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科技创新发明论文


科 技 创 新 与 发 明 论

学院:XX 年级:XX 级 专业:XX 学号:XX 姓名:XXX

无人机技术在大型林场中火灾监控的应用 无人机技术的发展近况 20 世纪 80 年代以来,随着计算机技术,通讯技术的迅速发展以 及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面 世,无人机的性能不断提高,应用范围和应用领域迅速

拓展。世界范 围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续 航时间进一步延长,任务载荷不断增重,为长时间、大范围的遥感监 测提供了保障,也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条 件。现在无人机遥感技术可快速对地质环境信息和过时的 GIS 数据 库进行更新、修正、和升级 ,为政府和相关部门的行政管理、土地、 地质环境治理, 提供及时的技术保证。 随着我国改革开放的逐步深入, 经济建设迅猛发展,各地区的地貌发生巨大变迁。以无人驾驶飞机为 空中遥感平台的技术发展起来的新型应用性技术, 能够较好地满足现 阶段我国对航空遥感业务的需求, 利用无人机遥感航拍技术更新的地 理资料对地区的经济建设起到了积极的促进作用。 无人机遥感航拍技 术是各种先进手段优化组合的新型应用技术, 无人机遥感航空技术以 低速无人驾驶飞机为空中遥感平台,用彩色、黑白、红外、摄像技术 拍摄空中影像数据;并用计算机对图像信息加工处理。全系统在设计 和最优化组合方面具有突出的特点,是集成了遥感、遥控、遥测技术 与计算机技术的新型应用技术。 我国林场火灾监控的现状及面临的问题 森林火灾是世界性的林业重要灾害之一, 年年都有一定数量的发

生,造成森林资源的重大损失和全球性的污染灾害。森林火灾具有突 发性和随机性, 且在短时间内能造成很大的损失, 一次一旦发生火灾, 能否及时发现和准确定位就显的格外重要。 目前国内林场已实现部分 数字化和网络化监控, 逐步建立无线远程视频监控系统和火灾监控检 测系统,用无线网传输实时数据,实现同步实时监控,然而受限于监 控的范围及人类生理的的因素,不能在大面积林场应用,且投入费用 较大,费人力物力。正是这些因素的限制使现有的火灾监控系统有或 多或少的漏洞,不能及时有效的发现定位火灾。使林场及火灾监控技 术不能有效降低火灾损害的风险。 该技术创新点及应用前景 本技术以无人机作为平台, 利用现有的红外遥感技术作为无人机 监控的技术支持,利用早起军民结合技术,先期建立数据中转站并利 用中国北斗卫星定位系统建立数字三位坐标, 在利用差分双向修订进 行准确定位,克服地形复杂,气候多变的复杂地理环境,减少人力物 力,扩大监控的范围,同时利用现有的无线传输系统实时将监控火灾 信息传送到林场指挥大厅,使人类及时有效得到火灾信息,做好火灾 预警警报和消防警报,从而更早更快更准地消除火灾的危害,较少森 林资源的损失及环境污染。同时以无人机技术为平台,以数据中转为 数字三位坐标的监控系统具有很大的开放性, 可以移植到海上搜救及 海洋渔业捕捞的监控或考古建筑的三维测量。所以此项技术先进,应 用前景光明。

该技术组成及功能 该技术的组成主要分三大部分,即:监控系统,数字坐标系统, 中央处理系统。 监控系统:此系统主要由两个模块组成,即以无人机为搭载平台的空 中监控系统和以地面远程视频监控系统, 无人机为搭载平台的火灾监 控系统主要选择使用中国民用飞机制造商生产的较为成熟的无人机, 此类无人机要求有一定的稳定性, 和较大的负载能力和较远的续航能 力,同时要求在无人机上改装无线发射系统,使无人机的无线发射系 统的发射信号的能力增强避免在无人机在复杂气候条件下易受干扰 的影响, 无人机搭载的空中监控系统由自动烟火监控器,警报信号发生 器,激光信号发射器,水平高度测试仪,北斗导航信号收发器,微型 计算机。 自动烟火监控器的改造: 在原有火灾监控系统中的自动烟火识别器为 蓝本,进行系统升级保证该机器能在高空、复杂气候条件下对地面火 灾能有效及时探测发现。 警报信号发生器: 该机器要求得到自动烟火监控器的火灾信号时能快 速生成警报信号,并通过机载无线发射器使警报信号及时传输给卫 星,和地信号中转站,通过卫星信号中转传回林场火灾监控大厅。 激光信号发射器:该机器结合自动烟火监控器工作,当自动烟火监控 器探测到火灾燃点时, 激光信号发射器自动开机跟随自动烟火监控探 测点,通过激光信号发射束的间隔时间测量无人机与火灾直线距离。

