CN112987751B - 自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法 - Google Patents

自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法，系统包括：地面站子系统，用于规划检测航线、向无人船子系统发送控制信息，并从无人船子系统接收采集的数据；无人船子系统，包括主控模块、位姿模块、成像模块及水质检测模块，主控模块控制无人船运动及与其他模块进行数据交互，位姿模块用于实时采集无人船的位姿信息，成像模块用于采集水面图像信息，以辅助无人船行驶，并通过水温异常区域判定等方法，初步排查排污口，水质检测模块用于采集水质指标的量化值，进一步确定排污口；通信模块子系统，负责地面站和无人船之间数据和控制信号的传输。本发明可设置巡航的路径、时间及次数，能够大大提高隐藏排污口排查的效率。

Description

自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法
技术领域
本发明涉及水体质量监测技术领域，尤其涉及一种自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法。
背景技术
近年来，国家对水质保护和水环境治理力度不断加大，排放不达标,甚至恶意偷排污水的情况有所好转，但是仍难以杜绝间歇性的污水偷排，导致传统的监测手段难以胜任隐藏污水口的检测。应用较多的定点监测虽然能实现连续测量，但监测点数量往往有限，而移动较灵活的无人船则主要用于水上测绘，环境检测等领域。但采用采水样进行离线检测的方式，对隐藏排污口检测效果并不是很明显，且无法准确判断污染物的排放位置。此外，人工观测、记录数据等局限性，使得数据的管理和跟踪难以实施。综上所述，行业中对于能实现灵活、快速、有效的排污口检测的技术手段有迫切需求。
发明专利201910557938.6公开了一种无人机的河流排污目动监测分析预警系统。无人机通过图像采集模块对排污口进行污水采样,以获得排污口对应的污水样本。但是由于无人机续航有限，难以进行长时间图像取样；所采集的图像仅能获取水面信息，无法对隐藏地下的排污口进行有效检测。发明专利201910983757.X公开了一种基于热红外图像的水域周边排污口智能检测方法，以无人机采集热红外图像数据，再经过图像拼接、特征点提取、阈值分割等图像处理手段检测温度场异常区域，获得排污口的地理位置。该方法的检测能力有所增强，但复杂的算法将导致图像处理任务无法在无人机上在线完成，时效性较差，无法对水域进行多次、快速取样，对间歇性污水偷排现象的检测能力有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，包括：
地面站子系统，由内置集成平台岸基监控系统的上位机组成，用于规划检测航线、向无人船子系统发送控制信息，并从无人船子系统接收采集的数据；
无人船子系统，由主控模块、位姿模块、电源模块、推进装置、红外热成像仪、高清摄像头和水质检测模块组成，主控模块安装于船体上部平台中的箱体内，负责控制无人船运行；位姿模块安装于船顶用于给无人船提供位置信息；推进装置位于船体后侧两端，用于给无人船提供动力，使其沿着预定的航线进行航行；红外热成像仪与高清摄像头用于获取预定区域图像；
通信子系统，用于实现无人船子系统与地面子系统通信。
进一步的，地面站子系统由内置集成平台岸基监控系统的上位机组成，能够可视化无人船子系统采集的信息流，便于使用者及时有效的操作无人船子系统；并根据检测点位置信息定点保存数据，以便对水质变化情况进行持续、有效的跟踪监测。
进一步的，无人船子系统中的红外热成像仪与高清摄像头，每隔a米对水面图像进行采集，发送给主控模块对航线各区域图像进行色度阈值计算；航程结束后，找出阈值相较平均值差值最大的区域，判断为温度异常区域；无人船驶向该区域，触发安装在船体前外侧底部的水质检测模块，进一步确认该区域水质情况判断是否存在隐藏排污口；基于颜色分布法，计算高清摄像头拍摄图像与预设正常水面图像的相似度，以此判断水面是否存在障碍物，并根据此信息控制无人船行驶，确保行驶安全。
