CN107117268B - 一种异构系统的海洋垃圾回收方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构系统的海洋垃圾回收方法及系统，该系统包括用于采集飞行区域内的海洋环境信息，定位海洋垃圾并发送给船的多旋翼飞行器，以及用于与飞行器进行通信并进行垃圾回收的船。本发明通过多旋翼飞行器在海洋上空进行监控，视野范围广，解决了传统的定位和回收方法中海洋垃圾的小范围、低效率的问题，同时通过采用多旋翼飞行器和船的协作，多层次、空间立体搜索海洋垃圾，有效的解决了海洋垃圾的快速清理问题，对海洋环境的保护具有重要意义。

Description

一种异构系统的海洋垃圾回收方法及系统

技术领域

本发明属于飞行器监测技术及海洋生态环境保护技术领域，具体涉及一种异构系统的海洋垃圾回收方法及系统的设计。

背景技术

海洋是人类赖以生存和发展的自然环境，开发和利用好海洋资源，将是解决世界人口、资源和环境等沉重压力的主要出路之一。近年来，随着水上船舶作业、水上资源运输等所导致的营运在海洋中的各种船舶制造的各种垃圾，海洋污染日益严重。海洋垃圾的处理不当，不仅会导致垃圾中的有毒物质进入水体后直接毒害水生生物，而且会影响水体的自治能力，改变动植物的天然营养条件，造成海底严重污染，致使某些生物绝迹。有关资料表明，被船舶排放到海洋中的塑料垃圾完全降解需要450年以上的时间。从以上危害可见，科学治理防止船舶垃圾对海洋环境的污染对于保护海洋环境是十分重要的。与此同时，近年来西北太平洋地区的海洋垃圾问题日益严重，由于受到季风和洋流的影响，大量海洋垃圾由一国附近海域流到邻国。大量的海洋垃圾如果不及时检测和处理，跨界海洋环境污染的国际争端问题也会造成各国关系的僵化。

目前，国内外针对于海洋垃圾的清理主要有两大类：一类是采用人工打捞方式，这种方式通过采用半舱式或甲板机动驳船，由环卫工人手持网兜等工具站在甲板边上，直接把垃圾打捞上来，这种作业方式劳动强度大、工作环境恶劣且工作效率低。另一类是使用垃圾回收船利用垃圾输送装置对海面漂浮的垃圾进行收集。该种方法使用灵活性受到限制，海洋面积比较大，不能达到大范围、高效率的垃圾定位和回收。

发明内容

针对于现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的是提供一种异构系统的海洋垃圾回收方法及系统，以实现对海洋中存在的垃圾的精确定位与回收。

本发明的技术方案为：本发明提供了一种异构系统的海洋垃圾回收方法，包括以下步骤：

S1、利用船搭载多旋翼飞行器组成异构系统，进入海洋区域；

S2、利用多旋翼飞行器搭载的信息采集设备采集预设海洋范围内的海洋环境信息，根据海洋环境信息定位海洋垃圾在海洋区域中的位置信息，并将位置信息发送给船；

S3、利用船上搭载的检测设备检测当前的海洋风向、风速及水流速度信息；

S4、通过船上搭载的坐标转换设备对位置信息进行坐标转换，并结合海洋风向、风速及水流速度信息，计算出船自身以及海洋垃圾在世界坐标系下的位置，控制船进入海洋垃圾区域；

S5、控制船回收海洋垃圾。

本发明还提供了一种异构系统的海洋垃圾回收系统，包括：

多旋翼飞行器，用于采集飞行区域内的海洋环境信息，定位海洋垃圾并实时发送给船；

船，用于与多旋翼飞行器进行通信，接收并处理多旋翼飞行器采集的海洋环境信息，并进行垃圾回收。

优选地，多旋翼飞行器包括多旋翼飞行器控制器、视觉传感器、姿态航向参考系统设备、定位设备、激光雷达传感器、多旋翼飞行器通信设备、图像采集传感器以及图像处理设备；多旋翼飞行器通信设备、图像采集传感器均与图形处理设备通信连接；视觉传感器、姿态航向参考系统设备、定位设备、激光雷达传感器、图像采集传感器、图像处理设备、多旋翼飞行器通信设备均与多旋翼飞行器控制器通信连接。

