技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
发明内容
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 同时，本发明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：
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 2.1)在管廊中取已知点作为参考点，参考点坐标Q＝(xq，yq，zq)；
[0020] 2.2)计算ABD、AGPS、PBD、PGPS；
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 其中，
[0025]
[0026] Rq-(i-bd)-C(ti-gps-ti-gpss)＝li，Rq-(i-gps)-C(ti-gps-ti-gpss)＝si[0027] C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；
[0028] 2.3)得到预警无人机最终定位结果Δh；
[0029]
[0030] 其中，
[0031] 本发明与现有技术相比，有益效果是：
[0032] 1.本发明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。
[0033] 2.本发明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。
[0034] 3.本发明采用北斗+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
[0035] 图1为本发明预警无人机省略双层中空流线椭球形结构的示意图一；
[0036] 图2为本发明预警无人机省略双层中空流线椭球形结构的示意图二；
[0037] 图3为本发明预警无人机部分剖开双层中空流线椭球形结构的侧视图；
[0038] 图4为本发明无线充电引导停机坪结构示意图；
[0039] 图5为本发明预警无人机预警与报警信息工作流程示意图；
[0040] 图6为本发明预警无人机中定位单元精确定位流程示意图；
[0041] 图7为本发明预警无人机中气体监测模块工作流程示意图。
[0042] 附图标记：1-通讯模块，2-LED照明灯，3-报警模块，4-气体监测模块，5-充电伸缩杆，6-自控式步进轮，7-起落架，8-无线充电接收器，9-照相机， 10-红外监测模块，11-对流式机载旋翼窗，12-轻型防撞圆杆，13-机载环形示廓灯，14-内层弹性层，15-外层刚性层，16-LED可视化显示屏，17-高转速线性马达，18-机载旋翼，19-无人机主
控制器，20-无人机机架，21-环型示廓引导灯带，22-WiFi引导模块，23-外部电源接入口，24-支撑板，25-角形支架， 26-充电板散热器，27-电能传输电路，28-电池保护板。
具体实施方式
[0043] 以下结合附图和具体
实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
[0044] 如图1至图3所示，本发明提供的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，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、充电单元
和声光报警模块3。
[0045] 无人机主体包括无人机机架20和飞行控制装置，无人机机架20中部为双层中空流线椭球形结构，无人机机架20的外侧端面设置有飞行控制装置，飞行控制装置包括高转速线性马达17和机载旋翼18，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，高转速线性马达17驱动对流式机载旋翼窗11旋转使得无人机运行在飞行状态，无人机动力输出主要依靠六个高转速线性
转子，来承担无人机的空间飞行任务。
[0046] 无人机机架20下端设置有起落架7，起落架7的底端设置有自控式步进轮6，具体为四个带有
石墨烯
橡胶空心滑动滚轮，起落架7主要用于无人机
起飞和降落的支撑保护，减少降落时的超重现象带给无人机监测系统带来的伤害作用。无人机主体的外侧还设置有轻型防撞圆杆12，轻型防撞圆杆12上设置有机载环形示廓灯13，轻型防撞圆杆12具有优秀的碰撞防护功能，能够更好地适应管廊内部的工作场景。
