CN111634416A - 一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式 - Google Patents

一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式，它包括主无人机1台、副无人机2台、无人机控制基台。所述无人机包括：无线充电电池组、5G通讯模块、INS模块、GNSS模块、激光测距模块、微控单元。主无人机包括摄像模块，副无人机包括激光雷达模块。无人机控制基台包括：无线充电平台、5G通讯模块、设施中控单元、操作终端、AIS基站。所述无人机控制基台安装在岸侧或水面建筑设施上，为无人机组提供停靠和充电。控制基台和无人机组直接使用5G通信，可以实时传输大量视频及激光雷达点云数据。本发明能够通过任意指定航段内的AIS数据流锁定需测船舶，控制主副无人机组抵达需测船舶位置，进行船体测绘工作。

Description

一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式
技术领域
本发明涉及无人机及船体测绘技术，尤其涉及一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式。
背景技术
近年来随着低空摄影测量及其辅助设备的发展，激光雷达的快速推广以及数字摄影测量等技术的不断成熟使得无人机得到了进一步的完善。在各种技术不断成熟的情况下，使得通过地面无线电通信网络，实现起飞、到达指定的空域，进行航测以及返回地面等操作的无人机低空遥感技术越来越成熟，为获取地面任意角度清晰图像提供了一种重要的方法。
基于无人机群组的船体测绘设施的提出就是为了解决船体测绘的相关问题，特别是对船舶安检工作提供便利。随着内河流域航运的大力发展，船舶安检工作成为航道管理的一项重要工作。如何快速高效、准确、安全的进行此类工作，是保障通航安全，提高通航服务质量的关键。基于无人机群组的船体测绘设施能够有效降低船舶安检作业的专业性要求，减少作业工作量，提高船体安检处理的自动化程度。如果此设计目标能够达成，将大大改善船舶安检的效率，产生良好的经济效益。
发明内容
本发明主要解决和改善的问题应对现有技术中的不足，提出一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式。
本发明采用的技术方案是：一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式，其特征包括以下步骤：
1.一种基于无人机群组的船体测绘设施，其特征在于：包括无人机组、无人机控制基台；
所述无人机组配置有飞行机构和控制机构，无人机组和无人机控制基台通过5G通信模块进行数据信息交互；
所述的无人机组包括主无人机1台和副无人机2台；
所述的主、副无人机包括无线充电电池组、5G通信模块、INS模块、GNSS模块、激光测距模块、微控单元；
所述的主无人机包括摄像模块，副无人机包括激光雷达模块。
2.所述的无人机控制基台包括：5G通信模块、无线充电平台、设施中控单元、AIS基站、操作终端。
3.所述无线充电电池组可配合无线充电平台使用，在无人机组停靠控制基台时，可进行无线充电；
所述INS模块集成RTK，能够为无人机组提供高质量姿态测量，并将数据通过数据线传输至无人机微控单元；
所述GNSS模块为无人机组提供高精度定位；
所述激光测距模块探头垂直水平面向下安装在无人机底部，测量无人机距离地面或水面间距离；
所述摄像模块安装在主无人机顶部；
所述激光雷达模块安装在副无人机底部，安装角度保证激光雷达竖直方向测量角的一边与水平方向平行，激光雷达斜向下测量地面或水面物体；
所述INS模块、GNSS模块、激光测距模块、摄像模块、激光雷达模块均通过数据线与微控单元连接；
所述微控单元负责控制无人机动作，并采集所有无人机模块信息，发送给设施中控单元。
4.所述的AIS基站还包括GPS天线和VHF天线，通过数据线连接到设施中控单元；
所述系统终端通过数据线连接到设施中控单元，通过5G通信模块与无人机组进行通信，可查看所有信息数据，并远程操控无人机；
所述的设施中控单元接受所有设施信息进行处理和记录。
一种基于无人机群组的船体测绘设施的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)锁定需测船舶，设施中控单元通过解析AIS基站采集到的实时AIS报文，从中得到需测船舶的几何中心位置loc(t)和实时航向及船速信息向量v(t)，计算设施到需测船舶的航道里程，确保无人机组电量能够抵达需测船舶位置，并能顺利返航；
2)控制无人机组抵达目标船舶位置，确认需测船舶位置在无人机组可往返飞行里程范围内后，设施中控单元控制无人机组沿着航道飞往需测船舶地点；
无人机组飞行过程中，激光测距模块实时测量无人机距离水面高度，微控单元根据无人机实时高度控制飞行高度距水面20.0米到20.5米之间，以确保飞行安全；
3)控制无人机布阵，根据船舶实时位置信息loc(t)和v(t)，控制主无人机抵达船艉，沿船舶中轴线、距离船舶几何中心100米处；
控制2台副无人机排布在主无人机两侧距离30米处，3架无人机连线方向垂直船舶中轴线；
