用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统及定位方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机及定位方法，解决现有技术虽可以对城市地下管廊进行监测预警，但无法及时高效实施动态监测预警过程的问题。该系统包括无人机主体以及设置在无人机主体上的气体监测模块、通讯模块、定位单元和充电单元；无人机主体包括无人机机架和飞行控制装置；飞行控制装置包括机载旋翼和高转速线性马达，高转速线性马达驱动机载旋翼工作，机载旋翼设置在无人机机架上的对流式机载旋翼窗中；气体监测模块用于检测气体浓度信息，包括发射单元、接收单元和数据处理单元；定位单元包括北斗定位模块和GPS定位模块；充电单元包括设置在无人机机架上的无线充电接收器以及设置在管廊中的无线充电引导停机坪。

Laser Spectrum Telemetry and Early Warning UAV System and Location Method for Integrated Pipeline Gallery

【技术实现步骤摘要】
用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统及定位方法
本专利技术涉及城市管廊监测领域，具体涉及一种用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统及定位方法。
技术介绍
地下管网是城市的重要基础设施，是城市的生命线。随着城市智慧管廊的不断建设，对城市智慧管廊微环境的监测也显得异常重要，这对确保城市智慧管廊的可靠性是一种巨大的提升。现有的综合管廊监测技术中，主要为应用分布式光纤管线预警系统，其主要依靠在管廊内部管道同沟敷设的通信光缆空余纤芯作为传感介质，感知管道沿线的振动信号，对管道沿线入侵事件进行识别，实现对管道的监测、定位、预警，但是此种技术应用的是点监测方式，其监测过于分散化、监测范围有限、存在盲区、监测精度差且无法实施动态的监测预警过程。微型无人机是一种易控型无人飞行器，其航程长，能够长时间高精度的悬停在空中，长期以来无人机的用途限制于监控和拍摄，其只针对于特定目标进行“查”和“看”，性能过于单一化。此外，现有无人机监测系统多采用体形较大的机架，不利于管廊内部有效检测，且其反应慢、数据传输存在延迟、飞行航程较短，导致其监测精度较差。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统及其定位方法，以解决现有技术虽可以对城市地下管廊进行监测预警，但无法及时高效实施动态监测预警过程，可能造成由于报警不及时而引发的重大事故(例如管道内爆，电气火灾)，从而影响综合管廊的安全运行的问题。本专利技术的技术解决方案如下：一种用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统，包括预警无人机和无线充电引导停机坪，所述预警无人机包括无人机主体以及设置在无人机主体上的气体监测模块、通讯模块、定位单元和充电单元；所述无人机主体包括无人机机架和飞行控制装置，所述无人机机架的中部为双层中空流线椭球形结构，所述双层中空流线椭球形结构包括内层弹性层和外层刚性层；所述飞行控制装置包括机载旋翼和高转速线性马达，所述高转速线性马达驱动机载旋翼工作，所述机载旋翼设置在无人机机架上的对流式机载旋翼窗中；所述气体监测模块用于检测气体浓度信息，包括发射单元、接收单元和数据处理单元；所述发射单元包括激光器发生器；所述接收单元包括光电探测器、相位比较器、锁相放大器、压控振荡器和A/D转换器；光电探测器接收激光器发出的光信号，将光信号转换为输入信号Ui并送入相位比较器，相位比较器将输入信号Ui与初始设定电压信号U0进行相位比较得到误差电压UΨ，并将该误差电压UΨ输入锁相放大器进行滤波处理得到控制电压Ud，控制电压Ud加载至压控振荡器，压控振荡器调整控制电压Ud的频率到f2，使其逼近输入信号频率f1，调频后的控制电压被输入至相位比较器，相位比较器使得调频后控制电压和输入电压Ui的频率相等，产生相位差，实现相位锁定得到被检测电压，该被检测电压输入A/D转换器，A/D转换器将电信号转换为数字信号并输出给数据处理单元得到气体浓度值；所述定位单元包括北斗定位模块和GPS定位模块；所述北斗定位模块和GPS定位模块实时监测无人机的位置并指导无人机飞行；所述通讯模块用于无人机与管廊计算机控制监控终端室进行双向通讯；所述充电单元包括设置在无人机机架上的无线充电接收器，所述无线充电引导停机坪设置在管廊中，所述无线充电接收器和无线充电引导停机坪通过无线充电方式实现无人机的充电。