[0047] 本发明无人机的中部结构整体外形为双层中空流线椭球形结构，双层中空流线椭球形结构的内层是具有弹性的矽，外层是坚硬的聚苯乙烯。当内层腔体的空气被吸出时(内部压力减少)，这两层因属性不同，它们在交互作用之下会使
外壳表面出现酒窝似的小凹槽，而反方向的动作则可使小凹槽消失，恢复平滑的表面，当表面出现小凹槽时，可使靠近表面的气流停留久一点，进而减少空气阻力，而这种小凹槽可以透过增减内部压力来控制，所以空气阻力减少的程度也可自由控制。
[0048] 无人机机架20采用
碳纳米管增强镁基轻型
复合材料，使得无人机机架20 具有良好的坚韧性、高
密度、刚性以及强度。双层无人机
机身其内层使用具有弹性的矽，外层使用坚硬的聚苯乙烯，具有强度和
刚度高、
热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强的特点。无人机旋翼上喷涂有机
硅-
丙烯酸酯
树脂荧光材料，使得无人机具有良好的夜间视觉特性，起到一定的警示作用，无人机外表面喷涂有玻璃
纤维减阻涂层，减少电能损耗，保证无人机的长时间工作。
[0049] 本发明无人机上设置有气体监测模块4，气体监测模块4的检测原理是：由于激光在传播过程中其自身的二次谐波信号在不同的气体介质中传播幅值不同，且与气体浓度和种类有关，再经锁相放大检波过程，提取二次谐波信号即可获取目标检测气体浓度及种类信息，整个气体检测过程实现了高
分辨率、快速响应、无间断气体检测。
[0050] 如图7所示，气体监测模块4包括发射单元、接收单元和数据处理单元，主要检测CH4，CO，CO2，H2S，O2浓度，发射单元包括激光器，由于激光发射需要耦合装置才能将光束汇聚到光纤中，同时光路传播过程中
能量和损失较大。为此，采用
波长分别为760nm、2326nm的分布反馈式DFB激光器，其特点是发射激光的线宽较小，功率大，单线光谱信号的提取更加精确。
[0051] 首先由信号控制器控制光
开关选择管廊内气体的激光器工作，激光器在调制信号驱动下发出一束调制激光，经过光纤
准直器汇聚到管廊空间中。激光被管廊空间的气体充分吸收，吸收后的激光信号得到了衰减，该信号通过光纤输送到接收单元，光电
二极管将其光信号转换为电压信号并送入到气体检测单元进行气体浓度检测，最后将检测气体浓度信息传输到管廊内部的控制中心。
[0052] 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；光电探测器接收发射单元发出的光信号，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，即f1＝f2，产生相位差，实现相位锁定得到被检测电压，将被检测电压送到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。
[0053] 本发明气体监测模块利用分布反馈激光器(DFB)的窄线宽和波长调谐等特性来实现气体分子“指纹区”吸收谱线的扫描和测量，这就使得检测精度有了质的提升，其发射单元及接收单元使得检测过程进一步加快，并且发射单元及接收单元在检测过程中有较高的适应恶劣环境的特征，且激光检测本身就具有高精度检测的精确性，因此检测精度较高，且具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快。
[0054] 本发明的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以及设置在管廊中的无线充电引导停机坪，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。
[0055] 如图4所示，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；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，实现充电；电池保护板28 设置在支撑板24上，支撑板24固定设置在墙壁上；角形支架25设置在电池保护板28的下方，且与支撑板24固定连接，用于支撑电池保护板28；充电板散热器
26设置在电池保护板28上，外部电源接入口23设置在支撑板24 上，且与电能传输电路27电连接；环型示廓引导灯带21设置在支撑板24或电池保护板28的侧边上，WiFi引导模块22设置在支撑板24上。
