专利名称：多功能环境应急监测无人机系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种环境应急监测无人机系统的设计方案，属于环境应急领域。
背景技术：
无人机即无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle)简称UAV。它自20世纪初诞生以来，至今已有80多年历史。特别是在电子和航空技术飞速发展的推动下，无人机的发展受到了各国的重视。在军事领域无人机作为侦察机和靶机已经得到了广泛的应用。近年来无人机在民用领域的应用日益得到重视，相关技术日渐成熟。民用领域无人机主要以搭载视频传输和数字相机两类设备为主。视频传输可用于森林防护、空中巡逻、交通监管等监控领域，其突出优点是数据传输实时高效；数码相机拍摄主要用于城镇、开发区、厂矿、居民小区等小范 围的测绘，其优点是高度低受天气影响小且精度高。此外，在科研领域无人机作为一种低空探测的平台也被广泛使用。常见的有气象监测无人机，通过搭载气象参数传感器飞行，实现对不同高度处气象参数的测量。目前无人机在环境领域的应用主要集中在两个方面。一方面采用无人机对水污染范围、垃圾分布范围、烟 废气排放状况等进行大面积调查。另一方面通过搭载环境空气质量监测仪器，进行气体(或粒子)浓度的监测。前者只是对视频传输和航拍功能加以应用的一种拓展，技术相对成熟；后者需要技术难度相对较大，许多关键性技术尚在不断完善中。2008年中国科学院大气物理研究所采用无人机搭载了改进的臭氧传感器和粒子(数浓度或质量浓度)探测仪以及温度湿度传感器进行探空试验取得成功。2009年，由中科院安徽光机所和大气物理研究，利用无人飞机平台进行了大气环境监测飞行试验，成功获取大气污染成分N02的二维时空分布。现有以环境应急监测车、环境应急监测船和便携式环境应急监测设备为主构成的环境应急监控体系存在复杂地形条件下，难以到达；响应速度不高，监控范围有限的问题。在突发环境事件发生时，通过在无人机上搭载图像或视频监控设备，快速了解环境现场信息，实现空中全景接入；通过搭载气体监测设备和气象参数监测设备，在低空快速飞行过程中，掌握污染物浓度分布情况，能够有效弥补现有环境应急监体系的不足，极大的提升环境应急响应速度。但是，目前大多数无人机设计缺乏对多项任务载荷兼容性的考虑，一架无人机平台只能适用于一种或几种特定的任务载荷，难以根据不同的根据需求，灵活更换任务载荷，从而实现一机多用。且缺乏针对环境应急监测的需要，提供航拍、视频监控、有毒有害气体检测和气象参数监测全方位服务的环境应急监测无人机系统。
实用新型内容针对目前我国环境应急监测的研究现状和需求，本实用新型的目的在于通过对无人机飞行器平台的改造和对任务载荷组件模块化开发，以及软硬件集成，实现一架无人机平台可搭载数码相机、摄像头、有毒有害气体检测仪和气象参数监测仪中的一项或多项任务载荷。在环境事件发生时，通过采用这种环境应急无人机可实现空中全景接入，快速大范围进行气态染物物浓度分布情况调查，以及气象监测，并保障监测数据的实时传输和快速处理分析，为环境应急响应提供决策依据。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下一种多功能环境应急监测无人机系统，包括无人机平台、地面测控与数据处理系统和任务载荷；所述无人机平台包括固定翼无人机和/或无人直升机；所述地面测控与数据处理系统包括遥测电台、计算机、显示器、遥控电台和硬盘录像机；所述任务载荷包括航拍设备、和/或视频监控设备、和/或气象参数监测仪、和/或多参数有毒有害气体检测仪。所述航拍设备、所述视频监控设备、所述气象参数监测仪、所述多参数有毒有害气体检测仪均为组件式模块化设计。
