红外热成像无人机观测系统的制作方法

本实用新型涉及无人机应用技术，尤其涉及一种红外热成像无人机观测系统。

背景技术：

近几年，无人机在民用方面的应用越来越多，各国在无人机的民用方面逐渐开放。无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、交通、通信、影视航拍等多个领域。在气象领域，国内马舒庆于1997年首次利用无人驾驶飞机进行了气象探空试验(马舒庆等,1997;1998;1999a; 1999b)。但由于探测时需要无人机在被测点上空盘旋飞行，故仅适合常规场合下的定点测风。2005年，军用TF-1无人机气象探测系统先后完成了原理验证飞行试验、高空长航程考核飞行试验。在国际上，澳大利亚自1995年成功研制出一系列高性能气象无人机，曾多次进行跨越大西洋飞行和南极考察，获得了大量气象数据（《世界无人机大传》编写组,2004）。美国为研究飓风生成情况，NASA将军方原本用于战场的大型高空无人机改造，研制了相关气象无人机对飓风和和热带风暴进行的监视和研究工作。虽然无人机气象探测技术正逐步开始成熟，但目前还仅用于沙漠、山区、海洋等区域，其机动灵活、节约经济的优势，尚未在城市气象观测中充分发挥其用处。

在气象领域，见有中国气象局气象新技术《自控微型无人驾驶飞机遥感试验》实施过程中开展的无人机遥感监测应用成果,包括武鸣县城土地利用遥感调查、武汉东湖水色遥感监测、桂平市蒙圩镇洪涝遥感监测等，另外，见有微小型无人机用于风场测量、区域旱情实时检测。而未见有采用微小型无人机飞控技术、红外遥感技术、超声波测风技术、温湿度传感技术相结合开发可应用于城市冠层气象观测和地表热环境精细化研究的新型气象观测平台。

而现有地面气象观测技术存在着空间分辨率较低的问题；卫星热红外遥感技术又存在空间分辨率和时间分辨率的矛盾，且易受云雨天气的影响。数值模拟技术虽然在一定程度上弥补了现场观测的缺点，但仍然需要地面气象观测与热红外遥感为其提供热环境模拟基础数据与验证资料，且目前大部分数值模式是针对某一气候条件开发而来，通用性较差，故适用性及可信度仍有待进一步校验。因此，当前迫切需要新的观测手段来弥补以上两种手段的不足。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对目前城市热环境逐步恶化问题，但缺少有效的气象观测平台和研究数据的现实问题，提供一种采用红外热传感技术、温湿度传感技术、无人机技术、航拍图像拼接、热传感温度场反演技术等研制了基于微小型无人机的新型城市气象观测系统，实现了对城市中小尺度区域热环境的精细化观测。通过观测数据，可开展城市冠层精细化三维热环境特征研究，评估不同建筑布局和下垫面对热环境的可能影响，有助于加深对城市边界层三维结构认识，满足城市精细化气象服务的需求，同时为合理规划城市、改善大城市热环境和气候质量及促进城市可持续发展提供科学的参考。

一种红外热成像无人机观测系统，包括：

无人机平台、航电系统、图传系统、气象观测设备、地面站，所述的无人机平台与航电系统通信连接，航电系统通过图传系统与地面遥控设备通信连接，所述的无人机平台通过稳定云台与所述的气象观测设备连接，所述的地面站与所述的无人机平台通信连接。

其中， 所述的无人机平台包括无人机、动力装置和供电系统。

其中，所述的无人机为微小型旋翼商用无人机。

其中， 所述的商用无人机为飞行载重3500g，轴距650mm，续航时间40min。

其中， 所述的航电系统包括控制模块、速率陀螺、加速器、电子罗盘、温度传感器、压力传感器、GPS、伺服机构及电源，所述的控制模块分别与所述的速率陀螺、加速器、电子罗盘、温度传感器、压力传感器、GPS、伺服机构及电源连接，所述的控制模块接收速率陀螺、加速器、电子罗盘、温度传感器、压力传感器、GPS传送的信息，对信息处理后传输给各个伺服机构。

其中，所述的气象观测设备包括红外热成像仪，所述的红外热成像仪通过两轴稳定云台与无人机相连。

本实用新型的有益效果：

（1）率先在国内研制出微小型无人机气象观测平台，采用微小型无人机飞控技术、红外遥感技术、计算机图像识别与处理技术相结合开发可应用于城市冠层气象观测和地表热环境精细化研究的新型气象观测平台。

（2）在气象领域率先通过航拍图像拼接技术、热传感温度场反演技术实现对城市中小尺度区域热环境精细化观测。

（3）国内率先利用微小型无人机开展城市冠层多要素三维观测，研究夏季热环境特征，评估不同建筑布局和下垫面对热环境的可能影响，对加深对城市边界层三维结构的认识，满足城市精细化气象服务的需求，同时为合理规划城市及促进城市可持续发展提供科学的参考。

基于无人机的城市小尺度三维立体温度场和红外热传感地热观测等观测技术可推广至全国各地进行气象和城市热岛观测，对于完善中小尺度、特别是小尺度天气系统的监测，为大城市精细化气象预报服务提供更好的支撑，为开展开城市热岛效应等方面研究提供第一手资料，具有广泛的应用推广前景。完成不同功能区的城市冠层精细化三维热环境特征研究，可为城市规划以及城市能源利用调控更好适应气候变化提供科学依据。

