CN110398233A - 一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统及方法，所述系统包括无人机、无人机控制系统、GPS定位及校正系统、定日镜场控制系统、图像处理系统；其中：无人机用于对定日镜场进行拍摄；所述无人机控制系统用于对无人机发送指令，并接收无人机发回的数据；所述GPS定位及校正系统用于实现无人机的精确定位，以及对无人机的坐标进行校正；所述定日镜场控制系统用于控制定日镜场中的定日镜角度以及状态；所述图像处理系统用于接收无人机拍摄的定日镜场的照片，提取定日镜场照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。与现有技术相比，本发明节省了大量的人力成本和时间成本；而且测绘精度高、速度快。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，具体涉及一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统及方法。
背景技术
随着我国能源结构的调整，新能源在发电领域占据的比例越来越高。太阳能光热发电技术由于可储能、系统稳定等优点正得到大力推广，光热发电技术包括塔式光热发电、槽式光热发电、线性菲涅尔式光热发电、蝶式光热发电技术，其中，塔式光热发电技术在由于聚光比高、运行参数高、光电效率高、易于储能的优点得到大力推广。
塔式光热发电系统包括聚光集热系统、储热系统、换热系统、发电系统。其中，聚光集热系统由定日镜场和吸热系统组成，定日镜场将太阳光反射到吸热系统，吸热系统内的吸热流体将热量吸收并带走。定日镜场由数量巨大的定日镜组成，例如中控德令哈50MW塔式光热发电项目有27000面20平方的定日镜、中电建共和50MW塔式光热发电项目有30000面20平方的定日镜。数量巨大的定日镜安装完成后，需要花费大量的人力和时间对定日镜场中的每一面定日镜坐标进行测绘，而且人工测量的结果在精度方面也难以保证。
因此亟待开发效率高、精度高的可自动实现定日镜场坐标测绘的方法和系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统及方法，该系统及方法采用无人机定位技术和图像处理技术，可以自动、高效、准确的对定日镜坐标进行测绘，测绘结果误差小、效率高。
本发明的技术方案如下：
一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统，包括无人机、无人机控制系统、GPS定位及校正系统、定日镜场控制系统、图像处理系统；其中：
所述无人机用于对定日镜场进行拍摄；
所述无人机控制系统用于对无人机发送指令，并接收无人机发回的数据；
所述GPS定位及校正系统用于实现无人机的精确定位，以及对无人机的坐标进行校正；
所述定日镜场控制系统用于控制定日镜场中的定日镜角度以及状态；
所述图像处理系统用于接收无人机拍摄的定日镜场的照片，提取定日镜场照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。
可选地，所述无人机搭载有相机、GPS定位模块、无线通信模块；所述无人机控制系统通过无线通信模块向无人机发送指令，控制无人机的飞行路线、飞行高度、飞行速度、悬停位置，并接收无人机发回的数据；
所述GPS定位及校正系统通过无人机上搭载的GPS定位模块实现无人机位置的精确定位，并对无人机的坐标进行校正；
所述图像处理系统接收无人机搭载的相机拍摄的定日镜场照片，提取定日镜照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。
可选地，所述无人机的数量为1-10台。
可选地，所述定日镜控制系统可控制定日镜场中的定日镜转至任意角度，也可控制定日镜根据太阳入射角度自动实现追日。
可选地，无人机与GPS定位及校正系统、无人机控制系统之间的无线通信方式包括但不限于GSM、GPRS、CDMA、WCDMA、TD-CDMA通信方式。
一种基于无人机的定日镜场坐标测绘方法，包括以下几个步骤：
步骤S1、无人机GPS校正：采用GPS定位及校正系统，对无人机GPS系统进行校正；
步骤S2、确定无人机飞行路线：根据需校正的定日镜，制定无人机飞行路线；
步骤S3、获取定日镜场图像：在无人机控制系统的操作下，无人机在定日镜场上空h米高度处悬停，拍摄定日镜场图像；所述h为一个正整数；
步骤S4、处理定日镜图像：根据反射镜面轮廓，计算定日镜反射面中心的像素位置；
步骤S5、获取定日镜镜面中心坐标：根据无人机GPS数据校正值，确定定日镜场照片中心坐标；根据定日镜尺寸确定单位像素的实际距离，计算定日镜中心与定日镜场照片中心的距离，从而确定定日镜中心的坐标；
步骤S6、控制无人机拍摄全部定日镜场中定日镜照片，通过步骤S2-S4，计算定日镜场全部定日镜坐标位置；
步骤S7、调整h值，重复S1-S6步骤，获取1-100次定日镜坐标位置数据，取平均值。
可选地，所述步骤S1进一步包括：
选取定日镜场中已经完成精准测绘的标准点，记录其测绘坐标(A，B)，将坐标进行涂色标记。通过定日镜场控制系统将定日镜的水平角调为0度。启动无人机，手动控制无人机飞行至标准点正上空一定高度处，固定相机镜头角度竖直向下，对标准点进行拍照，并移动无人机使标准点位于图像中心，获取无人机GPS数据坐标位置(A’，B’)，记录(A’，B’)与(A，B)间的差值；换一个标准点，重复上述步骤1至100次，取多次记录差值的平均值，作为无人机GPS的校正值。
可选地，所述步骤S2进一步包括：