所述多参数有毒有害气体检测检测仪包括能够检测CO、和/ *H2S、和/或SO2、和/ 或NO2、和/或NO、和/或CI2、和/或HCNJP /或圆3、和/或PH3JP /或CIO2、和/或HCI、和/或VOC的气体检测传感器。所述的视频监控设备包括摄像头、和/或日光型彩色摄像机、和/或微光黑白摄像机、和/或红外热成像摄像机。所述的气象参数监测仪包括气象参数监测传感器，所述气象参数监测传感器包括温度传感器、和/或湿度传感器、和/或压力传感器。所述的地面测控与数据处理系统是基于GIS平台开发的软硬件结合装置，能够实现对飞行控制、任务载荷设备控制、环境监控数据处理等一体化操作，能够实现对无人机的航迹显示与远程控制，接收任务载荷的监测数据，对接收到的数据基于GIS进行展示与空间分析，对航拍的影像进行校正与拼接处理。所述的地面测控与数据处理系统包括测控车、和/或便携式地面站。所述的无人机平台为飞行器，包括飞艇、气球等飞行器。所述飞行器包括飞艇或气球。本实用新型中的多功能环境应急监测无人机系统包括无人机平台、地面测控与数据处理系统和任务载荷；无人机平台包括固定翼无人机、无人直升机等；地面测控与数据处理系统包括遥测电台、计算机、显示器、遥控电台、硬盘录像机等；任务载荷包括任务载荷包括航拍设备、视频监控设备、气象参数监测仪和多参数有毒有害气体检测仪四类。所述任务载荷其特征包括航拍设备、视频监控设备、气象参数监测仪和多参数有毒有害气体检测仪，这4类任务载荷均以组件式模块化设计，可根据需要方便的在无人机平台上灵活选用也可以同时搭载，从而实现航拍、视频监控、有毒有害气体检测和气象监测多项功能。所述的多参数有毒有害气体检测检测仪，其特征在于可以同时搭载多种气体检测传感器，并可根据需要进行灵活更换。具体检测内容包括C0、H2S, SO2, NO2, NO、CI2, HCN、NH3、PH3、CI02、HCI、V0C等。多参数有毒有害气体检测仪监测到的有毒有害气体浓度数据通过数据转换电路转换后，经遥测电台实时发送到地面测控与数据处理系统，并进而由地面测控与数据处理系统的计算机进行处理分析。所述的气象参数监测仪包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器等多种气象参数监测传感器。气象参数监测仪监测到的温度、湿度、压力等气象数据通过数据转换电路转换后，经遥测电台实时发送到地面测控与数据处理系统，并进而由地面测控与数据处理系统的计算机进行处理分析。所述的视频监控设备可以是摄像头、日光型彩色摄像机、微光黑白摄像机、红外热成像摄像机等多 种航拍设备。视频监控信息通过遥测电台可实时传输到地面测控与数据处理系统，并进而由地面测控与数据处理系统的显示器进行显示，同时将视频数据存储到硬盘录像机中。所述的地面测控与数据处理系统，其特征在于可实现对飞行控制、任务载荷设备控制、环境监控数据处理等一体化操作。对无人机平台的飞行控制命令和对任务载荷(有毒有害气体检测仪、气象参数监测仪、航拍设备)的操控指令由地面测控与数据处理系统通过遥控电台发送到无人机的飞行控制系统，并有飞行控制系统将相关指令发送给相应的任务载荷。所述的地面测控与数据处理系统是基于GIS平台开发的，可实现对无人机的航迹显示与远程控制，接收任务载荷的监测数据，对接收到的数据基于GIS进行展示与空间分析，对航拍的影像进行校正与拼接处理。本系列环境应急监测无人机可在特定条件下，通过调整任务载荷实现不同功能的环境应急监测，包括以下几个方面I、航拍是本系列环境应急监测无人机的基本功能之一。可实现对各类事件现场的航拍作业，地面测控与数据处理系统的软件可实现对航拍影像的校正和拼接，从而快速为事件处理处置提供必要的高精度影像资料。同时也可以为生态调查、电子地图生产等提供必要的数据资源。2、所述任务载荷换做摄像机(或摄像头)即可在应急指挥中实现事件现场空中全景接入。该功能主要是在环境应急监测车、环境应急监测船和人员难以到达的情况下，充分发挥无人机平台灵活机动的特点，实时获取事件现场信息。现场决策者在地面通过测控系统可以实时查看污染事件现场的情况，还可以通过控制无人机的飞行高度及方位，调整实时视频监控的角度。3、通过在无人机平台上搭载有毒有害气体检仪，可实现对飞行器所在场所空的气中的特定污染物进行检测和浓度测量。所获取的数据则通过遥测电台，以无线传输的方式实时发送到地面测控与数据处理系统，并进行处理分析，为应急响应提供决策依据。