利用火箭散布用于自组网自建坐标地质灾害预警传感器
技术领域
本发明涉及一种利用火箭散布用于自组网自建坐标地质灾害预警传感器。
背景技术
目前，对山体滑坡崩塌及泥石流的预警监控大部分是以点线布置传感器，比如坡表位移传感或深层位移传感布置方式。有的监控点是在曾经爆发过地灾的地点，由于地质应力已释放改变，监控点不一定会是再次爆发灾难的地点，因此传统手段对山体滑坡崩塌及泥石流预警变成了一个山体地质灾害预警的概率事件。
唯有控制具有安全威胁的山体一个段面，将整个山体威胁段面坡表网格化，分布传感器，测得每一块网格化坡体的位移、倾斜、震动、声波等特征，再根据地质条件、气象条件、土壤含水或地下水条件等判别是否会发生山体滑坡崩塌以及泥石流这才能具有真正的全概率预警功用。问题也随之而来,系统传感器的布设需要在陡峭的山坡上进行，坡表或荆棘丛生或陡峭难攀，蛇虫横行，施工条件极差，人工费高昂，效率极低，因此需要解决工程布设的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用火箭散布用于自组网自建坐标地质灾害预警传感器，该传感器能够保证较好的选址精度，能顺利固定在土壤或岩石上的同时能够判断山体或垮塌的固体源移动状态，将山体存在安全威胁段面坡表网格化，并随网格部分的坡体移动，传感器坐标发生改变，从而预估滑坡崩塌的可能性，进行提前预警。
为了实现上述目的，本发明提供一种利用火箭散布用于自组网自建坐标地质灾害预警传感器，包括传感器壳体，传感器壳体内部从上至下依次设置有火箭推进舱、天线舱、发电舱、电池舱和信号处理舱，传感器壳体外部在底端固定连接有导引头，并在发电舱与电池舱之间的部分安装有栅格尾翼；传感器壳体在栅格尾翼以下的部分作为弹体，弹体外侧周向均匀地安装有竖向设置的多个导流翼；
所述的火箭推进舱舱体内安装有火箭发动机，火箭发动机的燃烧室中装有固体燃料和点火器；火箭推进舱的尾部通过开设在传感器壳体上端的拉瓦尔喷口与传感器壳体上端外部连通；所述点火器用于根据控制器的控制进行点火作业；
所述的天线舱舱体内安装有天线，所述天线通过馈线延伸到传感器信号处理单元调制信号板；
所述的发电舱舱体内安装有风力发电机，发电机的转轴上安装有风力叶轮；发电舱通过周向上均匀地开设在传感器壳体上的多个通风口与外部连通，当山坡有风时，叶轮将带动发电机进行发电，将对电池舱蓄电池进行充电，延长传感器野外工作时间；
所述的电池舱舱体内安装有电源模块，电源模块为蓄电池组；所述的电源模块用于为控制器、无线通信模块和震动传感器进行用电的供应，用于接收并储存发电机发出的电量；
所述的信号处理舱舱体内分别安装有控制器、次声波传感器、陀螺仪、加速度计、地磁传感器、土壤水分传感器、震动传感器、UWB长距自组网定位模块、无线通信模块和RFID模块；信号处理舱舱体外于传感器壳体上连接有显示模块，用于查看传感器的参数；所述的次声波传感器用于采集地质滑坡临滑时岩石断裂和土石摩擦或者泥石流运动时产生的次声波信号，并将采集到的次声波信号实时传送至控制器进行信号处理；所述的陀螺仪和加速度计形成惯性测量单元，用于采集传感器随锚固的土体或者岩体运动过程中的角度变化信号和加速度信号，经过解算并将所锚固的土体角度变化信号、速度、位移信号实时发送给信号处理单元，再由自组网的方式将运动状态通知汇聚节点；所述的地磁传感器用于采集传感器本体与东南西北方向信号，并方向信号实时发送给控制器；所述土壤水分传感器用于采集传感器本体所在位置的土壤水分含量信号，并将土壤水分含量信号实时发送给控制器；所述震动传感器用于采集传感器本体周围的土体挤压摩擦产生的震动信号，并将震动信号实时发送给控制器；所述UWB长距自组网定位模块用于采集传感器本体的相对位置信号，并将相对位置信号实时发送给控制器；所述无线通信模块与天线连接，用于建立传感器本体之间、传感器本体与中心站之间的通信连接；所述RFID模块用于识别传感器本体距离无人机的距离信号，并将距离信号实时发送给控制器；所述显示模块用于进行数据的实时显示；
