一种多功能环境监测无人机系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多功能环境监测无人机系统，包括北斗/GPS卫星定位系统和无线传感器网，无线传感器网无线连接3G网络，3G网络分别无线连接地面站和用户，地面站无线连接无人机，北斗/GPS卫星定位系统连接无人机。本实用新型的有益效果是在利用无人机投放节点的基础上对监测节点进行三维定位，在人员难以进入的地区实现无线传感网的快速部署，实现对特殊山地等地形的监测，同时还可以利用无人机携带的摄像头对途经区域进行遥感信息的采集。
【专利说明】一种多功能环境监测无人机系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于环境监测【技术领域】，涉及一种多功能环境监测无人机系统。
【背景技术】
[0002]物联网在生态环境保护方面已有一些应用，基于物联网设计实现的三层网络监测体系，实现了太湖蓝藻预警平台；黄山风景区在智慧黄山景区“十二五”数字化规划中，专门对物联网在黄山风景区的应用作了详细规划。据报道，目前秦岭生态保护建设规划体系已逐步形成，下一步市秦岭办将积极着手建设无线传感器网络系统，提高环境监测、管理的科学化水平。可以预见在今后的秦岭生态保护中，物联网技术将得到深入应用。要实现环境在线监控就需要在点线面源的合适位置上安装各种监测节点，目前环境监测传感器节点的布置主要依靠人工方式进行，秦岭国家级生态功能保护区的总面积约为5.11万平方公里，包括陕西境内的秦岭山区及腹地，整个保护区覆盖面积广阔，地形复杂，许多地区人员进入困难，不可能完全依靠人工方式进行节点布置。
[0003]无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器，具有广阔的应用前景。目前无人机在环境监测中有三个方面的应用:第一，利用无人机进行低空遥感来感知环境变化。美国的综合海洋观测系统(IOOS)中，提出使用无人机对海岸的环境、有害物质等进行监测。“5.12汶川地震”中，在地形复杂的山区，道路和通讯设施损坏，无法获取灾情情况下，相关部门利用无人机携带光学传感器，沿江河走向对地震所产生的山体滑坡、崩塌等地貌变化造成的堰塞湖和相关灾害进行高分辨率、低空遥感的灾害信息获取，为相关部门的抉择提供了准确的依据；第二，在无人机上直接安装专门的传感器来实现环境的感知。中科宇图资源环境科学研究院利用无人机搭载气体监测设备实现对大气环境的监测；第三，利用无人机进行测量设备的空投。
[0004]无人机完成监测节点投放后需要解决节点三维定位问题，定位算法分为基于测距(Range-based)和非测距(Range-free)的定位算法。基于测距的定位算法包括RSS1、T0A、TDOA和AOA ;质心法、DV-Hop, Amorphous、APIT、凸规划和MDS-MAP是目前较常见的非测距定位方法。以上定位算法多为基于二维平面，实际应用时，由于山区、森林、湖泊等地形和环境的限制，传感器节点必须部署在立体的空间中，传统的二维定位显然满足不了，因此对三维空间节点定位算法的研究至关重要。COLA算法借助超级信标节点将三维定位问题用二维空间的三边测量法来解决，减少了计算复杂度，但是超级信标节点的硬件要求高，并且在实际应用中难于部署。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在提供一种多功能环境监测无人机系统，该系统可以将传感器节点投放至指定区域，同时利用无人机作为移动锚节点完成对传感器节点的定位，解决了对于复杂地形进行传感器节点布置和三维定位的问题，同时该系统还可进行遥感信息的采集。[0006]本实用新型所采用的技术方案是包括北斗卫星和无线传感器网，无线传感器网无线连接3G网络，3G网络分别无线连接地面站和用户，地面站无线连接无人机，北斗卫星连接无人机。
[0007]本实用新型的特点还在于无人机包括使用微处理器MCU，MCU分别连接北斗模块、惯性导航器件、数传电台、投放装置、伺服系统和定位装置，定位装置无线连接所述无线传感器网的监测节点，卫星定位模块无线连接北斗模块，数传电台无线连接地面站，无人机上还配有摄像头，摄像头通过无线视频传输设备无线连接所述地面站。投放装置包括固定销，固定销在支架内做平行移动，支架连接连杆，连杆连接曲轴。
[0008]本实用新型的有益效果是在利用无人机投放节点的基础上对监测节点进行三维定位，在人员难以进入的地区实现无线传感网的快速部署，实现对复杂地形的环境监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本实用新型一种多功能环境监测无人机系统的环境监测节点无人机部署和定位系统应用不意图；
[0010]图2是环境监测节点无人机部署和定位系统结构框图；
[0011]图3是系统节点投放装置示意图；
[0012]图4是四边测量法示意图。
[0013]图中，1.北斗卫星，2.无线传感器网，3.3G网络，4.地面站，5.用户，6.无人机，
