本发明涉及隧道内瓦斯浓度自动监测技术领域，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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本发明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，本发明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，本发明的有益效果是：
1.本发明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.本发明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.本发明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.本发明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的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明隧道内监测范围示意图；
图3为本发明操作步骤简化流程图；
图4为本发明自动监测模块工作流程图；
图5为本发明无线传输单元整体结构示意图。
图中，1、瓦斯监测功能区，2、伸缩装置，3、摄像机，4、照明装置，5、无人机飞行驱动模块，6、高精度瓦斯浓度传感器，7、掌子面，8、碎渣，9、无人机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，是本发明的整体结构示意图，其中，无人机中部为瓦斯监测功能区1、瓦斯监测功能区上方设置有伸缩装置2、瓦斯监测功能区1下方设置有摄像机3及照明装置4、无人机利用无人机飞行驱动模块5进行飞行。
瓦斯监测功能区1包括自动监测单元，无线信号传输单元中的系统信号处理模块，飞行驱动单元中的危险距离感知模块，危险报警单元中的数据处理模块、图像识别模块和自动报警模块。
该监测无人机主要监测隧道内瓦斯浓度。
具体的，如图4所示，基于防爆无人机的瓦斯浓度监测系统，该系统由自动监测单元、无线信号传输单元、飞行驱动单元、危险报警单元组成。该系统的自动监测单元采用瓦斯浓度感知模块、影像采集模块和自动监测模块实现对隧道内瓦斯浓度的监测；该系统的无线信号传输单元采用系统信号处理模块和信号传输模块实现对感知到的瓦斯浓度的信号处理与传输，实现了在隧道内部复杂环境下信号的远距离传输；该系统的飞行驱动单元利用照明模块和危险距离感知模块实现了无人机的安全飞行，使无人机运用无人机飞行模块能够在隧道内复杂环境下安全前进并准确的到达待监测位置；该系统的危险报警单元由数据处理模块、图像识别模块和自动报警模块组成，实现了监测数据异常以及危险情况的自动报警。
瓦斯浓度感知模块是将高精度瓦斯浓度传感器与无人机的合理结合。为了避免无人机的螺旋桨产生的气体流动对瓦斯浓度的干扰，因此要将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，此安全距离为监测安全距离，即高精度瓦斯浓度传感器的探头检测不受无人机螺旋桨产生的气流影响的最小距离。
为实现上述目的采取了以下方案：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，自动伸缩装置的一端与高精度瓦斯浓度传感器6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，该伸缩装置最低伸缩长度是在保证上述监测安全距离条件下的长度。另外，伸缩装置的伸缩长度是操作人员在操作平台上根据无人机的飞行位置及其距待监测位置的距离进行调整的，此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，它取决于上述飞行安全距离和监测安全距离。伸缩装置的伸缩长度调整是操作人员通过影像采集模块传输的影像资料来判断隧道内的情况，以此来确定伸缩长度。采取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是为了避免因隧道内复杂条件而导致无人机不能准确落位带来的不便，以此保证采集数据的准确性。
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操作平台的图像数据库。
自动监测模块利用高精度瓦斯浓度传感器感知待监测区域的瓦斯浓度，为了提高监测的精确性，采用监测精度较高的高精度瓦斯浓度传感器。在监测过程中，如若发现瓦斯异常浓度区域，可利用无人机的悬停功能对该区域进行进一步的精准监测，在该区域增加无人机稳定停留时间，进而延长了对该区域的监测时间，并利用该区域反馈的监测数据与附近相邻区域的监测数据进行对比，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遮挡等无人机不易接近的因素。
该监测系统的无线传输单元由系统信号处理模块与信号传输模块组成。
其中，系统信号处理模块由搭载于无人机上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，内部处理系统可以接收来自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。
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操作平台。同时操作平台的命令也可通过信号处理与传输模块传递至无人机。
该智能监测系统的飞行驱动单元由无人机飞行模块、照明模块和危险距离感知模块组成。
所述无人机飞行模块自身的飞行驱动功能，具有高度的防爆功能，能够较强地适应隧道内的复杂状况，具备较好的续航能力。根据隧道内的复杂情况，如遇到衬砌台车、通风设备等障碍物可通过远程操控进行适时调整飞行路线，该调整需要照明模块与危险距离感知模块的辅助，以便于操作人员的操控。