4、通过在飞行器上搭载气象参数检测传感器，可实现对温度、压强、湿度等气象参数的监测，所获取的监测数据通过遥测电台，以无线传输的方式实时发送到地面测控与数据处理系统，并进行处理分析，为应急响应提供决策依据。5、地面测控与数据处理系统可实现对无人机平台的飞行控制，并对监测、监控数据进行分析处理。地面测控与数据处理系统是基于GIS平台开发的，可实现对无人机的航迹显示与远程控制，接收无人机传输的数据，对接收到的数据基于GIS进行展示与空间分析。并结合软件系统的辅助决策分析功能，为应急响应方案(如人员疏散范围)的制定提供依据。本实用新型所需的仪器设备性能如下I、无人机飞行器[0033]无人机飞行器可采用固定翼无人机和无人直升机两种。(I)固定翼无人机标准任务载荷> 15kg、起降抗风能力> 5级、升限5000m、通信距离(无中继)可达20km以上(无遮挡)、带最大任务载荷续航时间> I. 5h。(2)无人直升机最大飞行高度可达2500m以上,最大载荷大于可达20Kg、带最大任务载荷续航时间> Ih。2、多参数有毒有害气体检测仪 电池工作时间> 8小时连续工作，泵吸式采样，采样流速400cc/min，温度-10 +45°C、工作湿度0% 95%相对湿度(无冷凝)。监测指标包括C0、H2S,SO2、NO2、NO、CI2、HCN、NH3> PH3、CIO2、HCl、VOC,指标可扩展，精度Ippm,量程可调节。3、气象参数监测传感器温度测量范围_90°C 50°C ;测量精度小于为0. 30C ;湿度测量范围为0 100% ；测量精度小于为5% ;气压测量范围为500 1050hPa ;测量精度小于为0. 5hPa。通过上述的优选参数可使本实用新型的系统达到最佳的性能。因此，本实用新型的有益效果包括1，本实用新型通过对无人机飞行器平台的改造和对任务载荷组件模块化开发，以及软硬件集成，改善了现有无人机平台兼容任务载荷能力不足的缺点，实现了一机多用。2，本实用新型在突发事件中，可以对污染现场人力无法到达的区域进行航拍、视频监控、有毒有害气体检测和气象参数监测，解决了现有环境应急监测体系在复杂地形条件下难以到达，响应速度不高，监控范围有限的问题，极大的提高了环境应急响应能力。
图I多功能环境应急无人机系统结构图；图2多功能环境应急无人机系统软件功能图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。如图I所示多功能环境应急监测无人机系统，包括包括无人机平台、地面测控与数据处理系统和任务载荷。无人机平台包括固定翼无人机、无人直升机等；地面测控与数据处理系统包括遥测电台、计算机、显示器、遥控电台、硬盘录像机等；任务载荷包括任务载荷包括航拍设备、视频监控设备、气象参数监测仪和多参数有毒有害气体检测仪四类。这4类任务载荷均以组件式模块化设计，可根据需要方便的在无人机平台上灵活选用也可以同时搭载。气象监测仪和多参数有毒有害气体监测仪将监测数据传给转换电路。转换电路与遥测电台连接。通过遥测电台将气象监测数据和气体监测数据传输给地面测控与数据处理系统，地面测控与数据处理系统的计算机对数据进行分析处理。视频监控设备采集的视频监控信息通过遥测电台可实时传输到地面测控与数据处理系统，并进而由地面测控与数据处理系统的显示器进行显示，同时将视频数据存储到硬盘录像机中。地面测控与数据处理系统对无人机平台的飞行控制指令和对任务载荷(有毒有害气体检测仪、气象参数监测仪、航拍设备)的操控指令由地面测控与数据处理系统通过遥控电台发送到无人机的飞行控制系统，并有飞行控制系统将相关指令发送给相应的任务载荷。图2是多功能环境应急无人机系统软件功能图。该软件部署在地面测控与数据处理系统计算机上，是基于GIS平台开发的，可实现对飞行控制、任务载荷设备控制、环境监控数据处理等一体化操作。该软件系统的子系统包括飞行控制子系统、有毒有害气体检测子系统、航拍子系统、视频监控子系统、气象参数监测子系统和现场应急辅助决策支持子系统。