无人机组与船舶处于同步状态，随船舶实时位置信息loc(t)和v(t)变化；
根据激光雷达模块的竖直方向测量视角a，调节2台副无人机距水面高度L和距离主无人机的水平距离D，满足如下关系：
Figure BSA0000206671620000031
H＝12m·tan a
4)无人机组按规定动作进行扫描测量，设施中控单元控制2台副无人机开启激光雷达模块，沿船舶中心线方向水平飞行200米距离，扫描船舶船体，并将激光雷达数据集和INS模块数据集发送至设施中控单元；
5)控制无人机返回，设施中控单元控制无人机组飞行至距离水面20.0米至20.5米之间处，返回无人机控制基台，停靠平台后进行无线充电；
6)中控单元完成数据计算，设施中控单元将INS模块测量到的旋转和平移数据集合应用于激光雷达数据集上，所有激光雷达模块点云数据就会投到空间坐标系上，构建出船舶全局外部轮廓数据；
一种基于无人机群组的船体测绘设施及工作方式具有如下益处：
(1)采用无人机组的方式进行船体测绘作业，主无人机负责导航，副无人机负责测绘，可以有效分散单台无人机作业压力，保证作业质量；
(2)采用双副无人机进行船体激光扫描工作，可以同时对船舶船体两面进行点云数据采集工作，采集效率高；
附图说明
图1为一种基于无人机群组的船体测绘设施的主无人机功能模块示意图；
图2为一种基于无人机群组的船体测绘设施的副无人机功能模块示意图；
图3为一种基于无人机群组的船体测绘设施的无人机控制基台功能模块示意图；
图4为设施中控单元控制无人机组抵达被侧船舶船艉布阵控示意图；
图5为设施中控单元控制无人机组进行与船舶运动同步情况下开展测量示意图。
附图标号说明：
(1)-主无人机；
(2)-副无人机；
(3)-无线充电电池组；
(4)-5G通信模块；
(5)-INS模块；
(6)-GNSS模块；
(7)-激光测距模块；
(8)-微控单元；
(9)-摄像模块；
(10)-激光雷达模块；
(11)-无线充电平台；
(12)-设施中控单元；
(13)-AIS基站；
(14)-GPS天线；
(15)-VHF天线；
(16)-操作终端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明设施及工作方式进行详细说明。
一种基于无人机群组的船体测绘设施，包括无人机组、无人机控制基台；
无人机组配置有飞行机构和控制机构，无人机组和无人机控制基台通过5G通信模块进行数据信息交互；
无人机组包括主无人机1台和副无人机2台；
主、副无人机包括无线充电电池组、5G通信模块、INS模块、GNSS模块、激光测距模块、微控单元；
主无人机包括摄像模块，如图1所示；副无人机包括激光雷达模块，如图2所示。
无人机控制基台，如图3所示，包括5G通信模块、无线充电平台、设施中控单元、AIS基站、操作终端。
无线充电电池组可配合无线充电平台使用，在无人机组停靠控制基台时，可进行无线充电；
INS模块集成RTK，能够为无人机组提供高质量姿态测量，并将数据通过数据线传输至无人机微控单元；
GNSS模块为无人机组提供高精度定位；
激光测距模块探头垂直水平面向下安装在无人机底部，测量无人机距离地面或水面间距离；
摄像模块安装在主无人机顶部，图像画面通过5G通信模块实时回传给控制基台；
激光雷达模块安装在副无人机底部，安装角度保证激光雷达竖直方向测量角的一边与水平方向平行，激光雷达斜向下测量地面或水面物体，激光雷达装配角度如图5所示；
INS模块、GNSS模块、激光测距模块、摄像模块、激光雷达模块均通过数据线与微控单元连接，将所有采集到的数据传输给微控单元进行处理计算；
微控单元负责控制无人机动作，并采集所有无人机模块信息，发送给设施中控单元。
AIS基站包括GPS天线和VHF天线，通过数据线连接到设施中控单元；
系统终端通过数据线连接到设施中控单元，通过5G通信模块与无人机组进行通信，可查看所有信息数据，并远程操控无人机；
设施中控单元接受所有设施信息进行处理和记录。
一种基于无人机群组的船体测绘设施的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)锁定需测船舶，设施中控单元通过解析AIS基站采集到的实时AIS报文，从中得到需测船舶的几何中心位置loc(t)和实时航向及船速信息向量v(t)，计算设施到需测船舶的航道里程，确保无人机组电量能够抵达需测船舶位置，并能顺利返航。
2)控制无人机组抵达目标船舶位置，确认需测船舶位置在无人机组可往返飞行里程范围内后，设施中控单元控制无人机组沿着航道飞往需测船舶地点；
无人机组飞行过程中，激光测距模块实时测量无人机距离水面高度，微控单元根据无人机实时高度控制飞行高度距水面20.0米到20.5米之间，以确保飞行安全。
3)控制无人机布阵，根据船舶实时位置信息loc(t)和v(t)，控制主无人机抵达船艉，沿船舶中轴线、距离船舶几何中心100米处；
控制2台副无人机排布在主无人机两侧距离30米处，3架无人机连线方向垂直船舶中轴线，如图4所示；
无人机组与船舶处于同步运动状态，随船舶实时位置信息loc(t)和v(t)变化；
根据激光雷达模块的竖直方向测量视角a，调节2台副无人机距水面高度L和距离主无人机的水平距离D，如图5所示，满足如下关系：