优选地，船包括船控制器、运动控制器、坐标转换设备、通信设备、风速/风向检测仪以及水流速度检测仪；运动控制器、坐标转换设备、通信设备、风速/风向检测仪、水流速度检测仪均与船控制器通信连接。

本发明的有益效果是：本发明通过多旋翼飞行器在海洋上空进行监控，视野范围广，解决了传统的定位和回收方法中海洋垃圾的小范围、低效率的问题，同时通过采用多旋翼飞行器和船的协作，多层次、空间立体搜索海洋垃圾，有效的解决了海洋垃圾的快速清理问题，对海洋环境的保护具有重要意义。

附图说明

图1所示为本发明实施例一提供的一种异构系统的海洋垃圾回收方法流程图。

图2所示为本发明实施例二提供的一种异构系统的海洋垃圾回收系统结构框图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

实施例一：

本发明实施例提供了一种异构系统的海洋垃圾回收方法，如图1所示，该实施例具体包括以下步骤S1-S6：

S1、利用船搭载多旋翼飞行器组成异构系统，进入海洋区域。

本发明实施例中，步骤S1具体为：

采用系留式的方式将多旋翼飞行器固定在船的中心上，由船携带多旋翼飞行器进入海洋区域。开启船上的锁紧机构，通过多旋翼飞行器控制手柄启动多旋翼飞行器，根据现场的实际情况控制多旋翼飞行器的飞行高度，根据设定的海洋区域控制多旋翼飞行器进入到海洋区域上空。

S2、利用多旋翼飞行器搭载的信息采集设备采集预设海洋范围内的海洋环境信息，根据海洋环境信息定位海洋垃圾在海洋区域中的位置信息，并将位置信息发送给船。

本发明实施例中，步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、利用多旋翼飞行器搭载的信息采集设备，以船的中心为原点，以船的最大长度为半径进行海洋环境信息的获取。

海洋环境信息的获取具体包括：

利用多旋翼飞行器搭载的视觉传感器获取预设范围内的海洋漂浮的白色垃圾的图像信息；利用多旋翼飞行器搭载的激光雷达传感器获取预设范围内的海洋漂浮的油污的图像信息；利用多旋翼飞行器搭载的图像采集传感器获取预设范围内整个海洋区域的图像信息；利用多旋翼飞行器搭载的姿态航向参考系统设备获取多旋翼飞行器在空间X、Y、Z三个方向上的加速度与滚转角、俯仰角和偏航角的姿态信息；利用多旋翼飞行器搭载的定位设备获取多旋翼飞行器的经纬度和飞行高度信息。

以上各种传感器及测试设备所采集到的白色垃圾及油污的图像信息、整个海洋区域的图像信息、多旋翼飞行器在空间X、Y、Z三个方向上的加速度与滚转角、俯仰角和偏航角的姿态信息以及多旋翼飞行器的经纬度和飞行高度信息共同构成了海洋环境信息。

S22、根据多旋翼飞行器所获取的海洋环境信息，判断当前多旋翼飞行器所监测的海洋区域是否存在海洋垃圾，若不存在，则控制船继续前进，多旋翼飞行器继续搜寻和定位海洋垃圾；若存在，则根据海洋环境信息定位海洋垃圾在海洋区域中的位置信息。

本发明实施例中，根据海洋环境信息定位海洋垃圾在海洋区域中的位置信息的具体方法为：

利用多旋翼飞行器搭载的图像处理设备将白色垃圾的图像信息、油污的图像信息以及整个海洋区域的图像信息进行灰度、二值化以及边缘提取处理，定位白色垃圾及油污在整个海洋区域图像中的位置信息，并对位置信息进行二维-三维坐标转换，利用二维的相机图像推算出视野中海洋垃圾信息相对于视觉传感器系统的几何中心的运动信息，从二维坐标空间转换到三维坐标空间。