根据定日镜场中需要校正的定日镜位置，确定无人机飞行路线，并将路线输入至无人机控制系统，
可选地，所述步骤S3进一步包括：
通过定日镜场控制系统将需要测绘的定日镜的水平角调为0度，无人机飞行至定日镜场上空h米高度处进行悬停，固定镜头角度竖直向下，拍摄定日镜照片，并同步采集无人机飞行状态数据，并将定日镜场照片和无人机飞行状态数据传回至图像处理系统。
可选地，所述步骤S4进一步包括：
图像处理系统提取定日镜照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。
可选地，所述步骤S5进一步包括：
根据无人机GPS数据及校正的纠正值，确定定日镜场照片中心像素的坐标位置；根据反射镜的边长，确定照片单位像素对应的实际距离；根据每个定日镜反射面中心的像素位置、照片中心像素坐标以及单位像素对应的实际距离，计算每个定日镜反射面中心的坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种基于无人机的定日镜场坐标测绘方法和系统，建立了无人机GPS定位及校正系统，并建立图像处理系统，依据图形处理结果实现定日镜坐标的测绘，该方法和系统测量精度高、系统误差小、测绘时间短。
附图说明
图1为本发明具体实施例一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统的控制结构示意图；
图2为本发明具体实施例中无人机拍摄的定日镜场图片中定日镜坐标计算示意图；
图3为本发明具体实施例一种基于无人机的定日镜场坐标测绘方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下结合附图1至附图3和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参考图1，一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统，包括定日镜场控制系统1、无人机控制系统2、GPS定位及校正系统3、图像处理系统4、无人机5。
所述定日镜场6由若干个定日镜组成；一般情况下，3000-50000个定日镜组成一个定日镜场，定日镜场中的定日镜将太阳光照反射至固定位置从而实现能量的聚集。
无人机5搭载相机、GPS定位模块、无线通信模块。无人机的数量为1-10台，多台无人机可同时对定日镜场6进行测绘，缩短整个镜场的测绘时间。无人机控制系统2通过无线通信向无人机5发送指令，控制无人机5的飞行路线、飞行高度、飞行速度、悬停位置，还可以接收无人机5发回的数据。
GPS定位及校正系统3可以通过无人机5上搭载的GPS定位模块实现无人机5位置的精确定位，还可对无人机5的坐标进行校正。
定日镜场控制系统1可控制定日镜场6中的定日镜角度以及状态，可以控制定日镜场6中的定日镜转至任意角度，也可以控制定日镜根据太阳入射角度自动实现追日。
图像处理系统4接收无人机5搭载的相机拍摄的定日镜场照片，提取定日镜照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。
无人机5与GPS定位及校正系统3、无人机控制系统2之间的无线通信方式包括但不限于GSM、GPRS、CDMA、WCDMA、TD-CDMA等通信方式。
参考图3，一种基于无人机的定日镜场坐标测绘方法，包括以下几个步骤：
步骤S1、无人机GPS校正：采用GPS定位及校正系统，对无人机GPS系统进行校正。具体做法为：
选取定日镜场中已经完成精准测绘的标准点，记录其测绘坐标(A，B)，将坐标进行涂色标记。通过定日镜场控制系统将定日镜的水平角调为0度。启动无人机，手动控制无人机飞行至标准点正上空一定高度处，固定相机镜头角度竖直向下，对标准点进行拍照，并移动无人机使标准点位于图像中心，获取无人机GPS数据坐标位置(A’，B’)，记录(A’，B’)与(A，B)间的差值。换一个标准点，重复上述步骤多次(1至100次)。取多次记录差值的平均值，作为无人机GPS的校正值。
步骤S2、确定无人机飞行路线：根据需校正的定日镜，制定无人机飞行路线。具体做法为：
根据定日镜场中需要校正的定日镜位置，确定无人机飞行路线，并将路线输入至无人机控制系统，
步骤S3、获取定日镜场图像：在无人机控制系统的操作下，无人机在定日镜场上空h米高度处悬停，拍摄定日镜场图像。具体做法为：
通过定日镜场控制系统将需要测绘的定日镜的水平角调为0度，无人机飞行至定日镜场上空h米高度处进行悬停，固定镜头角度竖直向下，拍摄定日镜照片，并同步采集无人机飞行状态数据，并将定日镜场照片和无人机飞行状态数据传回至图像处理系统。上述h为一个正整数。
步骤S4、处理定日镜图像：根据反射镜面轮廓，计算定日镜反射面中心的像素位置。具体做法为：
图像处理系统提取定日镜照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置；
步骤S5、获取定日镜镜面中心坐标：根据无人机GPS数据校正值，确定定日镜场照片中心坐标；根据定日镜尺寸确定单位像素的实际距离，计算定日镜中心与定日镜场照片中心的距离，从而确定定日镜中心的坐标。具体做法为：
根据无人机GPS数据及校正的纠正值，确定定日镜场照片中心像素的坐标位置；根据反射镜的边长，确定照片单位像素对应的实际距离；根据每个定日镜反射面中心的像素位置、照片中心像素坐标以及单位像素对应的实际距离，计算每个定日镜反射面中心的坐标。计算方法原理参考图2，其为无人机拍摄的定日镜场图片中定日镜坐标计算示意图。其中：