进一步地，所述内层弹性层是矽层，外层刚性层是聚苯乙烯层；所述无人机机架外表面喷涂有减阻涂层。进一步地，所述无线充电引导停机坪包括支撑板、角形支架、电能传输电路、电池保护板、充电板散热器、外部电源接入口、环型示廓引导灯带和WiFi引导模块；所述电能传输电路设置在电池保护板上，与无人机机架上的无线充电接收器配合，实现无人机充电；所述电池保护板设置在支撑板上，所述支撑板固定设置在墙壁上；所述角形支架设置在电池保护板的下方，且与支撑板固定连接，用于支撑电池保护板；所述充电板散热器设置在电池保护板上，用于散热，所述外部电源接入口设置在支撑板上，且与电能传输电路电连接；所述环型示廓引导灯带设置在支撑板或电池保护板的侧边上，所述WiFi引导模块设置在支撑板上。进一步地，所述无人机机架的下端设置有起落架，所述起落架的底端设置有自控式步进轮，所述激光器为分布反馈激光器。进一步地，所述无人机主体上还设置有报警模块，所述报警模块包括声音报警器和/或闪光灯报警器，所述无人机主体上还设置有红外监测模块和照相机。进一步地，所述无人机主体的外侧还设置有轻型防撞圆杆，所述轻型防撞圆杆上设置有机载环形示廓灯。进一步地，所述无人机机架上还设置有LED可视化显示屏和LED照明灯。进一步地，所述气体监测模块还包括设置在无人机主体上的光学烟雾报警器和温湿度传感器。进一步地，所述通讯模块为Lora通信模块，所述无线充电接收器通过充电伸缩杆设置在无人机机架上。同时，本专利技术还提供一种基于上述用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统的定位方法，包括以下步骤：1)北斗定位模块和GPS定位模块分别获取预警无人机的位置信息，其中，(xi-bd，yi-bd，zi-bd)为北斗卫星空间坐标，(xi-gps，yi-gps，zi-gps)为GPS卫星空间坐标，其中i—表示卫星序号，i＝1，2，3，4，5；2)将步骤1)的坐标进行处理得到预警无人机最终定位结果Δh；2.1)在管廊中取已知点作为参考点，参考点坐标Q＝(xq，yq，zq)；2.2)计算ABD、AGPS、PBD、PGPS；其中，Rq-(i-bd)-C(ti-gps-ti-gpss)＝li，Rq-(i-gps)-C(ti-gps-ti-gpss)＝siC为光速；ti-gps—表示接收机在接收第i个北斗卫星信号时的GPS时刻；ti-gpss为表示第i个GPS卫星发射信号的时刻；2.3)得到预警无人机最终定位结果Δh；其中，本专利技术与现有技术相比，有益效果是：1.本专利技术预警无人机采用双层中空流线椭球形结构，搭载气体监测模块，结合自主巡航，对城市综合管廊实现快速精确的点位信息监测预警，并且通过LORA通讯模块将监测数据实时传向管廊控制中心，实现对城市综合管廊快速、准确、及时、高效、直观的监测预警；北斗+GPS双模定位单元，可有效提高定位单元的定位精度：无线充电引导停机坪对于无人机的弱电量情况下进行引导降落，高功率无线充电，以实现全天候的监测预警。2.本专利技术无人机采用双层中空流线椭球形结构，可减少空气阻力，无人机机架外表面喷涂有减阻涂层，可减少电能损耗，保证无人机的长时间工作。3.本专利技术采用北斗+GPS双模定位单元，实现高精度定位工作，对于广度较大的空间定位采用GPS定位巡航，管廊内部低维定位采用北斗精确定位，北斗+GPS双模的定位方法将泄漏点的定位精度进一步得到提升，双模定位相互补充，从而实现对无人机进行实时飞行轨迹指导和调整以及位置信息的高精度定位。附图说明图1为本专利技术预警无人机省略双层中空流线椭球形结构的示意图一；图2为本专利技术预警无人机省略双层中空流线椭球形结构的示意图二；图3为本专利技术预警无人机部分剖开双层中空流线椭球形结构的侧视图；图4为本专利技术无线充电引导停机坪结构示意图；图5为本专利技术预警无人机预警与报警信息工作流程示意图；图6为本专利技术预警无人机中定位单元精确定位流程示意图；图7为本专利技术预警无人机中气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统，其特征在于：包括预警无人机和无线充电引导停机坪，所述预警无人机包括无人机主体以及设置在无人机主体上的气体监测模块(4)、通讯模块(1)、定位单元和充电单元；所述无人机主体包括无人机机架(20)和飞行控制装置；所述无人机机架(20)的中部为双层中空流线椭球形结构，所述双层中空流线椭球形结构包括内层弹性层(14)和外层刚性层(15)，所述飞行控制装置包括机载旋翼(18)和高转速线性马达(17)，所述高转速线性马达(17)驱动机载旋翼(18)工作，所述机