Figure BSA0000206671620000051
H＝12m·tan a
4)无人机组按规定动作进行扫描测量，设施中控单元控制2台副无人机开启激光雷达模块，沿船舶中心线方向水平飞行200米距离，扫描船舶船体，并将激光雷达数据集和INS模块数据集发送至设施中控单元。
5)控制无人机返回，设施中控单元控制无人机组飞行至距离水面20.0米至20.5米之间处，返回无人机控制基台，停靠平台后进行无线充电。
6)中控单元完成数据计算，设施中控单元将INS模块测量到的旋转和平移数据集合应用于激光雷达数据集上，所有激光雷达模块点云数据就会投到空间坐标系上，构建出船舶全局外部轮廓数据。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体设施实例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于无人机群组的船体测绘设施，其特征在于：包括无人机组、无人机控制基台；
所述无人机组配置有飞行机构和控制机构，无人机组和无人机控制基台通过5G通信模块(4)进行数据信息交互；
所述的无人机组包括主无人机(1)1台和副无人机(2)2台；
所述的主、副无人机包括无线充电电池组(3)、5G通信模块(4)、INS模块(5)、GNSS模块(6)、激光测距模块(7)、微控单元(8)；
所述的主无人机(1)包括摄像模块(9)，副无人机(2)包括激光雷达模块(10)。
2.如权利要求1所述的一种基于无人机群组的船体测绘设施，其特征在于：所述的无人机控制基台包括5G通信模块(4)、无线充电平台(11)、设施中控单元(12)、AIS基站(13)、操作终端(16)。
3.如权利要求1所述的一种基于无人机群组的船体测绘设施，其特征在于：所述无线充电电池组(3)可配合无线充电平台(11)使用，在无人机组停靠控制基台时，可进行无线充电；
所述INS模块(5)集成RTK，能够为无人机组提供高质量姿态测量，并将数据通过数据线传输至无人机微控单元(8)；
所述GNSS模块(6)为无人机组提供高精度定位；
所述激光测距模块(7)探头垂直水平面向下安装在无人机底部，测量无人机距离地面或水面间距离；
所述摄像模块(9)安装在主无人机顶部；
所述激光雷达模块(10)安装在副无人机底部，安装角度保证激光雷达竖直方向测量角的一边与水平方向平行，激光雷达斜向下测量地面或水面物体；
所述INS模块(5)、GNSS模块(6)、激光测距模块(7)、摄像模块(9)、激光雷达模块(10)均通过数据线与微控单元(8)连接；
所述微控单元(8)负责控制无人机动作，并采集所有无人机模块信息，发送给设施中控单元(12)。
4.如权利要求1所述的一种基于无人机群组的船体测绘设施，其特征在于：所述的AIS基站(13)还包括GPS天线(14)和VHF天线(15)，通过数据线连接到设施中控单元(12)；
所述系统终端(16)通过数据线连接到设施中控单元(12)，通过5G通信模块(4)与无人机组进行通信，可查看所有信息数据，并远程操控无人机；
所述的设施中控单元(12)接受所有设施信息进行处理和记录。
5.一种基于无人机群组的船体测绘设施的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.1)锁定需测船舶，设施中控单元(12)通过解析AIS基站(13)采集到的实时AIS报文，从中得到需测船舶的几何中心位置loc(t)和实时航向及船速信息向量v(t)，计算设施到需测船舶的航道里程，确保无人机组电量能够抵达需测船舶位置，并能顺利返航；
5.2)控制无人机组抵达目标船舶位置，确认需测船舶位置在无人机组可往返飞行里程范围内后，设施中控单元(12)控制无人机组沿着航道飞往需测船舶地点；无人机组飞行过程中，激光测距模块(7)实时测量无人机距离水面高度，微控单元(8)根据无人机实时高度控制飞行高度距水面20.0米到20.5米之间，以确保飞行安全；
5.3)控制无人机布阵，根据船舶实时位置信息loc(t)和v(t)，控制主无人机抵达船艉，沿船舶中轴线、距离船舶几何中心100米处；控制2台副无人机排布在主无人机两侧距离30米处，3架无人机连线方向垂直船舶中轴线；无人机组与船舶处于同步状态，随船舶实时位置信息loc(t)和v(t)变化；根据激光雷达模块(10)的竖直方向测量视角a，调节2台副无人机距水面高度L和距离主无人机的水平距离H，满足如下关系：
Figure FSA0000206671610000021
5.4)无人机组按规定动作进行扫描测量，设施中控单元(12)控制2台副无人机开启激光雷达模块(10)，沿船舶中心线方向水平飞行200米距离，扫描船舶船体，并将激光雷达数据集和INS模块数据集发送至设施中控单元(12)；
5.5)控制无人机返回，设施中控单元(12)控制无人机组飞行至距离水面20.0米至20.5米之间处，返回无人机控制基台，停靠平台后进行无线充电；
5.6)设施中控单元完成数据计算，设施中控单元(12)将INS模块测量到的旋转和平移数据集合应用于激光雷达数据集上，所有激光雷达模块点云数据就会投到空间坐标系上，构建出船舶全局外部轮廓数据。
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