所述控制器用于对接收到的次声波信号进行处理，并判断是否存在异常声波信号，并在存在异常声波信号时通过无线通信模块发出示警信号；用于对接收到的角度信号和加速度信号进行处理并获得传感器本体的运动速度和位移；用于对接收到的倾斜角度信号进行处理并获得传感器本体的倾斜角度；用于对接收到的夹角信号进行处理并获得传感器本体的方位；用于对土壤水分含量信号进行处理并获得土壤的水分含量，并根据传感器本体所在地的地质特性预估滑坡崩塌的可能性，并在可能性大于设定阈值时通过无线通信模块发出预警信号；用于对接收到的震动信号进行处理，并根据处理结果预估滑坡崩塌的可能性，并在可能性大于设定阈值时通过无线通信模块发出预警信号；用于对位置信号进行处理并获得传感器本体的位置信息；用于对距离信号进行处理获得距离值，并在距离值到达设定范围内控制点火器进行点火作业；用于通过无线通信模块与相邻近的传感器本体之间进行交互通信，以将自身的处理数据与相邻近的传感器本体处理数据进行数据交互，同时，根据相邻传感器本体的处理数据进行自身三维坐标的确定；用于通过无线通信模块与中心站之间进行通信连接，并将处理数据发送给中心站；用于通过无线通信模块与无人机之间进行通信连接，并在接收到无人机发送的点火信号后控制点火器进行点火作业；用于控制显示模块对自身处理数据和相邻传感器处理数据的实时显示。
进一步地，所述电源模块的输出线路上设置隔离开关，隔离开关通过拉绳钥匙连接无人机，在拉绳钥匙连接时隔离形状断开；在拉绳钥匙脱离隔离开关时，隔离开关闭合。
进一步地，所述导引头与弹体的下端之间通过锥形体过渡连接。
进一步地，所述导引头的周向上开设有若干个导向凹槽。
进一步地，所述导引头采用硬质合金制成。
本发明通过在传感器壳体内部从上至下依次设置有火箭推进舱、天线舱、发电舱、电池舱和信号处理舱，在传感器壳体外部的尾部设置栅格尾翼、在弹体外侧周向均匀地安装有竖向设置的多个导流翼、在前端导引头与弹体的下端之间通过锥形体过渡连接，使传感器脱离无人机之后能够顺利插入预设位置的土壤或岩石内，且不会整个弹体全部没入地层，保证通信天线的信号正常收发；信号处理舱内设置控制器、次声波传感器、陀螺仪、加速度计、地磁传感器、土壤水分传感器、震动传感器、UWB长距自组网定位模块、无线通信模块和RFID模块，分别用于采集和传送次声波信号、土体角度变化信号、速度信号、信号、土壤水分含量信号、震动信号、位置信号和距离信号，控制器对接收到的信号进行处理和分析，控制点火器进行点火作业，将传感器进行准确的布设，传感器采用采用的是UWB测距方式，通过网络中继协议将数据进行无线路由，传感器采集数据和相对位置坐标信息通过无线路由发送到中心，再通过最靠近中心站的事前精确测量的四个基准地心坐标传感器的位置进行位置反算，从而得到所有的传感器地心坐标，组成网格，当网格某个部分发生了坡体移动，传感器坐标将会产生改变，同时伴随着地声、震动，传感器将采集到的数据实时发送至控制器，控制器对接收到的数据进行实时处理和分析，从而实现了预估滑坡崩塌的可能性，实现了提前预警。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的工作原理框图；
