一种用于积雪爆破的起爆系统及其起爆控制方法

技术领域

本发明涉及积雪爆破技术领域，具体涉及一种用于积雪爆破的起爆系统及其起爆控制方法。

背景技术

在中国的西藏和其他高原地区，山区是非常常见的地形。在这些地区，由于海拔较高，气温较低，下雪的情况往往持续半年之久。长期下雪导致积雪会大量堆积，日积月累下会形成危险的大规模雪崩现象。

雪崩是一种自然现象，当大量的积雪因某种原因如振动、风吹等原因突然崩塌，会形成强大的冲击力和破坏力。这种力量无法被人类抵挡，会对山岭区域的公路、居住地的安全造成威胁。

目前，对于这种雪崩的隐患，当前的想法是提前引发爆破积雪，将雪崩的危害控制在可控的范围内，避免大规模雪崩造成的危害，但是具体如何实施，还没有找到一种有效且实用的处理方式。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于积雪爆破的起爆系统及其起爆控制方法，其在易发生雪崩的位置进行雪量检测后，提前远程对积雪点进行爆破，避免大规模雪崩的发生。

其技术方案是这样的：一种用于积雪爆破的起爆系统，其特征在于，包括通讯连接的：

远距离控制主机，用于发送起爆命令；

起爆控制子机和炸药，所述起爆控制子机分别与所述起爆控制主机和所述炸药相连接；

其特征在于，还包括：

载重无人机，所述载重无人机携带所述起爆控制子机和所述炸药移动到爆破位置；

巡航无人机，所述巡航无人机和所述起爆控制子机分别包括无线通讯模块，所述远距离控制主机的起爆命令通过所述巡航无人机进行信号中继，所述巡航无人机将所述起爆命令转发给所述起爆控制子机进行起爆控制，所述巡航无人机还包括摄像头模块，用于采集图像数据。

进一步的，所述起爆控制子机和所述炸药一体设置，所述载重无人机与所述起爆控制子机和所述炸药之间通过伸缩绳连接，所述伸缩绳连接有所述拉力传感器。

进一步的，所述载重无人机和所述巡航无人机还包括定位模块，用于定位无人机的位置。

进一步的，还包括传感器，所述传感器用于检测积雪状态数据，所述传感器包括电池和无线通讯模块，所述传感器通过载重无人机携带并下放至积雪区域。

进一步的，所述起爆控制子机包括：

电源，所述电源采用耐低温电池，用于供电确保起爆控制子机在雪山上的正常工作；；

电源管理模块，与电源连接，用于管理电源；

无线通讯模块，用于进行无线通讯；

主控模块，用于对所述起爆控制子机的各个模块进行协调，并对信号进行处理；

延时起爆模块，用于带动炸药进行起爆；

雷管控制模块，所述雷管控制模块连接所述主控模块和所述延时起爆模块，用于控制延时起爆模块，对延时起爆模块进行延时、信号通信及起爆控制。

一种用于积雪爆破的起爆系统的起爆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

巡航无人机飞行至积雪区域，通过摄像头模块采集积雪区域的数据，再通过无线通讯模块发送给远距离控制主机；

远距离控制主机与服务器通讯，将巡航无人机采集积雪区域的数据发送给服务器，根据巡航无人机采集的数据确定爆破位置；

载重无人机携带起爆控制子机和炸药移动到爆破位置，通过定位模块检测载重无人机的位置，确保载重无人机到达爆破位置；

载重无人机下放起爆控制子机和炸药，通过拉力传感器检测起爆控制子机和炸药的下落情况，确保与爆破位置的雪面接触，随后解除载重无人机与起爆控制子机和炸药的连接；

远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机，控制炸药同步起爆。

进一步的，所述的远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机，控制炸药同步起爆，包括以下步骤：

远距离控制主机首先发送点名指令给起爆控制子机，起爆控制子机收到点名指令后进行点名应答，远距离控制主机根据起爆控制子机的点名应当情况，发送起爆命令。

所起爆控制子机设置有N台，起爆控制子机解析起爆信号的时间为T0，第一台起爆控制子机转发起爆信号到第二台起爆控制子机的时间为T1，第N-1台起爆控制子机转发起爆信号到第N台起爆控制子机的时间为T(N-1)，设置第N台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时T0+T1时间后起爆，设置第一台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时T0+T1+...+T(N-1)时间后起爆。