其中涉及的对图像进行灰度、二值化、边缘提取等处理属于本领域对图像的常规处理方法，其具体处理过程及步骤在此不再赘述。

S23、将位置信息发送给船。

本发明实施例中，多旋翼飞行器通过无线局域网将坐标转换后的位置信息实时发送给船。

S24、通过多旋翼飞行器上的视觉传感器对海洋垃圾进行跟踪。

海洋区域由于风速和水流速度的影响，多旋翼飞行器所定位的海洋垃圾会根据风速、风向和水流速度进行移动，因此，多旋翼飞行器在发送信息的同时需利用视觉传感器对海洋垃圾进行目标跟踪，以确保始终采集最准确的图像信息进行海洋垃圾的定位，并应用于后续步骤的计算。本发明实施例中采取基于光流的目标跟踪算法对海洋垃圾进行跟踪，该算法属于本领域中的现有技术，其具体算法过程在此不再赘述。

S3、利用船上搭载的检测设备检测当前的海洋风向、风速及水流速度信息。

本发明实时例中，步骤S3具体为：

利用船上搭载的风速/风向检测仪检测当前的海洋风向、风速信息；利用船上搭载的水流速度检测仪检测当前的水流速度信息。

S4、通过船上搭载的坐标转换设备对位置信息进行坐标转换，并结合海洋风向、风速及水流速度信息，计算出船自身以及海洋垃圾在世界坐标系下的位置，控制船进入海洋垃圾区域。

本发明实施例中，船自身以及海洋垃圾在世界坐标系下具体位置的计算方法为：

以船作为质点，船在世界坐标系下的具体位置坐标设为r_k(x_k,y_k,z_k)，则由相似性得：

式中r_c(x_c,y_c,z_c)为多旋翼飞行器搭载的视觉传感器中摄影中心O的位置，r₀(x₀,y₀,f,1)为视觉传感器的参数。

海洋环境信息图像上的坐标点r(x,y,f,1)在空间辅助坐标系r_f(u,v,w)的坐标为：

式中R_k为3×3的旋转矩阵；P_k为3×1的平移矩阵，即多旋翼飞行器在世界坐标系下的坐标，该平移矩阵的参数可通过多旋翼飞行器上的定位设备测出。

由于海洋目标点船近似于满足椭球面方程，因此r_k(x_k,y_k,z_k)可以表示为：

式中a为椭球面的长半轴，b为椭球面的短半轴。

联立公式(1)-(3)可计算得到海上目标船在世界坐标系下的具体位置r_k(x_k,y_k,z_k)，同理可以计算出海洋垃圾在世界坐标系下的具体位置，但是由于存在风速/风向和水速的影响，根据水流速度v₁如果与风速v₂方向一致，则所获取的当前的海洋垃圾的位置r_m需加上当前垃圾的行进速度v乘以时间t，如果水流速度v₁如果与风速v₂方向不一致，则所获取的当前的海洋垃圾的位置r_m需减去当前垃圾的行进速度v乘以时间t。海洋垃圾由于风速和水流速度影响的运动方程建立如下：

其中r_m(x_m,y_m,z_m)为海洋垃圾在世界坐标系的位置，v₁为水流速度、v₂为风速；表示海洋垃圾的运动方向，ω_k表示海洋垃圾的运动角速度；分别表示x_m,y_m,z_m,的导数。

本发明实施例中，旋转矩阵R_k的计算公式为：

式中s_α表示sinα，c_α表示cosα，α＝ψ,θ,φ，ψ,θ,φ分别表示多旋翼飞行器的偏航角、俯仰角和滚转角，由多旋翼飞行器搭载的姿态航向参考系统设备测得。

S5、控制船回收海洋垃圾。

本发明实施例中，步骤S5具体为：

采用太阳能海洋垃圾回收装置，利用船上携带的垃圾输送装置，对定位到的海面漂浮的垃圾进行收集；并且通过垃圾分类装置，控制船上携带的机械臂，针对不同垃圾进行分类，分类后利用垃圾粉碎设备对垃圾进行粉碎，减少垃圾的体积。

实施例二：

本发明实施例提供了一种异构系统的海洋垃圾回收系统，如图2所示，该实施例具体包括多旋翼飞行器1和船2。

本发明实施例中，多旋翼飞行器1用于采集飞行区域内的海洋环境信息，定位海洋垃圾并实时发送给船2。船2用于与多旋翼飞行器1进行通信，接收并处理多旋翼飞行器1采集的海洋环境信息，并进行垃圾回收。