图3是火箭推进舱的剖视图。
图中：1、传感器壳体，2、火箭推进舱，3、天线舱，4、发电舱，5、电池舱，6、信号处理舱，7、导引头，8、栅格尾翼，9、弹体，10、导流翼，11、拉瓦尔喷口，12、通风口，13、锥形体，14、燃烧室，15、固体燃料，16、点火器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种利用火箭散布用于自组网自建坐标地质灾害预警传感器，包括传感器壳体1，传感器壳体1内部从上至下依次设置有火箭推进舱2、天线舱3、发电舱4、电池舱5和信号处理舱6，传感器壳体1外部在底端固定连接有导引头7，并在发电舱4与电池舱5之间的部分安装有栅格尾翼8；传感器壳体1在栅格尾翼8以下的部分作为弹体9，弹体9外侧周向均匀地安装有竖向设置的多个导流翼10；
所述的火箭推进舱2舱体内安装有火箭发动机，火箭发动机的燃烧室14中装有固体燃料15和点火器16；火箭推进舱2的尾部通过开设在传感器壳体1上端的拉瓦尔喷口11与传感器壳体1上端外部连通；所述点火器16用于根据控制器的控制进行点火作业；
所述的天线舱3舱体内安装有天线，所述天线通过馈线延伸到传感器信号处理单元调制信号板；
所述的发电舱4舱体内安装有风力发电机，发电机的转轴上安装有风力叶轮；发电舱4通过周向上均匀地开设在传感器壳体1上的多个通风口12与外部连通，当山坡有风时，叶轮将带动发电机进行发电，将对电池舱蓄电池进行充电，延长传感器野外工作时间；
所述的电池舱5舱体内安装有电源模块，电源模块为蓄电池组；所述的电源模块用于为控制器、无线通信模块和震动传感器进行用电的供应，用于接收并储存发电机发出的电量；
所述的信号处理舱6舱体内分别安装有控制器、次声波传感器、陀螺仪、加速度计、地磁传感器、土壤水分传感器、震动传感器、UWB长距自组网定位模块、无线通信模块和RFID模块；信号处理舱6舱体外于传感器壳体1上连接有显示模块，用于查看传感器的参数；所述的次声波传感器用于采集地质滑坡临滑时岩石断裂和土石摩擦或者泥石流运动时产生的次声波信号，并将采集到的次声波信号实时传送至控制器进行信号处理；所述的陀螺仪和加速度计形成惯性测量单元，用于采集传感器随锚固的土体或者岩体运动过程中的角度变化信号和加速度信号，经过解算并将所锚固的土体角度变化信号、速度、位移信号实时发送给信号处理单元，再由自组网的方式将运动状态通知汇聚节点；所述的地磁传感器用于采集传感器本体与东南西北方向信号，并方向信号实时发送给控制器；所述土壤水分传感器用于采集传感器本体所在位置的土壤水分含量信号，并将土壤水分含量信号实时发送给控制器；所述震动传感器用于采集传感器本体周围的土体挤压摩擦产生的震动信号，并将震动信号实时发送给控制器；所述UWB长距自组网定位模块用于采集传感器本体的相对位置信号，并将相对位置信号实时发送给控制器；所述无线通信模块与天线连接，用于建立传感器本体之间、传感器本体与中心站之间的通信连接；所述RFID模块用于识别传感器本体距离无人机的距离信号，并将距离信号实时发送给控制器；所述显示模块用于进行数据的实时显示；
