填图步骤为
一、无人机巡航生成全景图片
1、无人机巡航时，摄像模组全程开启录像，并对于特定目标点拍摄高清图片；
2、全景图片生成；
3、无人机巡航结束后，摄像模组通过上述处理步骤，生成完整巡航路径实景图片，对于重点标记信息，由控制中心人员进行标记；
4、摄像模组将目标点实景图片与热成像特征融合，对于矿山自燃性做出科学判断；
5、融合后的图片自动压缩至文件夹，指定周期后，文件内图片按拍摄时间顺序排列至大屏幕，以便控制中心人员进行观测。
综上所述，本发明创新性强、安全性优、持续续航能力强，实现矿山智能化巡检，为矿山的智能化建设、无人化应用提出了解决方案；
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，包括：火灾监测***、控制中心、传感单元、矿用热成像监测仪、火势预测装置、矿山危险源巡检方法；
所述火灾监测***，用于监测并获取待测点位的仪器实时温度，并结合预设安全参数，分析监测点危险性系数，并生成***日志上传至控制中心；
所述控制中心，包括数据处理单元以及智能扫描单元，用于监测各个区域的危险源数据，指挥调度救援，其中数据处理单元用于根据危险源类别不同选取特征波段和合适的数据处理方法进行分析处理，剔除冗余数据，智能扫描单元用于循环扫描监测点危险指数，在发现危险时及时警告；
所述传感单元，用于采集矿区的环境数据；
所述矿用热成像监测仪，用于获取采区的监测点温度遥感图像，并结合地面测量的工作温度等数据，提取出监测点实时温度及其预测，用于监测采区各工作单位的安全状况；
所述火势预测装置，用于对目标起火点的参数进行分析，得出火势预测结果；
所述矿山危险源巡检方法，用于将上述功能装置联动应用。
2.如权利要求1所述的一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，所述数据处理单元包括定点目标数值特征提取模块，采用多尺度分割算法对影像进行多尺度分割，然后进行特征提取、特征融合数据；对热源温度、气体浓度数据与对应监测坐标生成日志文件，上传至云端，按固定周期生成图表，以观测同一坐标下该点历史变化趋势。
3.如权利要求1所述的一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，所述火灾监测***包括机载热成像监测单元、报警与语音功能、北斗模块；其中机载热成像监测单元用于监测并获取起火点或危险源的实时温度、火势；报警与语音功能即控制中心收到反馈后，指挥人员通过喊话功能及时报警、远程指挥救援；北斗模块，用于获取无人机监测的位置信息。
4.如权利要求1所述的一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，所述无人机热成像***的机载热成像单元的工作过程为:扫描目标物实时温度，通过从模型数据库调取与目标参数适配度高的模型计算危险性系数，根据预定系数等级生成处置建议，然后进行数据保存。
5.如权利要求1所述的一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，所述矿用热成像监测仪的监测参数包括识别分类、目标物温度、目标物阈值、目标物历史温度记录、历史浮动稳定值。
6.如权利要求1所述的一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，所述矿山危险源巡检方法包括以下步骤：
步骤一：通信基站的布置与监测点选择
步骤101、露天矿背景下，选择5G通信，基站的布置应覆盖整个矿山工作面；井工工作面背景下，通信基站应沿巷道选择间隔60米作为一个通信基站，在通信基站周边布置相对应的UWB基站，此外，对于通信基站无法合理布置或不满足长距离通信时，宜选用WIFI6通信；
步骤102、监测点分为火灾危险源监测点、气体危险源监测点和粉尘危险源监测点，选择井下大型设备、电缆作为火灾危险源监测点；考虑到矿山的复杂性，选择气体危险源监测点和粉尘危险源监测点是一致的；
步骤二：巡检路径的设置与监测数据回传
步骤201、在进行首次人工控制飞行时，无人机按照指令由控制台飞往目标点1(火灾危险源监测点)，无人机在目标点悬停超过5s后，通信模块发出定位信号，并记录坐标(X1，Y1，Z1)，同时记录监测点数值(a℃)，并经由通信基站回传至控制中心，控制中心主机生成以“监测点1历史温度”命名的文件夹并保存至云端，无人机按照指令飞往目标点2(气体危险源监测点和粉尘危险源监测点)，无人机在目标点悬停超过5s后，通信模块发出定位信号，并记录坐标(X2、Y2、Z2)，并经由通信基站回传至控制中心，控制中心主机生成以“监测点2历史粉尘及气体数据”命名的文件夹并保存至云端，重复上述操作直至无人机返回控制台；
步骤202、无人机返航时优选近距离路径返回，预设起始点路径为(X1，Y1)、(X2，Y2)…(Xn，Yn)，无人机返航时路径为(Xn，Yn)-(X1，Y1)，返航时除导航功能外其余功能均处于关闭状态；
步骤203、在首次飞行后，无人机会生成全部巡检路径信息，将路径保存并设置成自动巡航路径，无人机将按照预设巡检周期，在预设路径进行巡检；
步骤204、无人机巡检过程中，在监测火灾危险源时，无人机运行环境温度与机身高度密切相关，按照[T1-T2、Z1]、[T2-T3、Z2]的对应关系飞行，即机身传感器温度处于T1-T2区间时，无人机于Z1高度，同理，机身传感器温度处于T2-T3区间时，无人机于Z2高度飞行；对于发现温度异常区域，需要重点监测时，无人机向控制中心发出确认降低高度信号，控制中心确认后方可降低高度，对异常区域重点监测；控制中心将会以图表形式按固定周期生成报告；
步骤三：巡检的摄像与指令
步骤301、在无人机上，安装了4K摄像模组与语音模块，4K摄像模组全程录像，并生成巡检全景地图，语音模块用于在人工工作面实时下达指令；
步骤302、4K摄像模组工作过程为：无人机到达目标点悬停-对焦-拍摄校正-光学防抖-预处理-波段扫描-文件分析-数据处理。
7.如权利要求6所述的一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，所述矿山危险源巡检方法的目标高度与参数函数关系如下：
式中T为机感温度；C为气体系数；由现场校正值确定。
8.如权利要求6所述的一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制***，其特征在于，所述矿山危险源巡检方法的机身俯仰角与飞行控制器函数关系如下：
式中K为俯仰参数，由α与β实时决定；α为上倾覆角；β为下俯角。
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| CN202111542211.4A CN114020000A (zh) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 一种煤矿地表隐蔽火灾巡检无人机控制*** |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114519472A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-05-20 | 南京信息工程大学 | 一种基于三维模型的应急管理监测方法 |
| WO2024092859A1 (zh) * | 2022-10-31 | 2024-05-10 | 万宝矿产有限公司 | 一种数字化矿山巡检***及实现方法 |
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- 2021-12-16 CN CN202111542211.4A patent/CN114020000A/zh not_active Withdrawn
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