载旋翼(18)设置在无人机机架(20)上的对流式机载旋翼窗(11)中；所述气体监测模块(4)用于检测气体浓度信息，包括发射单元、接收单元和数据处理单元；所述发射单元包括激光器；所述接收单元包括光电探测器、相位比较器、锁相放大器、压控振荡器和A/D转换器；光电探测器接收激光器发出的光信号，将光信号转换为输入信号Ui并送入相位比较器，相位比较器将输入信号Ui与初始设定电压信号U0进行相位比较得到误差电压UΨ，并将该误差电压UΨ输入锁相放大器进行滤波处理得到控制电压Ud，控制电压Ud加载至压控振荡器，压控振荡器调整控制电压Ud的频率到f2，使其逼近输入信号频率f1，调频后的控制电压被输入至相位比较器，相位比较器使得调频后控制电压和输入电压Ui的频率相等，产生相位差，实现相位锁定得到被检测电压，该被检测电压输入A/D转换器，A/D转换器将电信号转换为数字信号并输出给数据处理单元得到气体浓度值；所述定位单元包括北斗定位模块和GPS定位模块；所述北斗定位模块和GPS定位模块实时监测无人机的位置并指导无人机飞行；所述通讯模块(1)用于无人机与管廊计算机控制监控终端进行双向通讯；所述充电单元包括设置在无人机机架(20)上的无线充电接收器(8)，所述无线充电引导停机坪设置在管廊中，所述无线充电接收器(8)和无线充电引导停机坪通过无线充电方式实现无人机的充电。...

【技术特征摘要】
1.一种用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统，其特征在于：包括预警无人机和无线充电引导停机坪，所述预警无人机包括无人机主体以及设置在无人机主体上的气体监测模块(4)、通讯模块(1)、定位单元和充电单元；所述无人机主体包括无人机机架(20)和飞行控制装置；所述无人机机架(20)的中部为双层中空流线椭球形结构，所述双层中空流线椭球形结构包括内层弹性层(14)和外层刚性层(15)，所述飞行控制装置包括机载旋翼(18)和高转速线性马达(17)，所述高转速线性马达(17)驱动机载旋翼(18)工作，所述机载旋翼(18)设置在无人机机架(20)上的对流式机载旋翼窗(11)中；所述气体监测模块(4)用于检测气体浓度信息，包括发射单元、接收单元和数据处理单元；所述发射单元包括激光器；所述接收单元包括光电探测器、相位比较器、锁相放大器、压控振荡器和A/D转换器；光电探测器接收激光器发出的光信号，将光信号转换为输入信号Ui并送入相位比较器，相位比较器将输入信号Ui与初始设定电压信号U0进行相位比较得到误差电压UΨ，并将该误差电压UΨ输入锁相放大器进行滤波处理得到控制电压Ud，控制电压Ud加载至压控振荡器，压控振荡器调整控制电压Ud的频率到f2，使其逼近输入信号频率f1，调频后的控制电压被输入至相位比较器，相位比较器使得调频后控制电压和输入电压Ui的频率相等，产生相位差，实现相位锁定得到被检测电压，该被检测电压输入A/D转换器，A/D转换器将电信号转换为数字信号并输出给数据处理单元得到气体浓度值；所述定位单元包括北斗定位模块和GPS定位模块；所述北斗定位模块和GPS定位模块实时监测无人机的位置并指导无人机飞行；所述通讯模块(1)用于无人机与管廊计算机控制监控终端进行双向通讯；所述充电单元包括设置在无人机机架(20)上的无线充电接收器(8)，所述无线充电引导停机坪设置在管廊中，所述无线充电接收器(8)和无线充电引导停机坪通过无线充电方式实现无人机的充电。2.根据权利要求1所述用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统，其特征在于：所述内层弹性层(14)是矽层，外层刚性层(15)是聚苯乙烯层；所述无人机机架(20)外表面喷涂有减阻涂层。3.根据权利要求2所述用于综合管廊的激光光谱遥测预警无人机系统，其特征在于：所述无线充电引导停机坪包括支撑板(24)、角形支架(25)、电能传输电路(27)、电池保护板(28)、充电板散热器(26)、外部电源接入口(23)、环型示廓引导灯带(21)和WiFi引导模块(22)；所述电能传输电路(27)设置在电池保护板(28)上，与无人机机架(20)上的无线充电接收器(8)配合，用于无人机充电；所述电池保护板(28)设置在支撑板(24)上，所述支撑板(24)固定设置在墙壁...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟峰，赵向涛，文虎，翟小伟，白磊，程方明，刘宝，田晴，李钊，路翠珍，
申请(专利权)人：西安科技大学，西安捷锐消防科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61