所述控制器用于对接收到的次声波信号进行处理，并判断是否存在异常声波信号，并在存在异常声波信号时通过无线通信模块发出示警信号；用于对接收到的角度信号和加速度信号进行处理并获得传感器本体的运动速度和位移；用于对接收到的倾斜角度信号进行处理并获得传感器本体的倾斜角度；用于对接收到的夹角信号进行处理并获得传感器本体的方位；用于对土壤水分含量信号进行处理并获得土壤的水分含量，并根据传感器本体所在地的地质特性预估滑坡崩塌的可能性，并在可能性大于设定阈值时通过无线通信模块发出预警信号；用于对接收到的震动信号进行处理，并根据处理结果预估滑坡崩塌的可能性，并在可能性大于设定阈值时通过无线通信模块发出预警信号；用于对位置信号进行处理并获得传感器本体的位置信息；用于对距离信号进行处理获得距离值，并在距离值到达设定范围内控制点火器进行点火作业；用于通过无线通信模块与相邻近的传感器本体之间进行交互通信，以将自身的处理数据与相邻近的传感器本体处理数据进行数据交互，同时，根据相邻传感器本体的处理数据进行自身三维坐标的确定；用于通过无线通信模块与中心站之间进行通信连接，并将处理数据发送给中心站；用于通过无线通信模块与无人机之间进行通信连接，并在接收到无人机发送的点火信号后控制点火器进行点火作业；用于控制显示模块对自身处理数据和相邻传感器处理数据的实时显示。
为避免发动机尾焰直接冲击无人机，所述电源模块的输出线路上设置隔离开关，隔离开关通过拉绳钥匙连接无人机，在拉绳钥匙连接时隔离形状断开；在拉绳钥匙脱离隔离开关时，隔离开关闭合。
为保证传感器更为顺利的插入土体或岩石中，所述导引头与弹体的下端之间通过锥形体13过渡连接。
为减小导引头插入土体或岩石时的阻力并防止插入后在土体或岩石中产生转动，所述导引头的周向上开设有若干个导向凹槽。
为保证导引头的硬度，所述导引头采用硬质合金制成。
为了方便调试保留此显示接口，可以充分知道路由信息，信号强度、接入数量、电池电量、相对坐标和绝对坐标信息、发电充入量、以及坡体异常状况记录；
地磁传感器用于提供传感器安装磁角，获得东南西北定向，以获得土体运动方向，其拥有完整幅度(±1200μT)三周指南针；
陀螺仪和加速度计具体为三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴陀螺仪灵敏度可达到131LSBs/dps，拥有完整幅度的范围(±250,±500,±1000,and±2000dps)；三轴加速度计拥有可编程的完整幅度(±2g,±4g,±8g and±16g)。
当无人机装载传感器飞到目的地后，在一定高度，机械抓手在释放传感器的同时，火箭发动机的保险装置打开，具体的即隔离开关通过拉绳钥匙连接无人机，在拉绳钥匙脱离隔离开关时，隔离开关闭合，同时控制器通过无线通信模块对垂直落下一定距离后的传感器弹体发出指令，启动火箭发动机，火箭发动机采用固体燃料，进行短时间工作，保障在空中将燃料烧尽，可防止地面燃烧引发森林火灾，当弹体通过火箭加速到超音速，到达地面的动能将产生巨大的侵彻力，弹体侵入泥土或者岩石，弹体前部的硬质合金钢为破开地表做保障；
传感器着陆后，其前端没入地表，后端信号处理仓开始与最近的传感器建立通信联系，若能与三个以上的传感器进行联系，那么此传感器就能确定自身的三维坐标，传感器采用的是UWB测距方式，通过网络中继协议将数据进行无线路由，传感器采集的数据和相对位置坐标信息通过无线路由发送到中心，再通过最靠近中心站的事前精确测量的四个基准地心坐标传感器的位置进行位置反算，从而得到所有的传感器地心坐标，进而绘出地貌图。
传感器没入表层以下部分能测得土壤水分，地表震动，土壤的水分含量直接影响土体抗剪切能力，根据当地雨强、土壤水渗透量，地表坡度、地质风化程度，从而预估滑坡崩塌的可能性，提前预警；当网格某一部分发生了坡体移动，传感器坐标将会产生改变，同时伴随着地声，震动，传感器都可一一收集传入中心。
