CN106970639A - 一种基于无人机平台的港口实景监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机平台的港口实景监控系统及方法，系统包括无人机平台分系统与地面指挥测控分系统；无人机平台分系统对港口各区域进行全方位、零死角、近距离、可跟踪目标的实时监控；地面指挥测控分系统用于控制无人机平台分系统工作，并接收、分析无人机平台分系统采集的信息。本发明以四旋翼无人机平台为载体，利用其结构简单、可悬停避障、可携带任务载荷的特点，对传统的模拟监控产品设备或网络高清监控设备由于因视觉盲区、天气环境、维护更新等因素造成的缺陷，对港口各区域进行全方位、零死角、近距离、可跟踪目标的实时监控任务。

Description

一种基于无人机平台的港口实景监控系统及方法

技术领域

本发明属于港口实景监控技术领域，涉及一种实景监控系统及方法，具体涉及一种基于无人机平台的港口实景监控系统及方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，全球经济一体化的发展对河运、海运的依赖性也日益提高，使得港口成为了大型货运物流周转核心。港口的规模日益扩大，其安全管理要求也愈发严格。现代港口包括船只停泊区、货物装卸区、货物堆场区、公共设施区等，尤其是港口大型起重机，其安全规范要求较高，设备的安全运行关系着港口企业的命脉。此外，各个区域结构复杂，设备昂贵且种类多样化，对防火、防盗等也有着相应的严格要求。现阶段港口的实景监控系统采用传统的模拟监控产品设备或网络高清监控设备，但是存在以下缺陷：

(1)港口面积大，区域结构复杂，监控布点分布数量多且难度大，难免会存在布点与视觉盲区，无法达到港口监控全覆盖；

(2) 传统的模拟监控产品设备或网络高清监控设备的摄像头安装好之后无法移动只能在一定限度内转动，无法跟随移动目标进行跟踪监控；

(3)港口紧挨河流、海湾，水汽重湿度大，容易产生大雾天气，加之随着工业化进程产生的雾霾天气问题。从而降低监控设备的能见度与图像对比度，显示较低的画面品质等问题，监控设备的实用性受到了很大的影响；

(4)由于港口所处环境恶劣，常年处于高温度、高湿度、高盐雾环境下的监控电子设备容易产生损伤，其更新换代过程需要耗费大量人力物力财力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于无人机平台的港口实景监控系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是： 一种基于无人机平台的港口实景监控系统，其特征在于：包括无人机平台分系统与地面指挥测控分系统；所述无人机平台分系统对港口各区域进行全方位、零死角、近距离、可跟踪目标的实时监控；所述地面指挥测控分系统用于控制所述无人机平台分系统工作，并接收、分析所述无人机平台分系统采集的信息。

本发明的方法所采用的技术方案是： 一种基于无人机平台的港口实景监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对港口的监控区域进行划分并在各区域设置地面中转站，以供无人机进行起飞降落、充电和检测维护；

步骤2：地面计算机根据无人机平台机身的实际尺寸与目标港口的实际区域设施布局分别在三维绘图软件（如UG、SolidWorks）中绘制各自相对应的三维模型，并将两种三维模型进行装配结合；在结合后的三维模型中根据监控要求对无人机的预期飞行参数、航行路线与任务载荷的工作内容进行规划；

步骤3：地面中转站将无人机的状态信息发送给地面计算机，地面计算机判断无人机是否满足执行飞行任务的条件；当确认无人机分系统准备就绪后，地面控制器对无人机的飞行控制模块发出命令，开始执行飞行监控任务；

步骤4：无人机按规划的航线飞行，通过各个螺旋桨的速度控制与步进电机控制云台的俯仰与旋转相互协同配合，采集需监控区域或物体的图像信息并传送至地面计算机；

步骤5：地面计算机将接收到的图像文件传送至港口管理部门进行使用；

步骤6：完成监控飞行任务后，无人机降落在各自监控区域内的地面中转站，进行充电和检测维护，保障下次飞行任务。

本发明具有的优点是：结构简单，使用方便，不受外部环境、时间和空间的限制。解决现有的传统监控设备存在的缺陷问题，可以达到以下效果：

(1)对传统的模拟监控产品设备或网络高清监控设备无法监控的盲区进行监控，达到港口无死角全方位的监控要求；

(2) 无人机平台可以飞至高空，对港口整体进行全局航拍，得到该港口整体的运行情况。也可近距离对移动的行人、车辆、货物装卸设备、船只等物体进行跟踪监控；

(3)当执行监控任务时遇到水汽高、湿度高和雾霾等能见度低的监控环境，高清摄像头采集的图像画质较低无法达到监控图像要求，此时可缩短拍摄距离执行拍摄任务，得到清晰的图像画质；