[0056] 无人机
主控制器19检测到无人机电量不足时，无人机系统自动开启WiFi 引导模块，进行路径优化查找最靠近的无线充电引导停机坪，无线充电引导停机坪上的WiFi引导模块22接收到充电信号后，开启WiFi信号引导，将无人机引导降落在无线充电引导停机坪，飞机正常降落后，无人机自控式步进轮6进行微距调整，当充电板完全重合时，开始高功率充电模式100w，双向散热系统开启，分别对无人机及无线充电板进行降温散热工作，当无人机电量充至90％后，无人机主控制器19控制充电功率降至25W，进行涓流充电，保护电池使用寿命。充电完毕后，无人机继续起飞对管廊进行监测工作。整个系统所使用的动力源为新型
石墨烯电池，采用新一代快速充电技术，进行涓流充电保护，石墨烯电池最大的优点是安全性和极高的充电速度。
[0057] 通信模块安装无人机机架20上，通讯模块1为Lora通信模块，双向通信模块对于数据信号有极快的传输速度。无人机工作时，各模块开启进入工作模式，无人机起飞开始线路巡航，无人机主控制器19根据管廊地图、北斗+GPS 双模导航定位信号使得无人机的巡航路线路径最优化，北斗+GPS双模定位单元通过双向Lora通信模块将无人机的实时巡航路线传输到管廊计算机控制监控终端室。
[0058] 无人机主体上还设置有报警模块3，报警模块3包括声音报警器和/或闪光灯报警器，无人机主体上设置有红外监测模块10和照相机9。无人机机架 20上还设置有LED可视化显示屏16和LED照明灯2，LED照明灯2具有长时效的照明寿命、节能、环保体积小等特点，与石墨烯电池互相结合起来的对无人机的长效航程是一种快速提升。同时，无人机主控制器19连接LCD 显示器，并将管廊内部检测信息数据传输给LCD显示器进行实时屏显
[0059] 如图5所示，无人机在正常工作时，DFB型激光器检测CH4、CO、CO2、 H2S、O2气体的浓度，光学烟雾报警器、温
湿度传感器搭载在无人机上，跟随无人机巡航，实时监测管廊内部的易着火的高温点、温湿度、烟雾以及VOC 的浓度，各个传感器的数据流分成两种传输路径：一种路径连接LCD显示器，并将数据传输给LED可视化显示屏16实现屏显；第二路径是通过双向Lora 通信模块将数据传输给管廊计算机控制监控终端。漏点发现后，北斗+GPS定位单元实施准确定位，通过双向Lora通信模块将数据传输给管廊计算机控制监控终端，并进行预报警提醒，维护人员及时对泄漏点作出处理。
[0060] 如图6所示，定位单元包括北斗定位模块和GPS定位模块，无人机在飞行工作开始之前，将管廊管线地图导入无人机控制器中，同时将北斗+GPS双模导航定位信号与管廊地图进行精度调整，保证巡检路线的精确化，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，该定位单元设置在无人机主控制器19上，无人机主控制器19设置在无人机机架20上。本发明提供一种采用北斗+GPS双模定位方法，对无人机进行解算定位，提高其定位精度，以达到对无人机飞行指导和泄漏点位置的实时控制。
[0061] 在无人机飞行过程中，由无人机前段的北斗定位模块和GPS定位模块分别接收来自卫星的定位数据信号，然后通过无人机主控制器对接收到的信号进行捕获和追踪，并对定位数据进行解算，最后进行GPS/北斗定位加权融合，达到精确定位的目的。北斗+GPS双模定位
导航系统同时接收北斗定位导航系统以及GPS系统的卫星信号，根据其单个系统的卫星星历，对所属系统进行分区，北斗双模定位
算法实现对卫星发射信号的时间和位置进行解算，来获取卫星与无人机之间位置的距离信息。但是，在解算过程中，北斗+GPS系统因为其具有各自的时间系统，会产生时间测量值的偏差，应两组伪距观测值才能对用无人机位置进行解算，北斗+GPS双模定位解算方法如下：
[0062] 定位解算方程如下：
[0063] 对于在同一
坐标系下(地球三维直角坐标系)已知卫星的空间坐标(xi， yi，zi)，i—表示卫星序号，i＝1，2，3，4，5，而未知(x，y，z)为信号接收机的位置坐标，根据同一空间坐标系两个空间坐标点的几何距离公式：
[0064]
[0065] Ri—表示卫星与接收机的几何距离，用δtu—表示
时钟偏差的影响值，将偏差值代入下式(2)的伪距测量公式：
[0066] Pi＝Ri+δtu(2)
[0067] Pi—表示卫星i到接收机伪距观测方程，则(2)式可写成(3)式：
[0068]
[0069] 由(3)可分别得GPS模块，北斗模块的伪距观测方程(4)、(5)：