进一步的，当处在超远距离信号传输或者山体遮挡位置导致信号无法传输时，远距离主机通过无线通讯模块发送连接命令给巡航无人机，接收连接命令的巡航无人机参与信号中继；

远距离控制主机发送点名指令给巡航无人机和起爆控制子机，巡航无人机和起爆控制子机收到点名指令后进行点名应答，巡航无人机和远距离控制主机根据起爆控制子机的点名应当情况，发送起爆命令；

在有P台巡航无人机参与起爆信号的中继时，远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机进行同步起爆，具体如下执行：

巡航无人机解析起爆信号的时间为M0，第一台巡航无人机转发起爆信号到第二台巡航无人机的时间为M1，第P-1台巡航无人机转发起爆信号到第P台巡航无人机的时间为M(P-1)，第P台巡航无人机转发起爆信号到第1台起爆控制子机的时间为MP，起爆控制子机解析起爆信号的时间为T0，第一台起爆控制子机转发起爆信号到第二台起爆控制子机的时间为T1，第N-1台起爆控制子机转发起爆信号到第N台起爆控制子机的时间为T(N-1)，设置第N台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时M0+M1+...+M(P-1)+MP+T0+T1时间后起爆，设置第一台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时M0+M1+...+M(P-1)+MP+T0+T1+...+T(N-1)时间后起爆。

进一步的，所述的根据巡航无人机采集的数据确定爆破位置，包括以下步骤：

通过巡航无人机采集图像数据，获取积雪区域的积雪状态数据；

将获取的积雪区域的积雪状态数据导入三维雪崩动力学模型,推导出雪板的垂向沉降和薄弱层的应力分布，追踪裂纹尖端位置随时间的变化，从而判断是否需要对积雪区域爆破；

根据三维雪崩动力学模型确定适合爆破的位置，并预估装药量，装药量估计如以下公式：

式中，p

通过能量法以质点峰值振动速度来确定雪山边坡上潜在滑体在爆破振动下是否能引起雪崩。

本发明的用于积雪爆破的起爆系统，采用巡航无人机的视野监控，在易发生雪崩的位置进行图像数据采集，并通过巡航无人机的无线通讯模块将采集的积雪区域的图像数据回传到后端的服务器完成雪量检测，在发现积雪量满足爆破的条件后，载重无人机搭载起爆控制子机和炸药移动到爆破位置，将起爆控制子机和炸药下放完成起爆网络的布置，然后通过远距离控制主机远程发送起爆命令，巡航无人机进行信号中继，起爆控制子机接收起爆命令，控制炸药进行同步爆破，采用炸药的冲击的方式人为的制造雪崩，对积雪进行预先处理，将积雪的危害控制在可控范围内，消弭大规模雪崩的危害。

附图说明

图1为本发明的一种用于积雪爆破的起爆系统的组成框图；

图2为载重无人机连接起爆控制子机和炸药的示意图；

图3为起爆控制子机的模块框图；

图4为巡航无人机的模块框图。

具体实施方式

见图1-3，本发明的一种用于积雪爆破的起爆系统，包括通讯连接的：

远距离控制主机1，用于发送起爆命令；

起爆控制子机2和炸药3，起爆控制子机2分别与起爆控制主机1和炸药3相连接，炸药可以选用电子雷管；

载重无人机4，载重无人机4携带起爆控制子机2和炸药3移动到爆破位置；

巡航无人机5，巡航无人机5和起爆控制子机2分别包括无线通讯模块501、201，远距离控制主机1的起爆命令通过巡航无人机5进行信号中继，巡航无人机5将起爆命令转发给起爆控制子机2进行起爆控制，巡航无人机5还包括摄像头模块502，用于采集图像数据。

见图2，在实施例中，起爆控制子机2和炸药3一体设置，载重无人机4与起爆控制子机2和炸药3之间通过伸缩绳6连接，伸缩绳6连接有拉力传感器7。

载重无人机4包括定位模块，巡航无人机5包括定位模块503，分别用于定位载重无人机4和巡航无人机5的位置，定位模块可以采用GPS、北斗、GLONASS等中的任意一种或者多种结合。