(4)当夜晚无法使用高清摄像头时，无人机搭载的红外摄像头采集的红外图像可判断是否存在行迹可疑者，以及若有火灾隐患也可由红外图像观察到异常发热点，达到港口的防火防盗规范要求；

(5)无人机有固定对应的地面中转站进行起飞降落任务，其设备的更新维护工作相较于传统更加集中与方便。

附图说明

图1为本发明实施例的系统原理图；

图2为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于无人机平台的港口实景监控系统，包括无人机平台分系统与地面指挥测控分系统；无人机平台分系统对港口各区域进行全方位、零死角、近距离、可跟踪目标的实时监控；地面指挥测控分系统用于控制无人机平台分系统工作，并接收、分析无人机平台分系统采集的信息。

无人机平台分系统为四旋翼无人机，四旋翼无人机包括飞行控制模块、动力驱动模块、飞行导航模块、电力供给模块和监控模块；

动力驱动模块包括顺序连接的信息处理单元、伺服作动器、舵机和电机；飞行控制模块与动力驱动模块的信息处理单元连接，伺服作动器通过飞行控制模块发出的命令控制舵机，从而对连接各个旋翼的电机进行转速控制，实现无人机不同姿态的飞行任务；

飞行导航模块包括信息处理单元、GPS导航仪、超声波测距传感器、三轴速率陀螺仪；飞行控制模块与飞行导航模块的信息处理单元连接，信息处理单元分别与GPS导航仪、超声波测距传感器和三轴速率陀螺仪连接；GPS导航仪实现无人机的精准定位；超声波测距传感器通过对无人机机身附近可能出现非预期性障碍物的位置进行反馈，完成即时避障；三轴速率陀螺仪确保无人机按预期的飞行参数与姿态飞行；

监控模块包括高精度陀螺仪、高清摄像头、红外摄像头和信号发生器；监控模块通过信号发生器与地面指挥测控分系统连接，在地面指挥测控分系统控制下工作；监控模块安装于四旋翼无人机机身的下部，通过云台上的高精度陀螺仪隔离机身运行扰动，防止产生抖动或因视场角受限制而造成采集图像的不清晰或不全面的问题；当执行巡检监控任务时，云台能调整其倾斜与俯仰的姿态，使高清摄像头与红外摄像头对准需监控区域或位置；

电力供给模块为无人机平台分系统提供电力。

地面指挥测控分系统包括地面中转站、计算机与控制器；地面中转站设置于港口若干个待监控区域中，为无人机提供一个可起飞降落、充电、检测维护的平台，并将无人机的状态信息发送给地面计算机；地面计算机根据无人机平台机身的实际尺寸与目标港口的实际区域设施布局分别在三维绘图软件（如UG、SolidWorks）中绘制各自相对应的三维模型，并将两种三维模型进行装配结合；地面计算机用于对传统监控设备的监控盲点、需近距离监控的移动物体或因天气原因传统监控设备无法看清的位置，以此对无人机的预期飞行参数、路线与任务载荷工作进行规划；地面控制器对无人机进行起降操纵、飞行航路控制、任务载荷控制以及数据链控制。

本实施例的地面中转站设置带有色彩标识的无人机停靠点，操作人员通过无人机上的高清摄像头观察色彩标识使无人机平稳准确安全的落在规定停靠点，确保充电与维护工作的正常进行。

本实施例的无人机平台分系统安装有数据传输无线电和飞行控制无线电电路，通过微波信号与地面控制器和地面计算机连接，进行飞行路线规划、控制和图像传输。

本实施例的监控模块采用可见光高清摄像头与红外摄像头相结合的监控模式。当监控环境在能见度低或夜晚的情况下，高清摄像头采集的图像画质达不到监控需求时，结合红外摄像头可以采集港口各区域的红外图像。根据红外图像可判断是否存在行迹可疑者，以及若有火灾隐患也可由红外图像观察到异常发热点，达到港口的防火防盗规范要求。