进一步的，所述无人船子系统的主控模块以嵌入式控制板为核心，基于串口通信实现对指令发布和传感器数据接收，获取无人船子系统当前位姿信息，控制左右电机转速，实现对无人船航向控制；地面站子系统通过通信子系统，实现无人船子系统位置、航向、速度信息的获取，实现手动调节无人船及实时监控。
进一步的，所述无人船子系统中位姿模块位于船体上部平台的后侧，用于记录无人船位置、角度、加速度信息；所述位姿模块通过串口与主控制模块相连接，将位置信息传送给主控模块处理。
进一步的，所述无人船子系统的电源模块安装于船体下部两侧平衡放置，经过电压转换后分别为主控板、电机供电。
进一步的，所述地面站子系统接收通信子系统推送的信息流，包括无人船的位姿、水质数据、图像检测结果，根据通信协议进行解析及可视化显示。
一种自动巡航的隐藏排污口快速检测方法，包括如下步骤：
利用地面站子系统做航线规划，将航线信息传送至无人船子系统的主控模块，解算航线信息，输出PWM信号波，控制电机运行；
每隔一定距离采集图像，并记录位置信息；
对采集的数据传送到无人船子系统中的主控模块进行处理，确认水面情况，如果异常，控制无人船绕过该区域；
运行航线结束后，计算红外热成像仪拍摄图像色度阈值，找出较均值差值最大的区域；
无人船再次运行至该区域，用水质检测模块进一步确认该区域水质情况，判断是否存在隐藏排污口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明使用无人船自主进行测量，解决受地形环境等因素限制远距离的操控，其中使用无人船配合地面站子系统可以对航线内信息完整采集、显示；(2)由于使用大津法确认图像色度阈值的方法，无须利用图像算法拼接航程内红外图像，就能大致温度突变区域，判断隐藏排污口的可能；(3)能够简易的、快速的、重复的对水域不间断监测，能够有效管控排污情况。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明中船体的侧视示意图。
图3是本发明中上部箱体内部示意图。
图4是本发明整体系统结构体示意图。
图5是本发明中无人船运行流程图。
图6是本发明中红外热成像与高清摄像头采样方法示意图。
图7是有障碍物区域图像与预设正常区域图像三原色色度统计图。
图8是水温异常区域与正常区域灰度图与直方统计图。
附图标记：1、船体；2、红外热成像仪；3、固定架；4、高清摄像头；5、平台；6、位姿模块；7、第一推进装置；8、第二推进装置；9、第一电源；10、第二电源；11、水质检测模块；12、变压器；13、螺旋桨；14、步进电机；15、底座；16、5G收发器；17、箱体；18、主控模块；19、控制器。
具体实施方式
本发明提供一种自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，该系统包括地面站子系统、无人船子系统和通信子系统，其中，地面站子系统制定检测路线，通过通信子系统将路线信息传递至无人船子系统。无人船按照预定航线航行，使用红外热成像仪与高清摄像头对整个预定区域进行完整拍摄。通过串口传送图像信息到无人船子系统中的主控系统进行分析。使用大津法计算红外热成像仪拍摄图像色度阈值，航线完成后找出阈值相较平均值差值最大的区域，初步判断为水温异常区域。无人船自动驶向该区域，触发安装在船体侧底部的水质检测模块，进一步确认该区域水质情况判断是否存在隐藏排污口。以及使用颜色分布相似度算法，对比高清摄像头拍摄图像与预设正常水面图像，根据相似度大小判断水面是否为存在障碍物。并根据检测信息控制无人船安全行驶。
所述地面站子系统由内置平台岸基监控系统的上位机组成，用于规划检测航线、向无人船发送控制信息，并从无人船接收采集的数据；所述的通信子系统由无人船子系统中5G信号收发器和控制板组成。通信子系统与地面子系统通过终端组网，构成局域网系统，使得地面子系统与无人船子系统能够进行远程通信；所述的无人船子系统包括主控模块、位姿模块、电源模块、推进装置、红外热成像仪、高清摄像头、水质检测模块；所述无人船子系统中，主控模块除控制无人船运行外，还与其他模块进行控制信号和信息的交换，使无人船能够按预定航线航行，并同时分析红外热成像仪与高清摄像头拍摄的图像。当位姿模块记录无人船相较于上次拍摄移动a米时，所述主控模块读取所述红外热成像仪与高清摄像头拍摄的水面图像并进行分析处理，计算红外热成像仪拍摄图像的色度阈值，航程结束后找出阈值相较平均值差值最大的区域，以及计算高清摄像头拍摄水面图像与预设正常水面相似度大小，并根据检测信息控制无人船；所述水质检测模块安装在船体右外侧底部，用于进一步确认该区域水质情况。a的取值表示对水面进行图像采集的采样间隔，可根据测量任务的精度和水域范围来确定，一般可取2-10米。
