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北斗导航基础上的森林消防巡查系统研究

2020-08-14 280 上传者：管理员

摘要：我国已经迈进科技大国行列，许多科研成果位居世界前列，北斗导航系统更是媲美GPS，成为我国一大优势。日常生活中，科技也被人们逐渐应用到生活起居中。除了日常生活中对科技的应用，人们也逐渐的将科技应用到军事、救援等领域。其中，森林火灾便是一大难关，因为森林火灾所需监测范围十分巨大，且存在很大的不确定性，难以做到全方位的实时监测以及救援处理。本文针对以上现象设计了一套基于北斗导航的森林消防巡查系统，该系统利用无人机和地面智能巡查车，采用空地协同技术，以北斗导航系统为核心，将图像采集模块和北斗导航模块的导航与通信技术相结合，进行火情的巡查与信息的采集与发送，通过北斗导航能够实时导航、精准定位的特点以及北斗导航的短报文通信功能，实现无人机和智能车的导航定位以及与地面站的信息交流。本文研究了系统的几个重要组成部分以及硬软件设计，本研究对未来的森林防火等方面有着一定的意义和参考价值。

关键词：
农业航空
北斗导航
巡查系统
无人机
森林消防
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我国领土有大面积的森林覆盖，这大面积的森林面临着很多自然和人为的危害，其中森林火灾就是最大的危害之一。如果森林发生火灾，会造成难以弥补的损失，即使能够及时扑救也会损失大量的资源。所以，必须对森林防火加以重视，有效预防，及时发现，迅速应对，这样才能最大的减少森林火灾的带来的损害。当今，各个国家都在森林消防方面投入了大量的人力物力，也有很多现代化高科技设备投入使用，与时俱进的，我国也投入了大量新型高科技产品以加强森林火灾的监测与处理，可是通过人工智能技术来对森林进行消防工作还并不普遍。

本文提出了基于北斗导航的森林消防巡查系统，无人机和智能地面车各自利用北斗导航模块的实时导航功能进行自主巡查，同时利用OpenMV视觉模块进行图像信息的采集。当一方发现疑似着火点的信息时，利用北斗导航模块的通讯及定位功能，同时将地理信息传输到另一方，从而使另一方前往对着火点信息进行二次确认。当确认发现火情后，无人机与智能地面车能够立刻发出警报，并利用图像传输技术以及北斗导航的通信技术将实时图像和着火点等信息发送至地面基站，基站的工作人员通过发送的信息判断火情，并及时做出应对。而无人机和无人车的空地协同设计可以实时进行连续的动态检测；同时利用智能地面车在地面相应区域进行巡查，针对于空中难以监测以及被障碍物遮挡住的区域进行格外详细的重点巡查，确保在火灾发生的第一时间进行及时的警报提示以及信息反馈。该系统采用北斗导航模块，使定位更加精准快速，同时效率更高，能够将森林火灾带来的损失大幅度降低。

1、系统总体设计

由于森林火灾的特殊性质，面积较大，障碍物较多等，要求本系统的火灾监测具有实时性和高效性，因此本文设计了基于北斗导航的森林消防巡查系统。该系统利用北斗导航模块可以实现对目标区域消防安全信息的实时监控，并将图像信息与北斗导航模块采集的地理信息利用图像传输技术和北斗导航模块的通讯功能实时反馈给地面接收站；当检测到火情信息时，无人机和地面智能车会利用北斗导航模块的通讯功能进行信息交流，并对着火点信息进行二次确认，核实着火信息无误后，系统将火灾着火位置的地理坐标、图像信息、等详细着火点信息传递给基站；各个模块之间相互协调能够很好的实现获取实时环境信息、实时显示着火情况和无线数据传输。系统总体设计原理图如图1所示。

图1系统总体设计原理图

硬件部分设计

避障模块设计

本设计采用红外避障传感器模块E18-D80NK-N，它能够在检测障碍物的同时根据障碍物的大小等情况，调节感应距离。遇到障碍物时，模块改变输出电平，达到避障，探测距离的作用，同时具有受可见光干扰小，性价比高，操作简便等优秀特点。红外避障电路连接图如图2所示。

