基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统与方法，防爆无人机平台包括无人机及远程监测平台；所述飞行驱动单元利用危险距离感知模块实现了无人机的安全飞行，使无人机能够在隧道内安全距离条件下前进并准确的到达待监测位置；自动监测单元利用安装在无人机上的瓦斯浓度感知模块、影像采集模块实现对隧道内瓦斯浓度的监测及隧道内影像的拍摄并将采集的数据通过无线信号传输单元传输至远程监测平台；远程监测平台对无人机的运行状态进行控制并对采集的数据进行处理、对采集的图像进行识别，监测数据异常时进行报警；本发明专利技术提供的技术方案能够提高监测精度和效率，同时也能大大提高监测的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统与方法
本专利技术涉及隧道内瓦斯浓度自动监测
，特别是涉及基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统与方法。
技术介绍
目前，公路、铁路建设在西部山岭地区掀起了新的建设高潮。其中很多工程都采用了隧道方案，但要穿过岩性软弱的煤系地区和赋存高压力的煤层瓦斯隧道比较多见。因此，在隧道建设施工过程中必须考虑瓦斯带来的不良影响。一般来说，隧道内发生瓦斯灾害事故几率很小，但是一旦发生瓦斯爆炸或瓦斯突出事故，后果往往十分严重，将造成极大的生命财产损失和极恶劣的社会影响。近年来随着我国在煤系地层中隧道建设的不断增加，安全事故发生的频率也在相应的增加。因此，瓦斯监测也成为现场监控量测中的重点。一般隧道瓦斯监测采用便携式瓦斯检测仪人工监测和瓦斯自动监测系统相结合的方式进行。但是在采用便携式瓦斯检测仪人工检测过程中面临着一些难题和潜在风险。一是瓦斯监测员需要手持便携式瓦检仪只能在有限空间内进行检测，由于高度的限制，存在一些死角未能检测到。二是在“一炮三检”过程中，尤其是掌子面放炮后，新成掌子面前有十多米的废渣区，若要完成掌子面瓦斯浓度检测，瓦斯监测员就必须攀爬穿过废渣到达掌子面前，此过程非常不便并存在安全风险。另外，由于围岩的不稳定，瓦斯监测员贸然接近掌子面会对其生命安全造成极大的危险，不利于准确地检测断面拱顶的瓦斯浓度。采用传统的瓦斯自动监测系统也存在不足之处，一是瓦斯自动监测系统中的高精度瓦斯浓度传感器布置位置较为固定，欠缺灵活性，对一些监测“死角”无能为力，也不能对放炮后的新成掌子面进行及时监测。二是其反馈系统较为单一，不能有效地提供较为及时且有价值的参考和应对措施。以上问题造成的瓦斯浓度漏检或误检都可能会成为发生瓦斯事故的隐患。为解决以上难题，急需一种能随时检测到隧道内任意位置瓦斯浓度并使监测结果更准确、更安全、更方便的瓦斯监测系统。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术目的之一是提供了基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，本专利技术基于防爆无人机平台的瓦斯监测系统，监测结果准确、安全性高、操作简单，能有效减小隧道内因瓦斯浓度变化而带来的潜在危险。基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，所述防爆无人机平台包括无人机及远程监测平台；所述无人机包括有自动监测单元、无线信号传输单元及飞行驱动单元；所述飞行驱动单元利用危险距离感知模块实现了无人机的安全飞行，使无人机能够在隧道内安全距离条件下前进并准确的到达待监测位置；所述自动监测单元利用安装在无人机上的瓦斯浓度感知模块、影像采集模块实现对隧道内瓦斯浓度的监测及隧道内影像的拍摄并将采集的数据通过无线信号传输单元传输至远程监测平台；所述瓦斯浓度感知模块包括高精度瓦斯浓度传感器，所述高精度瓦斯浓度传感器的探头与无人机螺旋桨保持一定的安全距离；所述远程监测平台对无人机的运行状态进行控制并对采集的数据进行处理、对采集的图像进行识别，监测数据异常时进行报警。