本发明以四旋翼无人机平台为载体，利用其结构简单、可悬停避障、可携带任务载荷的特点，对传统的模拟监控产品设备或网络高清监控设备由于因视觉盲区、天气环境、维护更新等因素造成的缺陷，对港口各区域进行全方位、零死角、近距离、可跟踪目标的实时监控任务。

请见图2，本发明提供的一种基于无人机平台的港口实景监控方法，包括以下步骤：

步骤1：以目标港口的面积大小、区域复杂程度为前提，对该港口的监控区域进行划分并在各区域设置地面中转站，以供无人机进行起飞降落、充电和检测维护；

步骤2：地面计算机根据无人机平台机身的实际尺寸与目标港口的实际区域设施布局分别在三维绘图软件（如UG、SolidWorks）中绘制各自相对应的三维模型，并将两种三维模型进行装配结合；在结合后的三维模型中根据监控要求对无人机的预期飞行参数、航行路线与任务载荷的工作内容进行规划；

步骤3：地面中转站将无人机的状态信息发送给地面计算机，地面计算机判断无人机是否满足执行飞行任务的条件；当确认无人机分系统准备就绪后，地面控制器对无人机的飞行控制模块发出命令，开始执行飞行监控任务；

步骤4：无人机按规划的航线飞行，通过各个螺旋桨的速度控制与步进电机控制云台的俯仰与旋转相互协同配合，采集需监控区域或物体的图像信息并传送至地面计算机；

步骤5：地面计算机将接收到的图像文件传送至港口的安保、技术与管理等部门进行使用；

步骤6：完成监控飞行任务后，无人机降落在各自监控区域内的地面中转站，进行充电和检测维护，保障下次飞行任务。

本实施例的无人机平台分系统中飞行导航模块的GPS导航仪通过卫星定位，将无人机所处三维空间的具体位置反馈回飞行控制模块与地面指挥测控分系统中；地面计算机将此信息上传至港口三维模型中，与无人机航行预期位置进行对比判断，保证无人机在预定航线上运行，或判断无人机是否降落在所属地面中转站的特定位置，以保证无人机进行正常的充电与检测维护。

本发明借鉴无人机电力巡线与桥梁巡检技术，该技术不受空间限制，可以对传统监控设备无法到达监控到的死角盲点进行监控，还可以对移动目标进行近距离跟踪监控，改善恶劣天气导致能见度低的问题，且具有维护方便的优点。从而达到对港口各区域进行全方位、多角度、近距离的实时监控任务。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于无人机平台的港口实景监控系统，其特征在于：包括无人机平台分系统与地面指挥测控分系统；所述无人机平台分系统对港口各区域进行全方位、零死角、近距离、可跟踪目标的实时监控；所述地面指挥测控分系统用于控制所述无人机平台分系统工作，并接收、分析所述无人机平台分系统采集的信息。

2.根据权利要求1所述的基于无人机平台的港口实景监控系统，其特征在于：所述无人机平台分系统为四旋翼无人机，所述四旋翼无人机包括飞行控制模块、动力驱动模块、飞行导航模块、电力供给模块和监控模块；

所述动力驱动模块包括顺序连接的信息处理单元、伺服作动器、舵机和电机；所述飞行控制模块与所述动力驱动模块的信息处理单元连接，所述伺服作动器通过飞行控制模块发出的命令控制舵机，从而对连接各个旋翼的电机进行转速控制，实现无人机不同姿态的飞行任务；

所述飞行导航模块包括信息处理单元、GPS导航仪、超声波测距传感器、三轴速率陀螺仪；所述飞行控制模块与所述飞行导航模块的信息处理单元连接，所述信息处理单元分别与所述GPS导航仪、超声波测距传感器和三轴速率陀螺仪连接；所述GPS导航仪实现无人机的精准定位；所述超声波测距传感器通过对无人机机身附近可能出现非预期性障碍物的位置进行反馈，完成即时避障；所述三轴速率陀螺仪确保无人机按预期的飞行参数与姿态飞行；