本发明实施例中，多旋翼飞行器1包括多旋翼飞行器控制器11、视觉传感器12、姿态航向参考系统设备13、定位设备14、激光雷达传感器15、多旋翼飞行器通信设备16、图像采集传感器17、图像处理设备18。其中多旋翼飞行器通信设备16、图像采集传感器17均与图形处理设备18通信连接。视觉传感器12、姿态航向参考系统设备13、定位设备14、激光雷达传感器15、图像采集传感器17、图像处理设备18、多旋翼飞行器通信设备16均与多旋翼飞行器控制器11通信连接。

多旋翼飞行器控制器11用于控制多旋翼飞行器搭载的各信息采集设备进行工作。视觉传感器12用于实时获取预设范围内的海洋漂浮的白色垃圾的图像信息，并且进行动态跟踪。姿态航向参考系统设备13用于采集多旋翼飞行器1在X、Y、Z三个方向上的加速度与滚转角、俯仰角和偏航角的姿态信息。定位设备14用于采集多旋翼飞行器1的经纬度、飞行高度信息。激光雷达传感器15用于实时获取预设范围内的海洋漂浮的油污的图像信息。多旋翼飞行器通信设备16用于与船2进行无线通信与信息传输。多旋翼飞行器通信设备16包括2.4G无线通信模块与无线WIFI模块，无线WIFI模块用于向船2传输姿态、经纬度、高度和图像信息，2.4G无线通信模用于传输多旋翼飞行器1的控制指令。图像采集传感器17用于获取预设范围内整个海洋区域的图像信息。图像处理设备18含有ubuntu操作系统，用于对图像采集传感器17、视觉传感器12以及激光雷达传感器15采集的图像信息进行灰度、二值化、边缘提取以及二维-三维坐标转换等处理。

本发明实施例中，船2包括船控制器21、运动控制器22、坐标转换设备23、通信设备24、风速/风向检测仪25和水流速度检测仪26。其中运动控制器22、坐标转换设备23、通信设备24、风速/风向检测仪25、水流速度检测仪26均与船控制器21通信连接。

船控制器21含有ubuntu操作系统，用于计算多旋翼飞行器1相对船2的位置，控制船2上的所携带的装置和设备回收垃圾，以及发出船2的运动控制指令。运动控制器22用于根据船控制器21发出的运动控制指令对船2进行运动控制。坐标转换设备23用于对通信设备24接收到的海洋垃圾的位置信息进行坐标转换，计算出船2、海洋垃圾相对于世界坐标系下的具体位置。通信设备24用于与多旋翼飞行器进行无线通信与信息传输。通信设备24包括2.4G无线通信模块与无线路由设备，无线路由设备接收来自多旋翼飞行器1发送的姿态、经纬度、飞行高度信息，2.4G无线通信模块接收海洋垃圾的位置信息和传输多旋翼飞行器1相对船2的相对位置。风速/风向检测仪25用于检测当前船所处海洋区域的风向和风速。水流速度检测仪26用于检测当前船所处海洋区域的水流速度。

本发明实施例中，船2还应当包括回收垃圾的必要装置及设备，例如太阳能海洋垃圾回收装置、垃圾输送装置、垃圾分类装置、机械臂、垃圾粉碎设备。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种异构系统的海洋垃圾回收方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用船搭载多旋翼飞行器组成异构系统，进入海洋区域；

S2、利用多旋翼飞行器搭载的信息采集设备采集预设海洋范围内的海洋环境信息，根据所述海洋环境信息定位海洋垃圾在海洋区域中的位置信息，并将所述位置信息发送给船；

S3、利用船上搭载的检测设备检测当前的海洋风向、风速及水流速度信息；

S4、通过船上搭载的坐标转换设备对所述位置信息进行坐标转换，并结合海洋风向、风速及水流速度信息，计算出船自身以及海洋垃圾在世界坐标系下的位置，控制船进入海洋垃圾区域；