进一步的，为实现高精度瓦斯浓度传感器的探头与监测无人机螺旋桨保持一定的安全距离，利用自动伸缩装置将高精度瓦斯浓度传感器探头与无人机母体连接起来，所述伸缩装置最低伸缩长度是在保证距离感知系统安全距离条件下的长度。进一步的，所述自动伸缩装置的一端与高精度瓦斯浓度传感器的探头连接，另一端与无人机母体中的瓦斯功能监测区连接，所述自动伸缩装置的伸缩长度是无人机飞行位置与待监测位置的距离之间的距离。进一步的，所述伸缩装置的伸缩长度是根据无人机的飞行位置及其距待监测位置的距离在操作平台上进行调整的。进一步的，所述影像采集模块利用无人机上的摄像机数字影像采集功能在监测过程以及飞行过程中自动拍摄影像，并利用内部的CCD图像传感器将图像转换成电信号，最后利用无线信号传输单元传输到远程监测平台的图像数据库。进一步的，所述无人机在监测过程中，如若发现瓦斯异常浓度区域，利用无人机的悬停功能对该区域进行进一步的精准监测，以便发现瓦斯浓度异常具体的位置；在隧道施工过程中，利用影像采集模块与图像识别模块判别待监测区是否存在无人机不易接近的因素。进一步的，所述无线传输单元由系统信号处理模块与信号传输模块组成；所述系统信号处理模块由搭载于无人机的内部数据处理系统以及ZigBee/GPRS网关组成；无人机内部数据处理系统将监测到的数据进行初步处理、整合，并通过信号传输模块发送到监控平台；此外，无人机内部处理系统接收来自ZigBee路由器的命令信息，并在处理后传递到飞行驱动单元，控制无人机的飞行动作；ZigBee/GPRS网关由协调器将来自ZigBee路由器的数据或GPRS网络的命令进行处理，完成ZigBee协议与GPRS协议之间的转换；所述信号传输模块由搭载于无人机内的频射天线、ZigBee路由器组成的簇状网络拓扑结构及协调器组成；监测数据传输过程中，ZigBee路由器接收无人机发射的数据信号，经路由器组成的簇状网络拓扑结构传递至隧道口的协调器，协调器接收数据后经信号转换传递至远程监测平台，同时远程监测平台的命令也通过系统信号处理模块与信号传输模块传递至无人机。进一步的，所述危险距离感知模块为在无人机上安装的距离感知系统，所述距离感知系统包括超声波传感器、红外遁迹传感器、舵机伺服器、电机驱动装置和稳压装置，舵机转盘在舵机伺服器、电机驱动装置和稳压装置作用下扫描带动超声波不断对周围环境加以判断和确认达到更为精确的反应；红外遁迹传感器通过红外线的发射和接收来确定周围是否有遮挡物；所述危险距离感知模块把感知到的危险信号通过无线传输单元传输到远程监测平台并及时发出警报。基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测方法，包括：对隧道内瓦斯浓度监测前将无人机放置在隧道外预先设计的起始点，启动瓦斯监测工作模式；无人机起飞，并按照预想设计好的飞行路线飞入隧道内部，根据隧道内部的情况适时调整飞行路线；到达待监测区域，根据待监测区域内的具体位置，合理地调整伸缩装置的伸缩长度；在待监测区域进行巡航时监测，同时数据通过无线传输单元传输至操作平台；一个待监测区域监测完成后继续前进至另一个待监测区域并继续监测；所有待监测区域监测完毕后监测无人机返回隧道洞外。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术由瓦斯浓度感知模块、影像采集模块和自动监测模块组成的自动监测单元能够在无人机到达指定位置之后进行自动、采集数据。这不仅提高了监测效率、监测精度，而且节约了人力，避免了瓦斯监测人员在多粉尘、多有害气体等不良条件下工作对身体的损害，排除了因瓦斯浓度异常带来火灾、爆炸等潜在危险。2.本专利技术利用无线信号传输模块的系统信号处理模块可以对监测数据进行初步处理，并能够控制监测无人机的飞行。信号传输模块利用由路由器组成的簇状网络拓扑结构解决了无线信号在复杂条件下长距离传输不稳定的问题，保证了信号传输的可靠性，因此可以实现监控中心对监测无人机的远程实时控制。3.本专利技术飞行驱动单元的危险距离感知模块能够提前感知监测无人机周围的环境，保证监测无人机在飞行、监测过程中免受意外伤害，同时蜂鸣器发出的蜂鸣声可以提醒周围的施工人员。