下面对本发明系统的各组成模块进行详细说明。
地面站子系统能接收通信子系统推送的信息流，如无人船的位姿、水质数据、图像检测结果等，根据通信协议进行解析及可视化显示。并根据检测点位置信息定点保存数据，以便对水质变化情况进行持续、有效的跟踪监测。
无人船子系统上平台的箱体内设有主控模块，以及通信子系统中5G信号收发器和控制板。箱体前端的上表面设有高清摄像头以及红外热成像仪；所述船体的后端连接有两个推进装置，所述推进装置水平布置，其包括带有螺旋桨的步进电机推进器。
主控模块采用嵌入式开发板，搭载无人船控制软件系统完成对无人船的自动导航运行，并且向地面站子系统发送采集的图像信息。
无人船控制软件系统内置神经网络PID算法，根据位姿模块反馈的信息，能够准确控制推进装置，保证无人船航行在规划的航线上。
高清摄像头与红外热成像仪，统计高清摄像头拍摄图像与预设正常水面图像三原色色度，利用余弦相似性公式计算两张图像相似性，根据相似性大小判断该区域可通过性。以及使用大津法计算出红外热成像仪拍摄每张图像色度阈值，航程结束后，找出阈值相较平均值差值最大的区域，判断为水温异常区域。
水质检测模块能够向水下投放，最深可检测水下五米的水质情况。找出最有可能的温度突变区域后，利用水质检测模块在该区域进一步确认存在排污口的可能。
通信子系统采用5G信号收发器和控制器组成，控制器将转发数据信息到与地面站子系统组成的局域网，能够完成对无人船子系统的信息进行有效的传输。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
一种自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，如图1～图4所述，本实施例利用无人船为搭载平台，运动迅速、灵活，操作方便保证的取样处理的高效准确性。利用红外热成像仪和高清摄像头保证了取样，采用大津法和颜色分布相似度比较算法保证结果获取的快速性。
隐藏排污口检测的无人船包括：地面站子系统、无人船子系统和通信子系统。所述地面站子系统用于规划检测航线、向无人船子系统发送控制信息，并从无人船子系统接收采集的数据；所述无人船子系统包括主控模块、位姿模块、电源模块、通信模块、推进装置、红外热成像仪、高清摄像头，水质检测模块；所述无人船子系统中的主控模块，对无人船运行控制；位姿模块，用于给所述船体行驶提供位置、方向、加速度等信息；推进装置，用于给所述船体提供动力，以使所述船体沿着预定的航线进行航行，并同时分析红外热成像仪与高清摄像头拍摄的图像；当位姿模块记录无人船相较于上次拍摄移动a米时，所述主控模块读取所述红外热成像仪与高清摄像头所拍摄的水面图像，并进行分析处理。根据高清摄像头拍摄图像与预设正常水面图像生成的颜色分布统计，而每种颜色都是由红绿蓝三原色组成，三原色色度区间为0～255。统计完成利用余弦相似性公式计算两张图像相似性公式及计算步骤如下：
1)可以将0～255分成四个区：0～63为第0区，64～127为第1区，128～191为第2区，192～255为第3区。这意味着红、绿、蓝、分别划分成4个区，总共可以构成64种组合。
2)根据划分的64组，统计两张图像中各自三原色在每组中的数量。
3)下面公式中Ai，Bi分别表示两张图像在第i组统计的三原色数量。根据公式计算可得相似度。
Figure BDA0002982758670000061
如图7所示，是两张水面图像三原色色度统计值。其中图(a)、(c)为水面图像，图(b)、(d)为三原色色度统计图；按上述步骤1，2将统计值分成64组，然后将两张图像的64组统计值如步骤3所述带入公式。计算两块区域相似性为0.018782，小于0.20，可以判断该区域不可通过，无人船将按照图6所示绕行。