O点为无人机相机拍照点，其垂直向下对应的坐标为(A0，B0)，A-B-C-D组为无人机相机拍摄的定日镜场照片，其中，定日镜场内的定日镜尺寸长度L、宽度W是已知的。图形处理过程的基本原理为计算定日镜长度L、宽度W分别占据的像素数量，计算出单位像素占据的尺寸，根据单位像素占据的尺寸计算定日镜中心点与(A0，B0)的差值ΔL、ΔW，从而计算出定日镜中心点坐标为(A0-ΔL，B0-ΔW)。
步骤S6、控制无人机拍摄全部定日镜场中定日镜照片，通过步骤S2-S4，计算定日镜场全部定日镜坐标位置；
步骤S7、调整h值，重复S1-S6步骤，获取1-100次定日镜坐标位置数据，取平均值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (11)
1.一种基于无人机的定日镜场坐标测绘系统，其特征在于，包括无人机、无人机控制系统、GPS定位及校正系统、定日镜场控制系统、图像处理系统；其中：
所述无人机用于对定日镜场进行拍摄；
所述无人机控制系统用于对无人机发送指令，并接收无人机发回的数据；
所述GPS定位及校正系统用于实现无人机的精确定位，以及对无人机的坐标进行校正；
所述定日镜场控制系统用于控制定日镜场中的定日镜角度以及状态；
所述图像处理系统用于接收无人机拍摄的定日镜场的照片，提取定日镜场照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机搭载有相机、GPS定位模块、无线通信模块；所述无人机控制系统通过无线通信模块向无人机发送指令，控制无人机的飞行路线、飞行高度、飞行速度、悬停位置，并接收无人机发回的数据；
所述GPS定位及校正系统通过无人机上搭载的GPS定位模块实现无人机位置的精确定位，并对无人机的坐标进行校正；
所述图像处理系统接收无人机搭载的相机拍摄的定日镜场照片，提取定日镜照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机的数量为1-10台。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定日镜控制系统可控制定日镜场中的定日镜转至任意角度，也可控制定日镜根据太阳入射角度自动实现追日。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，无人机与GPS定位及校正系统、无人机控制系统之间的无线通信方式包括但不限于GSM、GPRS、CDMA、WCDMA、TD-CDMA通信方式。
6.一种基于无人机的定日镜场坐标测绘方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤S1、无人机GPS校正：采用GPS定位及校正系统，对无人机GPS系统进行校正；
步骤S2、确定无人机飞行路线：根据需校正的定日镜，制定无人机飞行路线；
步骤S3、获取定日镜场图像：在无人机控制系统的操作下，无人机在定日镜场上空h米高度处悬停，拍摄定日镜场图像；所述h为一个正整数；
步骤S4、处理定日镜图像：根据反射镜面轮廓，计算定日镜反射面中心的像素位置；
步骤S5、获取定日镜镜面中心坐标：根据无人机GPS数据校正值，确定定日镜场照片中心坐标；根据定日镜尺寸确定单位像素的实际距离，计算定日镜中心与定日镜场照片中心的距离，从而确定定日镜中心的坐标；
步骤S6、控制无人机拍摄全部定日镜场中定日镜照片，通过步骤S2-S4，计算定日镜场全部定日镜坐标位置；
步骤S7、调整h值，重复S1-S6步骤，获取1-100次定日镜坐标位置数据，取平均值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：
选取定日镜场中已经完成精准测绘的标准点，记录其测绘坐标(A，B)，将坐标进行涂色标记。通过定日镜场控制系统将定日镜的水平角调为0度。启动无人机，手动控制无人机飞行至标准点正上空一定高度处，固定相机镜头角度竖直向下，对标准点进行拍照，并移动无人机使标准点位于图像中心，获取无人机GPS数据坐标位置(A’，B’)，记录(A’，B’)与(A，B)间的差值；换一个标准点，重复上述步骤1至100次，取多次记录差值的平均值，作为无人机GPS的校正值。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
根据定日镜场中需要校正的定日镜位置，确定无人机飞行路线，并将路线输入至无人机控制系统。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
通过定日镜场控制系统将需要测绘的定日镜的水平角调为0度，无人机飞行至定日镜场上空h米高度处进行悬停，固定镜头角度竖直向下，拍摄定日镜照片，并同步采集无人机飞行状态数据，并将定日镜场照片和无人机飞行状态数据传回至图像处理系统。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：
图像处理系统提取定日镜照片中反射镜面的轮廓，并计算定日镜反射镜面中心在照片中的像素位置。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：
根据无人机GPS数据及校正的纠正值，确定定日镜场照片中心像素的坐标位置；根据反射镜的边长，确定照片单位像素对应的实际距离；根据每个定日镜反射面中心的像素位置、照片中心像素坐标以及单位像素对应的实际距离，计算每个定日镜反射面中心的坐标。
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