4.本专利技术危险报警单元能够及时将瓦斯浓度异常情况发送到操作平台，以便相关人员及时发现，并及时采取相应的措施，有效避免了灾害的发生。附图说明构成本申请的一部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，其特征是，所述防爆无人机平台包括无人机及远程监测平台；所述无人机包括有自动监测单元、无线信号传输单元及飞行驱动单元；所述飞行驱动单元利用危险距离感知模块实现了无人机的安全飞行，使无人机能够在隧道内安全距离条件下前进并准确的到达待监测位置；所述自动监测单元利用安装在无人机上的瓦斯浓度感知模块、影像采集模块实现对隧道内瓦斯浓度的监测及隧道内影像的拍摄并将采集的数据通过无线信号传输单元传输至远程监测平台；所述瓦斯浓度感知模块包括高精度瓦斯浓度传感器，所述高精度瓦斯浓度传感器的探头与无人机螺旋桨保持一定的安全距离；所述远程监测平台对无人机的运行状态进行控制并对采集的数据进行处理、对采集的图像进行识别，监测数据异常时进行报警。

【技术特征摘要】
1.基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，其特征是，所述防爆无人机平台包括无人机及远程监测平台；所述无人机包括有自动监测单元、无线信号传输单元及飞行驱动单元；所述飞行驱动单元利用危险距离感知模块实现了无人机的安全飞行，使无人机能够在隧道内安全距离条件下前进并准确的到达待监测位置；所述自动监测单元利用安装在无人机上的瓦斯浓度感知模块、影像采集模块实现对隧道内瓦斯浓度的监测及隧道内影像的拍摄并将采集的数据通过无线信号传输单元传输至远程监测平台；所述瓦斯浓度感知模块包括高精度瓦斯浓度传感器，所述高精度瓦斯浓度传感器的探头与无人机螺旋桨保持一定的安全距离；所述远程监测平台对无人机的运行状态进行控制并对采集的数据进行处理、对采集的图像进行识别，监测数据异常时进行报警。2.如权利要求1所述的基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，其特征是，为实现高精度瓦斯浓度传感器的探头与监测无人机螺旋桨保持一定的安全距离，利用自动伸缩装置将高精度瓦斯浓度传感器探头与无人机母体连接起来，所述伸缩装置最低伸缩长度是在保证距离感知系统安全距离条件下的长度。3.如权利要求2所述的基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，其特征是，所述自动伸缩装置的一端与高精度瓦斯浓度传感器的探头连接，另一端与无人机母体中的瓦斯功能监测区连接，所述自动伸缩装置的伸缩长度是无人机飞行位置与待监测位置的距离之间的距离。4.如权利要求2所述的基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，其特征是，所述伸缩装置的伸缩长度是根据无人机的飞行位置及其距待监测位置的距离在操作平台上进行调整的。5.如权利要求1所述的基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，其特征是，所述影像采集模块利用无人机上的摄像机数字影像采集功能在监测过程以及飞行过程中自动拍摄影像，并利用内部的CCD图像传感器将图像转换成电信号，最后利用无线信号传输单元传输到远程监测平台的图像数据库。6.如权利要求1所述的基于防爆无人机平台隧道瓦斯自动监测系统，其特征是，所述无人机在监测过程中，如若发现瓦斯异常浓度区域，利用无人机的悬停功能对该区域进行进一步的精准监测，以便发现瓦斯浓度异常具体的位置；在隧道施工过程中，利用影像采集模块与图像识别模块判别待监测区是否存在无人机不易接近的因素。7.如权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，屈聪，薛翊国，邱道宏，王磊，王文峰，李广坤，李欣，马新民，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37