使用大津法计算出红外热成像仪拍摄每张图像色度阈值，大津法计算如下：
对于图像I(x,y)，前景和背景的分割阈值记作T，属于前景的像素点数，占整幅图像的比例记为ω0，其平均灰度μ0；背景像素点数占整幅图像的比例为ω1，其平均灰度为μ1。图像的总平均灰度记为μ，类间方差记为g。
假设图像的背景较暗，并且图像的大小为M×N，图像中像素的灰度值小于阈值T的像素个数记作N0，像素灰度大于阈值T的像素个数记作N1，则有：
Figure BDA0002982758670000062
Figure BDA0002982758670000063
N0+N1＝M×N (3)
ω0+ω1＝1 (4)
μ＝ω0*μ0+ω1*μ1 (5)
g＝+ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2 (6)
将式(5)代入式(6)，得到等价公式：
g＝ω0*ω1*(μ0-μ1)2
得到类间方差，然后采用遍历的方法得到类间方差g最大的阈值T。如图8所示，图(a)、(c)为水面热成像图，图(b)、(d)为两块区域灰度统计图，所求的阈值分别为159和151。
航线结束后找出阈值相较平均值差值最大的区域，判断为水温度突变区域。判断为水温度突变区域后，控制无人船驶向该区域，触发安装在船体外侧底部的水质检测模块，进一步确认该区域水质情况判断是否存在隐藏排污口。
无人船子系统采用嵌入式开发板作为主控制板，运行无人船软件控制系统，控制无人船运行。当地面站子系统制定无人船航线后，通过通信子系统将航线信息传送至无人船子系统的主控模块，主控模块询问位姿模块，获取相关信息运行至航线起始地点，位姿模块给出航向信息，主控模块通过神经网络PID算法对双步进电机的差速控制调整航向，使无人船能够准确的运行在航线上，当高清摄像头采集图像与正常图像颜色分布相似度低于0.20时，主控模块能控制无人船转向，从而绕过有障碍物区域。
通信子系统为5G收发器和控制器组成，与地面站子系统组成局域网，5G能够快速将结果信息传送给地面站子系统。
推进装置采用螺旋桨和步进电机组成，共有两组推进装置分别放置在船体下部左右两侧，通过控制两电机的不同转速实现无人船的转向。
如图1、图2，无人船子系统基本参数为：长度0.5米，宽度0.4米，高度0.35米，吃水深度0.1米。为了保证无人船体稳定性，船体左右前后重量均衡分布。为了能航行距离较远以及平衡重量在船体左右两个加装两块电源。
本发明整体采用模块化分层式设计，共分两层，第一层为平台5，平台内部有箱体17，箱体内部放置主控模块18。主控模块18右边为5G收发器16，左边控制器19，在所述平台5前方放置固定架3，固定架3下部安装红外热成像仪2，上部安装高清摄像头4。以及平台5后侧安装位姿模块6。
第二层为船体1分成左右两边，前端安装第一电池9、第二电池10，后端两侧为第一推进装置7、第二推进装置8，每个推进装置包括步进电机14和螺旋桨13，步进电机14与底座15连接。船体1外侧右前边安装水质检测模块11。船体1外侧左前边安装有变压器12。
结合图5，在本发明优选的实施例中，系统运行包括步骤如下：
步骤1：对待检测区域初步目视勘察，以及设备的安装调试；
步骤2：利用地面站子系统做航线规划，将航线信息传送至无人船子系统的主控模块，解算航线信息，输出PWM信号波，控制电机运行。实现无人船准确的自动导航，并对沿线信息采集。
步骤3：采集的图像，行驶a1米后再次拍摄图像，并记录位置信息。
步骤4：对采集的数据传送到无人船子系统中的主控装置进行处理，确认水面情况，如果异常，控制无人船绕过该区域。
步骤6：运行航线结束后，计算红外热成像仪拍摄图像色度阈值，找出较均值差值最大的区域。
步骤7:无人船再次运行至该区域，用水质检测模块进一步确认。
在本发明优选的实施例中：水质指标超标，pH值6.0～8.5为正常值，低于4或者高于11为超出正常值很多。含氧量一般在20摄氏度条件下饱和溶解氧浓度为8～9mg/L左右，低3mg/L或者高于14mg/L视为超出正常值很多。
综上所述，本发明能对水域内隐藏排污口检测位置进行快速，有效的检测。能够有效控制非法排污，保护环境。
本实施例仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，其特征在于，包括：