巡航无人机5和起爆控制子机2的无线通讯模块201、501采用移动通讯技术，如4G、5G网络。

见图3，具体在实施例中，起爆控制子机2包括：

无线通讯模块201，用于进行无线通讯；

电源202，电源202采用耐低温电池，用于供电确保起爆控制子机在雪山上的正常工作；；

电源管理模块203，与电源202连接，用于管理电源；

主控模块204，用于对起爆控制子机的各个模块进行协调，并对信号进行处理；

延时起爆模块205，用于带动炸药进行起爆；

雷管控制模块206，雷管控制模块206连接主控模块204和延时起爆模块205，用于控制延时起爆模块205，对延时起爆模块进行延时、信号通信及起爆控制。

实施中的用于积雪爆破的起爆系统在使用时，先采用巡航无人机5采集积雪区域的图像数据，并通过巡航无人机5的定位模块503确定地理坐标位置信息，并通过无线通讯模块501回传给远距离控制主机1，远距离控制主机1再把接收到的积雪区域的图像数据和地理坐标位置信息回传到服务器，在服务器端确认满足爆破条件的爆破位置，随后由载重无人机4将起爆控制子机2和炸药3带至雪山上待制造雪崩的区域，采用定位模块和无线通讯模块对爆破位置进行定点定位，之后再由远距离控制主机1控制起爆。实施中的用于积雪爆破的起爆系统，采用无人机的视野监控，在易发生雪崩的位置进行雪量检测，待到满足一定的积雪量，采用无人机搭载的起爆系统远程对积雪点进行爆破，采用炸药的冲击的方式人为的制造雪崩，对积雪进行预先处理。可以远距离的控制实现人为的制造雪崩，保证工作作业人员的安全，同时达到清理雪山上积雪的问题。同时避免发生出现大规模雪崩的事故问题；巡航无人机采用空中中继的方式，能保证应用环境更加稳定。在山区的情况下，能保证在有遮挡和雪山吸收信号传输的情况下，保证能正常通信。

在一个实施例中，用于积雪爆破的起爆系统还包括传感器，传感器用于检测积雪状态数据，传感器包括电池和无线通讯模块，传感器可以通过载重无人机携带并下放至积雪区域，传感器包括但不限于风雪传感器、雪深传感器、气象传感器，可以配合无人机的采集的图像数据。雪深传感器对雪表面进行距离探测。此类传感器的设计和制造都充分考虑了其在恶劣环境下的可靠性和稳定性，使其能够在各种气候条件下都能提供准确的测量结果。

在本发明的实施例中，还提供了一种上述实施例中的用于积雪爆破的起爆系统的起爆控制方法，包括以下步骤：

步骤1：巡航无人机飞行至积雪区域，通过摄像头模块采集积雪区域的数据，再通过无线通讯模块发送给远距离控制主机；

步骤2：远距离控制主机与服务器通讯，将巡航无人机采集积雪区域的数据发送给服务器，根据巡航无人机采集的数据确定爆破位置；

步骤3：载重无人机携带起爆控制子机和炸药移动到爆破位置，通过定位模块检测载重无人机的位置，确保载重无人机到达爆破位置；

步骤4：载重无人机下放起爆控制子机和炸药，通过拉力传感器检测起爆控制子机和炸药的下落情况，确保与爆破位置的雪面接触，随后解除载重无人机与起爆控制子机和炸药的连接；

步骤5：远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机，控制炸药同步起爆。

具体在实施例中，在步骤1中，巡航无人机飞行至积雪区域，通过巡航无人机自带的摄像头模块采集积雪区域的数据，无人机采用双目视觉摄像的原理，判断现场区域爆破高度，包括积雪区域的图像数据和地理坐标位置信息，再通过无线通讯模块发送给远距离控制主机；

在步骤2中，远距离控制主机与服务器通讯，将巡航无人机采集积雪区域的数据发送给服务器，根据巡航无人机采集的数据确定爆破位置；

其中根据巡航无人机采集的数据确定爆破位置依托于现有的科研技术实现，包括：

通过巡航无人机采集图像数据，获取积雪区域的积雪状态数据；

将获取的积雪区域的积雪状态数据导入三维雪崩动力学模型,推导出雪板的垂向沉降和薄弱层的应力分布，追踪裂纹尖端位置随时间的变化，从而判断是否需要对积雪区域爆破；

对易发生雪崩的位置进行监测，判断是否需要对积雪点爆破，具体地，获取雪崩监测区域的积雪状态数据，易发生雪崩地点通常会设置有传感器监测，积雪状态数据来自巡航无人机采集的图像数据以及传感器检测到积雪状态数据，积雪状态数据的特征值包括但不限于雪层属性(雪板密度、薄弱层厚度)、地形因素(斜坡角度)、裂纹情况(裂纹长度)、温度环境，以此导入三维雪崩动力学模型，三维雪崩动力学模型为现有技术，包括但不限于侧面自由边界雪板雪崩模型、抗裂成核模型、剪切断裂模型、扩展锯齿测试实验模型、数值雪盖模型，推导出雪板的垂向沉降和薄弱层的应力分布，追踪裂纹尖端位置随时间的变化，从而判断是否需要对积雪点爆破。