7.固定销，8.支架，9.连杆，10.曲轴。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0015]如图1所示，包括北斗卫星I和无线传感器网2，无线传感器网2无线连接3G网络3，3G网络3分别无线连接地面站4和用户5，地面站4无线连接无人机6，北斗卫星I连接无人机6，也可采用GPS卫星系统，GPS卫星无线连接无人机6，均可以实现定位。如图2所示，无人机6搭载的主要设备包括使用微处理器MCU，MCU连接北斗模块，也可连接GPS模块实现卫星定位功能、MCU还连接惯性导航器件、数传电台、投放装置、伺服系统和定位装置，定位装置无线连接无线传感器网2的监测节点，卫星定位模块无线连接所述北斗卫星1，数传电台无线连接地面站4，无人机6上还配有摄像头，摄像头通过无线视频传输设备无线连接所述地面站4。如图3所示，投放装置包括固定销7，固定销7在支架8内做平行移动，支架8连接连杆9，连杆9连接曲轴10。
[0016]系统主要由无人机6和地面站4构成，该系统在整个环境监测系统中的应用如图1所示，无人机6先通过导航飞至监测目标区域，投下传感器节点，而后以无人机自身作为锚节点对所部署的传感器节点进行定位，地面站4负责对无人机6下达各种任务，跟踪监视无人机6的动作情况，获得各种信息参数(包括无人机6的飞行数据，完成定位后的无线传感器节点的位置信息，实时的遥感图像等)。传感器节点部署完成后，可组成无线传感网2，即WSN网，通过3G网络3、互联网或通信卫星进行接入供用户使用，从而实现对所部署区域的环境监测任务。
[0017]系统整体架构如图2所示，由无人机6、地面站4、北斗卫星I的定位系统及无线传感网2的监测节点系统构成。无人机6平台包括固定翼无人机和/或无人直升机，无人机6上搭载相应的机械和电子设备来执行任务，采用高性能微处理器作为系统MCU，北斗/GPS模块和惯性导航器件负责提供无人机导航需要的相关信息，伺服系统完成无人机的飞行姿态控制，投放装置完成环境监测节点的投放，定位装置同传感器节点进行通信实现所布置节点的定位，摄像头采集实时图像通过无线视频传输设备供地面站使用。
[0018]地面站4能够接收到无人机6传来的视频信号，同时通过数传电台同无人机6进行双向通信，及时获取相关信息和发布命令，无线通信范围可达数公里，当无线联络失效时，还可以利用北斗卫星I的北斗系统提供的双向短信报文功能完成无人机6和地面站4的通信。地面站4系统采用VC++编写应用程序，主线程负责显示人机界面和信息，子线程负责完成数传电台的通信。系统电子导航地图采用MapInfo组件开发。
[0019]投放装置采用电动脱钩器的方式设计，如图3所示。固定销7在支架8内做平行移动，舵机旋转带动曲轴滑块机构动作，完成固定销7的打开和闭锁。被投放节点带有起吊环，可通过固定销7闭锁后吊起，到达投放区域后，控制舵机旋转打开固定销7完成投放过程。
[0020]传感器节点的三维定位拟采用四边测量法，其模型如图4所示。假设4个锚节点的坐标分别为 Aa (xa, ya, za), Ab (xb, yb, zb), Ac (xc, y。，zc)和 Ad (xd, yd, zd)。未知节点 0 的坐标为(x，y，z)，该未知节点到各锚节点的测量距离分别为da，db，d。和dd，通过求解可以获得未知节点的三维坐标。
[0021]无人机对所部署节点进行定位时，通过路径规划分别飞行至4个不同位置作为锚节点，锚节点的坐标由北斗/GPS定位系统提供，在4个锚节点上采用异步的双边测距算法分别测出与未知节点的距离，计算出未知节点的三维坐标。
[0022]本实用新型一种多功能环境监测无人机系统在环境监测中不但能够完成环境参数的测量、空中遥感，最主要是完成无线传感节点的部署同时完成了无线节点的三维定位，为人员不易到达区域的采集节点的布置提供一种快速有效的解决方案。实现了一机多用。提高了环境监测的应急响应能力。
【权利要求】
1.一种多功能环境监测无人机系统，其特征在于:包括北斗卫星(I)和无线传感器网(2)，无线传感器网(2)无线连接3G网络(3)，3G网络(3)分别无线连接地面站⑷和用户(5)，地面站(4)无线连接无人机(6)，北斗卫星(I)连接无人机(6)。
2.按照权利要求1所述一种多功能环境监测无人机系统，其特征在于:所述无人机(6)包括使用微处理器MCU，MCU分别连接卫星定位模块、惯性导航器件、数传电台、投放装置、伺服系统和定位装置，定位装置无线连接所述无线传感器网(2)的监测节点，卫星定位模块无线连接所述北斗卫星(I)，数传电台无线连接地面站(4)，无人机(6)上还配有摄像头，摄像头通过无线视频传输设备无线连接所述地面站(4)。
3.按照 权利要求1所述一种多功能环境监测无人机系统，其特征在于:所述投放装置包括固定销(7)，固定销(7)在支架⑶内做平行移动，支架⑶连接连杆(9)，连杆(9)连接曲轴(10)。
【文档编号】G01S19/48GK203745655SQ201420061201
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年2月11日 优先权日:2014年2月11日
【发明者】李国柱 申请人:西安文理学院