地面站子系统，由内置集成平台岸基监控系统的上位机组成，用于规划检测航线、向无人船子系统发送控制信息，并从无人船子系统接收采集的数据；
无人船子系统，由主控模块、位姿模块、电源模块、推进装置、红外热成像仪、高清摄像头和水质检测模块组成，主控模块安装于船体上部平台中的箱体内，负责控制无人船运行；位姿模块安装于船顶用于给无人船提供位置信息；推进装置位于船体后侧两端，用于给无人船提供动力，使其沿着预定的航线进行航行；红外热成像仪与高清摄像头用于获取预定区域图像；
通信子系统，用于实现无人船子系统与地面子系统通信；
无人船子系统中的红外热成像仪与高清摄像头，每隔一定距离对水面图像进行采集，发送给主控模块，对航线各区域图像进行色度阈值计算；航程结束后，找出阈值相较平均值差值最大的区域，判断为温度异常区域；无人船驶向该区域，触发安装在船体前外侧底部的水质检测模块，进一步确认该区域水质情况，判断是否存在隐藏排污口。
2.根据权利要求1所述自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，其特征在于，基于颜色分布法，计算高清摄像头拍摄图像与预设正常水面图像的相似度，以此判断水面是否存在障碍物，并根据此信息控制无人船行驶。
3.根据权利要求1所述的自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，其特征在于，所述主控模块以嵌入式控制板为核心，基于串口通信实现对指令发布和传感器数据接收，获取无人船子系统当前位姿信息，控制左右电机转速，实现对无人船航向控制；地面站子系统通过通信子系统，实现无人船子系统位置、航向、速度信息的获取，实现手动调节无人船及实时监控。
4.根据权利要求1所述的自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，其特征在于，所述位姿模块位于船体上部平台的后侧，用于记录无人船位置、角度、加速度信息；位姿模块通过串口与主控制模块相连接，将位置信息传送给主控模块处理。
5.根据权利要求1所述的自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，其特征在于，所述电源模块安装于船体下部两侧平衡放置，经过电压转换后分别为主控模块、电机供电。
6.根据权利要求1所述的自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，其特征在于，所述地面站子系统接收通信子系统推送的信息流，包括无人船的位姿、水质数据、图像检测结果，根据通信协议进行解析及可视化显示。
7.根据权利要求1所述的自动巡航的隐藏排污口快速检测系统，其特征在于，所述通信子系统，由设置在船体上部平台的5G信号收发器和控制板组成。
8.一种基于权利要求1所述自动巡航的隐藏排污口快速检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用地面站子系统做航线规划，将航线信息传送至无人船子系统的主控模块，解算航线信息，输出PWM信号波，控制电机运行；
每隔一定距离采集图像，并记录位置信息；
对采集的数据传送到无人船子系统中的主控模块进行处理，确认水面情况，如果异常，控制无人船绕过该区域；
运行航线结束后，计算红外热成像仪拍摄图像色度阈值，找出较均值差值最大的区域；
无人船再次运行至该区域，用水质检测模块进一步确认该区域水质情况，判断是否存在隐藏排污口。
9.根据权利要求8所述的自动巡航的隐藏排污口快速检测方法，其特征在于，所述主控模块基于串口通信实现对指令发布和传感器数据接收，获取无人船子系统当前位姿信息，控制左右电机转速，实现对无人船航向控制；地面站子系统通过通信子系统，实现无人船子系统位置、航向、速度信息的获取，实现手动调节无人船及实时监控。
10.根据权利要求8所述的自动巡航的隐藏排污口快速检测方法，其特征在于，所述位姿模块用于记录无人船位置、角度、加速度信息，位姿模块通过串口与主控制模块相连接，将位置信息传送给主控模块处理。
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