所述监控模块包括高精度陀螺仪、高清摄像头、红外摄像头和信号发生器；所述监控模块通过所述信号发生器与所述地面指挥测控分系统连接，在所述地面指挥测控分系统控制下工作；所述监控模块安装于四旋翼无人机机身的下部，通过云台上的高精度陀螺仪隔离机身运行扰动，防止产生抖动或因视场角受限制而造成采集图像的不清晰或不全面的问题；当执行巡检监控任务时，云台能调整其倾斜与俯仰的姿态，使高清摄像头与红外摄像头对准需监控区域或位置；

所述电力供给模块为所述无人机平台分系统提供电力。

3.根据权利要求1所述的基于无人机平台的港口实景监控系统，其特征在于：所述地面指挥测控分系统包括地面中转站、计算机与控制器；地面中转站设置于港口若干个待监控区域中，为无人机提供一个可起飞降落、充电、检测维护的平台，并将无人机的状态信息发送给地面计算机；所述地面计算机根据无人机平台机身的实际尺寸与目标港口的实际区域设施布局分别在三维绘图软件中绘制各自相对应的三维模型，并将两种三维模型进行装配结合；所述地面计算机用于对传统监控设备的监控盲点、需近距离监控的移动物体或因天气原因传统监控设备无法看清的位置，以此对无人机的预期飞行参数、路线与任务载荷工作进行规划；所述地面控制器对无人机进行起降操纵、飞行航路控制、任务载荷控制以及数据链控制。

4.根据权利要求3所述的基于无人机平台的港口实景监控系统，其特征在于：所述地面中转站设置带有色彩标识的无人机停靠点，操作人员通过无人机上的高清摄像头观察色彩标识使无人机平稳准确安全的落在规定停靠点，确保充电与维护工作的正常进行。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于无人机平台的港口实景监控系统，其特征在于：所述无人机平台分系统安装有数据传输无线电和飞行控制无线电电路，通过微波信号与地面控制器和地面计算机连接，进行飞行路线规划、控制和图像传输。

6.一种基于无人机平台的港口实景监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对港口的监控区域进行划分并在各区域设置地面中转站，以供无人机进行起飞降落、充电和检测维护；

步骤2：地面计算机根据无人机平台机身的实际尺寸与目标港口的实际区域设施布局分别在三维绘图软件中绘制各自相对应的三维模型，并将两种三维模型进行装配结合；在结合后的三维模型中根据监控要求对无人机的预期飞行参数、航行路线与任务载荷的工作内容进行规划；

步骤3：地面中转站将无人机的状态信息发送给地面计算机，地面计算机判断无人机是否满足执行飞行任务的条件；当确认无人机分系统准备就绪后，地面控制器对无人机的飞行控制模块发出命令，开始执行飞行监控任务；

步骤4：无人机按规划的航线飞行，通过各个螺旋桨的速度控制与步进电机控制云台的俯仰与旋转相互协同配合，采集需监控区域或物体的图像信息并传送至地面计算机；

步骤5：地面计算机将接收到的图像文件传送至港口管理部门进行使用；

步骤6：完成监控飞行任务后，无人机降落在各自监控区域内的地面中转站，进行充电和检测维护，保障下次飞行任务。

7.根据权利要求6所述的基于无人机平台的港口实景监控方法，其特征在于：步骤1中，以目标港口的面积大小、区域复杂程度为前提，对港口的监控区域进行划分。

8.根据权利要求6所述的基于无人机平台的港口实景监控方法，其特征在于：无人机平台分系统中飞行导航模块的GPS导航仪通过卫星定位，将无人机所处三维空间的具体位置反馈回飞行控制模块与地面指挥测控分系统中；地面计算机将此信息上传至港口三维模型中，与无人机航行预期位置进行对比判断，保证无人机在预定航线上运行，或判断无人机是否降落在所属地面中转站的特定位置，以保证无人机进行正常的充电与检测维护。

9.根据权利要求5所述的基于无人机平台的港口实景监控方法，其特征在于：当监控环境在能见度低或夜晚的情况下，高清摄像头采集的图像画质达不到监控需求时，结合红外摄像头采集港口各区域的红外图像；根据红外图像判断是否存在行迹可疑者，以及若有火灾隐患也可由红外图像观察到异常发热点，达到港口的防火防盗规范要求。