北斗定位模块设计（UM220-III、MAX3232模块）

UM220模块可以直接用串口线将该模块与用户射频不同的芯片MAX3232模块远程连接，块串口1为主串口，支持数据传输、固件升级功能，输入/输出信号类型为LVTTL电平。默认波特率为9600bps，最高可设为115200bps，串口波特率均可由用户自行配置。要实现模块的通信需选择接口连接方式如图3所示。

水泵驱动模块设计

本文的设计中用一个小水泵把灭火小水枪和小水箱连接起来。通过对水泵提供不同的电压来使水枪射出不同压强的水柱同时配合水枪的灭火角度来达到灭火的目的其驱动电路如图4所示。

2、软件部分设计

火情检测

图2红外避障电路连接图

图3UM220模块的通信接口连接方式

当无人机、无人车顺利到达待检测区域时，利用自身携带的OpenMV视觉检测模块进行对森林火情的实时监测，并配合北斗导航模块采集图像信息并确定地理位置，而系统设置好的执行算法，可以对收集到的信息进行整合，之后通过北斗导航模块的通讯技术与图传技术，实时将信息发送至基站。

无人机或无人车发现着火信息后，会利用北斗导航模块的通讯功能，将坐标信息传递给另一方，另一方会立即前往指定位置进行二次确认，待信息确认后立刻报警，同时将地理坐标和图像信息实时发送至基站，工作人员会根据信息判读做出应对，如果只是小面积着火，系统自带的小型水枪会先行进行处理，处理后确认无危险会解除警报。

无人机自主飞行

本文提到的自主控制基于MAVLink协议，采用Pixhawk飞控板，MAVLink能够实现无人机与地面站（GCS）的通讯，开发较为简单，在很多飞控平台上都进行了非常多的测试，能使控制更为稳定，方便，实现对无人机的自主/半自主的控制。

自主/半自主操作模式，即可按照既定轨迹自主巡航，如遇特殊情况，也可以切换至手动遥控模式。

其中，无人机自动悬停是飞控板将接收到的超声波模块测量的高度信息反馈，控制无人机保持在一定的飞行高度，从而达到使无人机定点悬停的目的。

无人机自主飞行原理图如图5所示。

地面智能车控制原理

智能车采用麦克纳姆轮，这是一种全向轮，能够做到进行灵活方便的全向行进。

图4水泵驱动电路图

图5无人机自主飞行原理图

图6麦轮车速度控制解析图

对智能车的运动模型进行分析：

麦克纳姆轮的智能车速度控制解析图如图6所示。

3、系统分析与测试

系统经过测试，自行设计各部分集成电路板，无人车无人机组装后，启动整套系统，首先对北斗导航模块进行测试，北斗模块可以搜索到4颗以上卫星并成功定位，再将各硬件再逐一测试，能够正常工作后，将系统整合测试，证明整套系统可以较好的完成相关工作，并具有很好的稳定性和时效性。上位机调试操作界面图如图7所示、无线通讯部份调试结果图如图8所示。

图7上位机操作界面图

图8无线通讯部分测试结

4、结束语

本文设计提出了基于北斗导航的森林消防巡查系统，系统正处于运行调试阶段，无人机与地面智能车的协同合作，解决了森林等大型区域的实时火灾检测问题。选用北斗导航模块进行定位处理，能够更加精准，具有更强的抗干扰能力。同时利用北斗导航模块自带的高速通讯功能，可以实现空中地面的相互协同与信息交流。相较于传统的灭火方式，本系统监测范围更广，对传统的监测死角也能做到很好的覆盖，同时采用空地协同二次确认，对火情判断更加准确，同时处理更加及时。通过人工智能技术实现对高危险性工作的完成，既能够实现对检测区域的实时监管，防患于未然，又能在火情发生时能够及时处理，降低损失，对未来消防事业有一定的意义和参考价值。

马溥临,胡立夫,耿家乐,秦宁.基于北斗导航的森林消防巡查系统[J].中国科技信息,2020(15):50-52.

基金:大学生创新项目编号201910143536.