其中飞行控制子系统可实现对无人机飞行姿态与航迹的控制；有毒有害气体检测子系统可实现监测信息的实时动态展示与统计分析；航拍子系统可实现航拍图像的管理以及校正、拼接；视频监控子系统可实现视频监控信息的实时查看、历史回放和基于视频图像的烟气黑度判别；气象参数监测子系统可实现气象监测信息的实时动态展示，现场应急辅助决 策支持子系统可实现对环境风险源、应急资源、危化品信息的管理、维护和查询。以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本实用新型，但本领域技术人员应该明白，本实用新型并不局限于以上所述实施例，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作 的任何修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于包括无人机平台、地面测控与数据处理系统和任务载荷；所述无人机平台包括固定翼无人机和/或无人直升机；所述地面测控与数据处理系统包括遥测电台、计算机、显示器、遥控电台和硬盘录像机；所述任务载荷包括航拍设备、和/或视频监控设备、和/或气象参数监测仪、和/或多参数有毒有害气体检测仪。
2.根据权利要求I所述的多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于所述航拍设备、所述视频监控设备、所述气象参数监测仪、所述多参数有毒有害气体检测仪均为组件式模块化设计。
3.根据权利要求I所述的多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于所述多参数有毒有害气体检测检测仪包括能够检测CO、和/或H2SjP /或SO2、和/或NO2、和/或NO、和/或CI2、和/或HCNjP /或順3、和/或PH3JP /或CIO2、和/或HCIjP /或VOC的气体检测传感器。
4.根据权利要求I所述的多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于所述的视频 监控设备包括摄像头、和/或日光型彩色摄像机、和/或微光黑白摄像机、和/或红外热成像摄像机。
5.根据权利要求I所述的多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于所述的气象参数监测仪包括气象参数监测传感器，所述气象参数监测传感器包括温度传感器、和/或湿度传感器、和/或压力传感器。
6.根据权利要求I所述的多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于所述的地面测控与数据处理系统包括测控车、和/或便携式地面站。
7.根据权利要求I所述的多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于所述的无人机平台为飞行器。
8.根据权利要求7所述的多功能环境应急监测无人机系统，其特征在于所述飞行器包括飞艇或气球。
专利摘要一种多功能环境应急监测无人机系统，包括无人机平台、地面测控与数据处理系统和任务载荷；所述无人机平台包括固定翼无人机和/或无人直升机；所述地面测控与数据处理系统包括遥测电台、计算机、显示器、遥控电台和硬盘录像机；所述任务载荷包括航拍设备、和/或视频监控设备、和/或气象参数监测仪、和/或多参数有毒有害气体检测仪。本实用新型通过对无人机飞行器平台的改造和对任务载荷组件模块化开发，以及软硬件集成，改善了现有无人机平台兼容任务载荷能力不足的缺点，实现了一机多用；解决了现有环境应急监测体系在复杂地形条件下难以到达，响应速度不高，监控范围有限的问题，极大的提高了环境应急响应能力。
文档编号G01W1/02GK202481315SQ20112045117
公开日2012年10月10日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者刘锐, 姚新, 谢涛 申请人:中科宇图天下科技有限公司