照明模块是采用光照辐射范围广、亮度较高的led灯。由于隧道内光线较差，尤其掌子面放炮后新成掌子面附近更是一片漆黑。良好的光照亮度将保证无人机摄像机能清楚地拍摄到较为清晰的影像，同时也便于操作人员远距离操控无人机的飞行。另外，也可以通过摄像机传来的影像资料观察隧道内的变化情况，有利于下一步施工的开展。
危险距离感知模块是在无人机上安装距离感知系统，该系统的传感器由超声波传感器和红外遁迹传感器组成。通过舵机转盘的不断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。该模块可把感知到的危险信号通过信息传输模块传输到操作平台并及时发出警报以及时提醒操作人员无人机在飞行中即将遇到危险并避免因隧道内复杂条件而造成操作人员操作失误带来的意外事故。
另外，该模块中需要在监测无人机上安装蜂鸣器。待监测无人机工作时，蜂鸣器发出蜂鸣声，起到提醒周围施工人员的作用。
该智能监测系统的危险报警单元由数据处理模块、图像识别模块、自动报警模块组成。
数据处理模块通过引进专门的数据自动处理程序对数据进行处理，如果发现异常数据及时将异常情况发送到自动报警模块。
图像识别模块通过建立专门的监测图像数据库并采用图像识别技术识别监测中的瓦斯异常区域，并将具体的危险情况发送到自动报警模块。
所述自动报警模块在接收到来自数据处理模块和图像识别模块的信号之后，对危险等级进行评定，并在操作平台上发出相应的报警级别，同时给无线传输单元的信号传输模块反馈信息，并最终传送到系统信号处理模块，系统信号处理模块根据危险情况控制监测无人机的下一步动作。
如图2所示是本发明的隧道内监测范围示意图。瓦斯监测无人机9飞入含有掌子面7、碎渣8的隧道进行监测。
如图3所示，无人机监测系统具体使用步骤如下：
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
(5)一个待监测区域监测完成后继续前进至待监测区域并转入步骤(3)。
(6)所有待监测区域监测完毕后监测无人机返回隧道洞外。
监测无人机自动监测模块的工作流程图如图4所示。在监测过程中，根据待监测区域的位置，操作人员通过操作平台远距离操控监测无人机的飞行路线、飞行速度和悬停位置。同时，摄像机拍摄隧道内尤其是重点待监测区域的实时影像，并通过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将信号传输到操作平台的图像数据库
由于隧道本身结构所具备的狭长特点，zigbee路由器的组网采用簇状网络拓扑结构，如图5所示。簇状网络拓扑结构具有构建网络方便,受环境影响小,成本低等优点，适合隧道施工过程中的快速布设组网。zigbee路由器之间的布设距离为20-40m,以确保机器人在隧道的任意位置都能够保持与操作平台之间的通信。网络协调器主要完成网络初始化及网络的拓扑更新,传输网络信标、管理网络节点及存储网络节点信息,提供关联节点之间的路由信息,存储节点数据设备等。路由器加入zigbee网络后,可以发送、接收或者路由数据,且能够允许其他终端设备(监测无人机)加入网络。
为实现监测无人机在工作过程中监测数据的传输与命令的接收，需要用到无线传输单元，高精度瓦斯浓度传感器监测到的数据首先通过设备接口传输至监测无人机系统信号处理模块，对数据进行初步处理、整合，并通过zigbee无线网络传输系统传输到隧道外部的zigbee协调器，zigbee协调器与gprs模块组成的网关完成zigbee与gprs之间的协议转换，最终将监测数据发送到操作平台。当操作平台发出控制指令时，相关命令通过网关、zigbee网络系统传递至监测机器人附近的zigbee路由器，机器人内系统信号处理模块可以接收来自zigbee路由器的命令信息，并在处理后传递到飞行驱动单元，控制监测无人机的飞行线路、飞行速度、悬停位置以及相关的监测行为等。
为了保证工作过程中监测无人机的安全，采用了危险距离感知模块，该模块利用超声波和红外线提前预知周围环境的原理将危险率降到最低，保证了整个监测过程的顺利进行。在监测无人机飞行和监测过程中，蜂鸣器持续发出蜂鸣声，提醒周围施工人员，避免施工人员误碰监测无人机，影响其正常监测。当监测无人机遇到紧急情况停止工作或者出现故障时，蜂鸣器同时会发出鸣笛生，保证及时有工作人员赶到现场处理问题。
危险报警单元使得负责人能够第一时间了解具体情况，以便及时采取应对措施。在接收到来自信号传输模块的信息之后，监测系统启动数据自动处理程序，对监测数据进行处理。监测无人机在监测过程中，不断拍摄隧道内部不同位置的影像，利用图像数据库以及图像识别技术能够及时发现瓦斯异常浓度区及其周围的环境或其他不良情况。危险报警模块根据异常情况分级及时发出警报，并将异常情况传递给相关人员。
本申请自动监测单元能够对隧道内瓦斯进行自动检测，并且同时获取影像信息。无线传输单元通过利用由路由器组成的簇状网络拓扑结构实现了隧道内部复杂环境下信号稳定传输。飞行驱动单元包括了对监测无人机的飞行线路、飞行速度、悬停位置的操控，并通过蜂鸣器和危险距离感知模块有效保护了设备安全。危险报警单元能够及时发现异常数据、识别危险并自动报警。本发明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。
本申请在应用范围上针对性地应用于瓦斯隧道，考虑到一般情况下，隧道瓦斯浓度低于矿井瓦斯浓度。因此，监测精度要求更高。
应用时段既可以是钻爆法施工放炮后，又可以是在施工过程中随时进行监测。
本申请在结构组成上，本发明在瓦斯浓度感知模块专门配有高灵敏度瓦斯浓度传感器，应用于瓦斯隧道灵敏度更高。
另外，本发明考虑到无人机螺旋桨产生气流对瓦斯浓度的干扰和隧道内部分死角不方便接近监测的原因，设计有自动伸缩装置。
本发明自动报警模块在无人机上设计有报警装置，利用反馈信息及时提醒施工过程中的作业人员及时采取相应的应对措施。
本发明在危险距离感知模块设计有蜂鸣器，持续提醒隧道内作业人员以防止人机碰撞。
本发明在监测过程中会将不同区域内的瓦斯浓度进行对比，提高了数据参考价值。
本发明的反馈系统是将监测无人机的监测信息传递到远程监测平台。同时，远程监测平台经过数据分析后的指令也会传递到监测无人机的自动报警模块。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。