根据三维雪崩动力学模型确定适合爆破的位置，并预估装药量，装药量估计如以下公式：

式中，p

通过能量法以质点峰值振动速度来确定雪山边坡上潜在滑体在爆破振动下是否能引起雪崩。

在步骤3中，在确定好爆破位置和装药量后，启动载重无人机，载重无人机携带起爆控制子机和炸药移动到爆破位置，通过定位模块检测载重无人机的位置，确保载重无人机到达爆破位置；

在此过程中，在超远距离信号传输或者山体遮挡位置时，导致信号无法传输时，巡航无人机充当远距离的中继站，进行无线信号传输的中继，保证在复杂的环境下，保证能正常起爆雪面。

步骤4：载重无人机控制伸缩绳下放起爆控制子机和炸药，通过拉力传感器检测起爆控制子机和炸药的下落情况，当拉力传感器的数据骤减，代表起爆控制子机和炸药与雪面开始接触，保证模块和炸药跌落地面，雪山是有坡度的，可将起爆网络安排成台阶状，形成台阶起爆网络；起爆控制子机和炸药与雪面接触，保证爆破振动力最大传输给雪面，使雪面松动，从而人为引起雪崩，以达到清理山地积雪的要求，随后解除载重无人机与起爆控制子机和炸药的连接，其通过直接解开伸缩绳；

在步骤5中，具有两种场景：

场景1：远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机，控制炸药的同步起爆，包括以下步骤：

远距离控制主机首先发送点名指令给起爆控制子机，起爆控制子机收到点名指令后进行点名应答，远距离控制主机根据起爆控制子机的点名应当情况，发送起爆命令，点名全部应答，确定通信质量良好，若通信质量良好，继续执行起爆程序，若通信质量不好，远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机，从而带动炸药完成起爆操作；

远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机，实现全部的炸药同时起爆，具体为：

起爆控制子机设置有N台，起爆控制子机解析起爆信号的时间为T0，第一台起爆控制子机转发起爆信号到第二台起爆控制子机的时间为T1，第N-1台起爆控制子机转发起爆信号到第N台起爆控制子机的时间为T(N-1)，设置第N台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时T0+T1时间后起爆，设置第一台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时T0+T1+...+T(N-1)时间后起爆。

场景2：当处在超远距离信号传输或者山体遮挡位置导致信号无法传输时，远距离主机通过无线通讯模块发送连接命令给巡航无人机，接收连接命令的无人机作为目的起爆控制子机，目的起爆控制子机与起爆控制模块通过无线连接，目的起爆控制子机转发起爆信号到起爆控制模块，另一方面通过无线通讯模块发送连接命令给第二台巡航无人机，同理接收连接命令的第二台无人机也作为目的起爆控制子机，转发起爆信号到起爆控制模块，以此类推，巡航无人机覆盖整个积雪区域确保每个起爆控制模块均能接收指令，且起爆控制模块不重复连接作为目的起爆控制子机的无人机；

此时，远距离控制主机发送点名指令给巡航无人机和起爆控制子机，巡航无人机和起爆控制子机收到点名指令后进行点名应答，远距离控制主机根据巡航无人机和起爆控制子机的点名应当情况，发送起爆命令，点名全部应答，确定通信质量良好，若通信质量良好，继续执行起爆程序，若通信质量不好，远距离控制主机发送起爆信号给巡航无人机和起爆控制子机，从而带动炸药完成起爆操作；

远距离控制主机发送起爆信号给起爆控制子机，实现全部的炸药同时起爆，具体为：

当有P台巡航无人机参与起爆信号的中继时，巡航无人机解析起爆信号的时间为M0，第一台巡航无人机转发起爆信号到第二台巡航无人机的时间为M1，第P-1台巡航无人机转发起爆信号到第P台巡航无人机的时间为M(P-1)，第P台巡航无人机转发起爆信号到第1台起爆控制子机的时间为MP，起爆控制子机解析起爆信号的时间为T0，第一台起爆控制子机转发起爆信号到第二台起爆控制子机的时间为T1，第N-1台起爆控制子机转发起爆信号到第N台起爆控制子机的时间为T(N-1)，设置第N台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时M0+M1+...+M(P-1)+MP+T0+T1时间后起爆，设置第一台起爆控制子机在接收到起爆信号后延时M0+M1+...+M(P-1)+MP+T0+T1+...+T(N-1)时间后起爆。

针对不同的远程控制距离的操作场景，可以视情况考虑是否加入巡航无人机进行信号中继。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。