[0070]
[0071]
[0072] 由于定位信号的传播是以光波的形式进行发送，则可以使用单系统时间伪距观测方程表示：Pi*＝C(ti-tj)(6)
[0073] 其中C—表示光速，ti—表示接收机接收到第i个卫星信号的时刻，tj—表示第i个发射信号的时刻，ti-tj表示卫星信号的传播时间。
[0074] 在进行北斗+GPS双系统解算时，由于在同一时刻可以同时接收到分别来自北斗卫星和GPS卫星的信号，因此以GPS卫星的时刻作为基准时间，设定一个未知量δtgps-bd，δtgps-bd为GPS与北斗的时钟差，表示GPS超前北斗的时间程度，tgps—表示GPS的时刻，tbd—表示北斗的时刻，故有下式(7)：
[0075] δtgps-bd＝tgps-tbd (7)
[0076] 将GPS的时刻作为基准时间，(6)中的ti＝ti-gps—表示接收机在接收北斗卫星i信号时的GPS时刻，tj＝ti-bds—表示北斗卫星i的发射信号的时刻，将其分别代入(6)式可得北斗的伪距观测方程，如下式(8)：
[0077] Pi-bd*＝C(ti-gps-ti-bds)(8)
[0078] tj-bds代入(7)式中可得：ti-bds＝ti-gpss-δtgps-bd(9)
[0079] 式(9)中，ti-gpss为表示GPS卫星i发射信号的时刻；
[0080] 将(9)代入(8)式得到式(10)：
[0081] Pi-bd*＝C(ti-gps-ti-bds)＝C[ti-gps-(ti-gpss-δtgps-bd)]＝C(ti-gps-ti-gpss)+Cδtgps-bd(10)
[0082] 再由(6)式可得GPS模块的伪距观测方程(11)：
[0083] Pi-gps*＝C(ti-gps-ti-gpss)(11)
[0084] 又因为(4)＝(10)，(5)＝(11)相等，得到下式(12),(13)；(xi-bd， yi-bd，zi-bd)皆为已知的北斗卫星空间坐标，(xi-gps，yi-gps，zi-gps)皆为已知的 GPS卫星空间坐标：
[0085]
[0086]
[0087] 上(12)和(13)中的C为光速已知，ti-gps,ti-gpss为已知时间量，C(ti-gps-ti-gpss) 也为已知量，将(12)和(13)中相同的函数部分提出，并化简成函数形式得到(14)：
[0088]
[0089] 在管廊中取已知坐标点作为参考点，该参考点的坐标为Q＝(xq，yq，zq)，对于已知的参考点(xq,yq,zq)，(Δx,Δy,Δz)表示无人机的接收机(x，y，z)与该参考点(xq,yq,zq)之间的偏移量，则有：
[0090] 由公式(6)，(3)就可以分别得到q点的时间伪距观测方程和距离伪距方程，又因为两者相等， 式中Pq-i* —表示卫星i到参考点q的伪距方程，又因为参考点δtq＝0，δtq—表示参考点的时钟误差，因此：
[0091] Rq-i—表示q＝(xq，yq，zq)到卫星的空间坐标(xi，yi，zi)的位置的几何距离。
[0092] 对(14)进行泰勒级数展开得到下式(17)
[0093]
[0094] Pq*-Pi*—表示的参考位置的伪距与卫星i的伪距差值，由(17)又可以分别得到GPS和北斗的泰勒展开式方程(18)，(19)式中的
[0095]
[0096]
[0097]
[0098]
[0099] 上式中Rq-(i-bd)—表示北斗卫星i到q点的几何距离，Rq-(i-gps)—表示GPS 卫星i到q点的几何距离,Pq-(i-bd)*—表示北斗卫星i到参考点q的伪距方程， Pq-(i-gps)*—表示GPS卫星i到参考点q的伪距方程，将(18)，(19)
变形后得到(18-1)，(19-1)
[0100]
[0101]
[0102] 令Rq-(i-bd)-C(ti-gps-ti-gpss)＝li,Rq-(i-gps)-C(ti-gps-ti-gpss)＝si(i＝1,2,3,4,5)且其为已知常数项(17-1)，(18-1)可得(i＝1,2,3,4,5)的矩阵方程：
[0103]
[0104]
[0105] 进一步的令 可以的到下式(20)为：
[0106] pcom＝AcomΔM(20)
[0107] 根据最小二乘平差法，求得到并有:
[0108]
[0109] 再由代入代计算公式(15)：
[0110]
[0111] 得到的Δh便为预警无人机最终定位结果，将该数据上传至管廊计算机控制监控终端，可及时准确的发现泄漏点的目标位置。