水平高度测试仪:对机载的水平高度测试仪加以改装,通过传感器记 录无人机实时水平高度数据。 北斗导航信号收发器:实时接收北斗导航卫星的数据信号,将火灾警 报的信号转为卫星信号, 通过卫星传输使其警报及时传回林场火灾监 控大厅,以互补警报信号通过无线传播被干扰的缺陷。 微型计算机:用来计算各种传感器传回的各种数据,比如利用水平高 度测试仪测量的数据和激光脉冲的测量距离计算无人机与火灾的相 对距离。 地面远程视频监控系统由原有的设备和无线接收装备构成, 其中 无线接收装备用于接收无人机发送的火灾警报, 在一定程度上构建起 数据中转站的一部分,以便减少资金投入。 工作示意图如下图所示:
空中监控系统工作示意图 卫星

无人机

激光束

山脉

水平高度

数字坐标系统: 数字坐标系统主要由数据中转站和地面远程视频监控 系统组成,其中数据中转站为主体结构。 数据中转站: 该设备所涉及的技术主要就是八九十年代以美国等西方 国家发展的精确制导巡航导弹的地面定位基站, 在使用之前要先期在 地面建立数据中站站, 并通过地面和太空测量确定这些数据中转站的 精确位置, 建立之后就以这些中转站的位置坐参考形成逐个小范围精 确坐标系,当数据中转站接收到无人机的警报信号时,会记录无人机 的相对方位和距离并将这些数据参数通过卫星传回林场监控大厅的 数字三位地图中, 通过计算机计算相对距离方位角度换算出火灾燃点 位置。 数字坐标系统示意图
无人机 卫 星 数字坐标系统工作简易图

数据中 转站

中央处理系统:中央处理系统主要就是林场的监控系统总成,由中央 计算机、林场无线信号接收站和下属消防巡视等机构组成。 中央计算机: 利用大型计算机为技术支撑快速处理林场各个系统中传 感器传回的各种数据参数, 并将各种结果实时上传到监控屏幕上供林 场工作人员监控。 林场无线信号接收站:其职能主要接受远程无线信号,其中主要是无 人机的机载无线发射机发送的警报信号。 林场下属的消防巡视机构: 为保证在得到火灾警报的第一时刻快速做 出反应,给林场巡视和消防人员配置无线终端接收器,以保证快速接 受指令,并能与林场指挥大厅实现数据共享。 方案实施步骤 一、 对原有的林场通讯设施进行升级换代,将林场的巡视消防等机 构与林场中央数据中心联网,建立无线信号接收站。 二、 购买现有较为成熟稳定的火灾监控器,并对其进行改造,安装 激光信号器和火灾在监控器到无人机中 , 进一步加固无人机抗 复杂气候条件的能力。 三、 通过对原有林场火灾发生的列案分析,运用概率论的相关知识 确定数据中转站的个数,根据有利地形建立数据中转站,使其 经济可靠,减少资金投入。 四、 利用手持卫星测量仪和地面测量仪对所建的数据中转的位置参 数进行精确测量,并将结果输入中央计算机中,建立数据库, 形成三维数字地图。

五、 在林场中遥控飞机进行测试,根据测试结果调整设备使其工作 正常。 方案缺点及技术局限性; 本方案适合应用在大型林场中,尤其所监控地区地理环境复杂,通用 性不好, 在数据中转站的建立时, 对数据中转站信号发射器要求较高, 要保证工作时间长,能耗少,信号强度大等因素,同时由于卫星的轨 道运行,不能保证信息实时传输,对以上问题相信在未来的技术发展 中一定可以解决。 本方案所涉及的应用等创新点由本人构思并代表第一组向大家陈述 方案具体构思原理及优势, 在讨论本方案的具体过程中得到了本组成 员 XX、组长 XXX 同学的一些重要建议,并在方案中的第三模块进 行修改。 通过此次的创新方案的构思讨论让我们的创新能力有一定的 提高,也激发了创新思维,这对我们今后专业的发展有很大的帮助。


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