S5、控制船回收海洋垃圾；

所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、利用多旋翼飞行器搭载的信息采集设备，以船的中心为原点，以船的最大长度为半径进行海洋环境信息的获取；

S22、根据多旋翼飞行器所获取的海洋环境信息，判断当前多旋翼飞行器所监测的海洋区域是否存在海洋垃圾，若不存在，则控制船继续前进，多旋翼飞行器继续搜寻和定位海洋垃圾；若存在，则根据所述海洋环境信息定位海洋垃圾在海洋区域中的位置信息；

S23、将所述位置信息发送给船；

S24、通过多旋翼飞行器上的视觉传感器对海洋垃圾进行跟踪；

所述分步骤S21中海洋环境信息的获取具体包括：

利用多旋翼飞行器搭载的视觉传感器获取预设范围内的海洋漂浮的白色垃圾的图像信息；

利用多旋翼飞行器搭载的激光雷达传感器获取预设范围内的海洋漂浮的油污的图像信息；

利用多旋翼飞行器搭载的图像采集传感器获取预设范围内整个海洋区域的图像信息；

利用多旋翼飞行器搭载的姿态航向参考系统设备获取多旋翼飞行器在空间X、Y、Z三个方向上的加速度与滚转角、俯仰角和偏航角的姿态信息；

利用多旋翼飞行器搭载的定位设备获取多旋翼飞行器的经纬度和飞行高度信息。

2.根据权利要求1所述的海洋垃圾回收方法，其特征在于，所述分步骤S22中根据所述海洋环境信息定位海洋垃圾在海洋区域中的位置信息的具体方法为：

利用多旋翼飞行器搭载的图像处理设备将所述白色垃圾的图像信息、油污的图像信息以及整个海洋区域的图像信息进行灰度、二值化以及边缘提取处理，定位白色垃圾及油污在整个海洋区域图像中的位置信息，并对所述位置信息进行二维-三维坐标转换，利用二维的相机图像推算出视野中海洋垃圾信息相对于视觉传感器系统的几何中心的运动信息，从二维坐标空间转换到三维坐标空间。

3.根据权利要求1所述的海洋垃圾回收方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

利用船上搭载的风速/风向检测仪检测当前的海洋风向、风速信息；利用船上搭载的水流速度检测仪检测当前的水流速度信息。

4.根据权利要求1所述的海洋垃圾回收方法，其特征在于，所述步骤S4中船自身以及海洋垃圾在世界坐标系下具体位置的计算方法为：

以船作为质点，船在世界坐标系下的具体位置坐标设为r_k(x_k,y_k,z_k)，则由相似性得：

式中r_c(x_c,y_c,z_c)为多旋翼飞行器搭载的视觉传感器中摄影中心O的位置，r₀(x₀,y₀,f,1)为视觉传感器的参数；

海洋环境信息图像上的坐标点r(x,y,f,1)在空间辅助坐标系r_f(u,v,w)的坐标为：

式中R_k为3×3的旋转矩阵；P_k为3×1的平移矩阵，即多旋翼飞行器在世界坐标系下的坐标，该平移矩阵的参数通过多旋翼飞行器上的定位设备测出；

由于海洋目标点船近似于满足椭球面方程，则r_k(x_k,y_k,z_k)表示为：

式中a为椭球面的长半轴，b为椭球面的短半轴；

联立公式(1)-(3)计算得到海上目标船在世界坐标系下的具体位置r_k(x_k,y_k,z_k)；由于存在风速/风向和水速的影响，海洋垃圾由于风速和水流速度影响的运动方程建立如下：

其中r_m(x_m,y_m,z_m)为海洋垃圾在世界坐标系的位置，v₁为水流速度、v₂为风速；表示海洋垃圾的运动方向，ω_k表示海洋垃圾的运动角速度；分别表示x_m,y_m,z_m,的导数。

5.根据权利要求4所述的海洋垃圾回收方法，其特征在于，所述旋转矩阵R_k的计算公式为：

式中s_α表示sinα，c_α表示cosα，α＝ψ,θ,φ，ψ,θ,φ分别表示多旋翼飞行器的偏航角、俯仰角和滚转角，由多旋翼飞行器搭载的姿态航向参考系统设备测得。