附图说明

图1一种红外热成像无人机观测系统的框架图；

图2一种红外热成像无人机观测系统中的航电系统图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种红外热成像无人机观测系统做进一步的说明。

本发明的目的是可以为一定范围内的近地表温度场网格分布提供有效观测手段，通过对多旋翼无人机地热观测平台的观测数据进行分析研究，可得出地热分布规律和主要影响因素，从而为城市热岛效应研究、城市规划建设提供重要数据支撑和参考依据。

一种红外热成像无人机观测系统，如图1所示，包括：

无人机平台、航电系统、图传系统、气象观测设备、地面站，无人机平台与航电系统通信连接，航电系统通过图传系统与地面遥控设备通信连接，所述的无人机平台通过稳定云台与所述的气象观测设备连接，所述的地面站与所述的无人机平台通信连接。

基于无人机技术的大城市气象观测系统以小型多旋翼无人机为载体，结合现代传感器技术、物联网技术、通信技术、自动控制技术和计算机技术，实现城市中小尺度气象环境数据/影像资料的实时采集，并完成观测信息数据的无线远程传输和地面数据分析处理。整个系统总体设计内容包括：无人机空气动力设计、机身设计、气象要素测量和反演、实时数据采集传输、地面站控制与展示等。其中无人机系统主要由无人机平台、航电系统、图传系统、气象观测载荷、地面站软件等组成，具体组成如图1所示。

（1）无人机平台

无人机平台包括无人机、动力装置和供电系统。使用无人机进行城市小尺度气象观测，首先要有稳定的气动性能，尽可能降低飞机本身振动等因素对观测数据的干扰，故本系统的无人机平台选用微小型旋翼商用无人机，该机机身采用铝合金和碳纤维复合结构，飞行载重3500g，轴距650mm，续航时间40min，能精确定点飞行和悬停，有效通信传输距离达3km，可规划航线，自主飞行，可完全满足需求。

（2）航电系统

航电系统完成无人机飞行姿态控制和导航任务，实时接收地面遥控设备通过图传系统发送来的控制指令，同时将无人机各种飞行参数实时通过图传设备传回地面站，如图2所示，航电系统包括控制模块、速率陀螺、加速器、电子罗盘、温度传感器、压力传感器、GPS、伺服机构及电源，控制模块分别与速率陀螺、加速器、电子罗盘、温度传感器、压力传感器、GPS、伺服机构及电源控制链接。其原理如图2所示。其中飞控计算机是控制模块的核心，通过 SPI总线与外部模块连接，控制模块接收无线电传来的指令信号，对信号处理后传输给各个伺服机构，从而控制无人机飞行状态，同时可以采集各个传感器的参数，将参数通过无线电设备传输给地面站。为简化设计，飞控计算机采用了分时通信方式与外部模块连接，减少了外部干扰。飞控程序工作过程为：初始化之后进行数据采集与处理，判断是否自主导航，需要导航则进行导航计算，不需要导航时，则进行遥控指令控制。传感器传回飞行高度数据后，判断是否超出飞行高度方位，当超过高度范围则进行高度控制；然后通过电子罗盘数据判断航向是否发生变化，如果航向发生变化后，进行航向控制；然后进行姿态控制，判断是否执行任务；判断是否紧急情况，是的话进行紧急程序情况处理；然后判断是否降落点，是则进行降落程序，最后进行控制量输出给伺服机构。

（3）图传系统

图传系统包括机载端和地面端。

（4）气象观测设备

气象观测设备主要由红外热成像仪和相应的附属设备构成。其中红外热成像仪通过两轴稳定云台与无人机相连，在姿态传感器的支持下，机载计算机可控制云台使热成像仪主光轴保持与地面水平或垂直，从而获取不同高度层不同视角的地热影像资料，并发送回地面站。

（5）地面站

地面站主要为计算机，包括飞控软件、图传软件和红外反演温度场软件。

A飞控软件负责实时接收、显示无人机的航向、经纬度、高度、俯仰角等飞参信息，并对无人机飞行姿态、路径进行控制，能根据任务需要，自动规划航线，从而使无人机按预定航线自动飞行和采集观测数据。

B图传软件基于android平台开发，主要负责实时接收、推送无人机气象观测载荷传回的图像、视频观测数据，回传至存储服务器。主要功能模块包括：

1、传输日志

系统能够按照指定的要求统计本系统各个功能模块的操作日志信息。用户可在日志管理中查阅。

2、传输配置

为了图片传输的准确性，系统能够配置图片的读取路径及上传路径。读取路径为本机的app图片下载目录。上传路径为FTP地址及登陆账户和密码。

3、传输功能

自动检索目录图片，读取到目录图片后上传至指定的FTP服务器地址文件夹中。系统保持后台自动运行。系统在在运行过程中需实时的检测传输过程，对传输过程中出现的中断、失败、错误等情况进行通知图标报错提醒。

C红外反演温度场软件则负责接收热成像设备传回的影像资料，进行几何校正、拼接、反演生成温度场和各种数据分析等，为开展大城市小尺度气候研究提供直观、精细、准确的数据和影像资料。

目前，随着国内外红外热成像技术的发展和小型民用无人机的逐步普及，恰好为我们提供了一种新的技术途径，通过搭载红外热成像设备的小型多旋翼无人机，使我们可以在短时间内对城市特定区域不同高度层下的地热数据和影像资料进行获取，其具有分辨率高、时效性强、成本低、受天气场地等因素影响小等优点，完全可以和传统方式相结合，成为一种有效的城市热岛研究手段。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。