CN113389186A - 一种多无人艇协同的海面油污清理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多无人艇协同的海面油污清理方法，包括：S1、接收海面油污图像，检测油污面积是否小于面积阈值，若检测结果为否，则执行S2；S2、提取油污图像边缘轮廓的凸包，提取该凸包上的节点，即为凸包点，按照设定顺序存储至凸包点集中；S3、对凸包点进行聚类，从各个类中选取目标凸包点，将目标凸包点分配给距其最近的无人艇；S4、以无人艇的当前位置作为起点，规划各无人艇至目标凸包点的行驶路径；S5、行驶至目标凸包点后，控制无人艇的头部指向油污中心，打开油污清理设备，控制无人艇朝油污中心方向行驶设定距离后关掉油污清理设备，返回S1。通过多艘无人艇极协作清理，提高了作业效率、避免了人工参与所带来的危害性。

Description

一种多无人艇协同的海面油污清理方法及系统

技术领域

本发明属于水域环保技术领域，更具体地，本发明涉及一种多无人艇协同的海面油污清理方法及系统。

背景技术

海面原油的泄漏对于海洋生物以及生态环境造成了恶劣影响。目前，对于海面原油污染主要有三种清理方法：生物法、化学法和物理法。生物法环保高效，但外来降解油类的细菌成活率低，限制其大规模应用。化学法分为化学试剂反应法或就地燃烧法，化学试剂通常用到分散剂等，能够分解海面上的原油，但容易对水资源造成二次污染；就地燃烧方法虽简便，但同时会产生大量化学残留物或烟，同样造成二次污染。物理法是借助于围油栏将油类扩散控制住，并用撇油装置或吸油材料将浮油从泄漏区域以某种可传输的方式分离贮存起来。

在对海面油污进行清理时，一般清理方法是人工驾驶船只使用围油栅将油污围控，并利用清理设备对油污进行清理回收。但是当面对较为复杂的海面环境时，如多雾、多雨等天气，工作人员将会因视线受阻而无法实时操纵船只；当作业面积过大时，则需大量船只和人员进行长时间工作，同时原油泄漏易发生火灾，且油污中含有苯、芳香烃、硫化氢等有毒气体，不利于工作人员的作业和身体健康。此种方法成本高、作业范围受环境影响较大且具有一定的危害性。

发明内容

本发明提供一种多无人艇协同的海面油污清理方法，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种多无人艇协同的海面油污清理方法，所述方法具体包括如下步骤：

S1、接收无人机拍摄的海面油污图像，检测油污面积是否小于面积阈值，若检测结果为否，则执行步骤S2，若检测结果为是，则判定油污清理完毕；

S2、提取油污图像的边缘轮廓及边缘轮廓的凸包，提取该凸包上的节点，即为凸包点，按照设定顺序存储至凸包点集中；

S3、对凸包点进行聚类，从各个类中选取目标凸包点，将目标凸包点分配给距其最近的无人艇；

S4、以无人艇的当前位置作为起点，规划各无人艇至目标凸包点的行驶路径；

S5、行驶至对应的目标凸包点后，控制无人艇的头部指向油污中心，打开油污清理设备，控制无人艇朝油污中心方向行驶设定距离后关掉油污清理设备，在所有无人艇行驶设定距离后，返回步骤S1。

进一步的，凸包点的聚类方法具体如下：

S31、从凸包点集中选取下一凸包点，计算下一凸包点与上一凸包点的间距；

S32、若所述间距小于参考间距d，则将下一凸包点划分至上一凸包点所在类，若所述间距大于参考间距d，则将下一凸包点划分至新的类，检测当前凸包点是否凸包点集中的最后一个凸包点，若检测结果为否，则执行步骤S31，若检测结果为是，则输出所有类及各类对应的凸包点集。

进一步的，目标凸包点的确定方法具体如下：

S33、从每个类中选取一个距油污中心距离最远的凸包点作为该类的类凸包点；

S34、从类凸包点中选取距油污中心最远的m个目标凸包点，其中，m为无人艇数量。

进一步的，所述步骤S34具体如下：

S341、检测类凸包点的数量是否大于等于无人艇数量；

S342、若检测结果为是，则将类凸包点距油污中心的距离从大到小进行排列，选择前m个类凸包点作为目标凸包点，

S343、若检测结果为否，将参考间距d值减小设定值，对凸包点重新聚类，获取每个类的类凸包点，执行步骤S341。

进一步的，无人艇的路径规划方法具体如下：

S41、将无人艇当前位置定义为初始点，以对应的目标凸包点作为终止点；

S42、以初始点和终止点为直径做圆，以初始点与终止点所形成的线段作为偏移线段；

S43、控制偏移线段朝偏离油污区域的方向转动设定角度；

S44、检测该偏移线段是否穿越油污区域，若检测结果为是，则执行步骤S43，若检测结果为否，则执行步骤S45；

S45、将偏移线段与圆的交点作为目标圆点，将初始点与目标圆点直线连接，目标圆点与终止点直线连接，形成直角路径Ⅰ；

S46、将对应的目标凸包点定义为初始点，以无人艇的当前位置作为终止点，执行步骤S42至S45后，获取直角路径Ⅱ；

S47、计算直角路径Ⅰ与直角路径Ⅱ的交点，将无人艇当前位置与该交点直线连接，将该交点与对应的目标凸包点直线连接后形成的路径即为该无人艇的行驶路径。

进一步的，偏移线段穿过油污区域的检测方法具体如下：

将偏移线段进行n等分，检测是否存在位于油污区内的等分点，若检测结果为是，则认定偏移线段穿过油污区域，若检测结果为否，则认定偏移线段未穿过油污区域。

进一步的，目标圆点的获取方法具体如下：

S48、检测油污中心是否位于偏移线段的左侧，若检测结果为是，则控制偏移线段顺时针偏移设定角度，执行步骤S49，若检测结果为否，则控制偏移线段逆时针偏移设定角度，执行步骤S49；

S49、计算偏移线段与原的交点c，对起始点与交点c所在的线段进行n等分，检测所有的等分点是否均不在油污区域上；

S410、若检测结果为是，则将偏移线段与圆的交点c作为目标圆点，若检测结果为否，则执行步骤S48；

其中，n的表达式如下：

其中，round(x)函数定义为四舍五入，c(1)，c(2)分别表示交点c的横坐标和纵坐标，p1(1)，p1(2)分别表示初始点的横坐标和纵坐标。

本发明还提供的一种多无人艇协同的海面油污清理系统，所述系统包括：

无人机，无人机与控制单元通讯连接，控制单元与多艘无人艇通讯连接；

无人机将拍摄的油污图像发送至控制单元，控制单元基于上述多无人艇协同的清理海面油污清理方法来控制无人艇进行海面油污的清理。

本发明利用多无人艇协同作业来替代人工清理油污，可有效完成油污清理工作；相比于人工清理方法，本发明通过多艘无人艇协作清理，提高了作业效率、降低了作业成本、避免了人工参与所带来的危害性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多无人艇协同的海面油污清理方法流程图；

图2为本发明实施例提供的无人艇的路径规划方法示意图；

图3为本发明实施例提供的目标圆点查找方法流程图；

图4为本发明实施例提供的路径规划仿真图，其中(a)是第一次油污清理的路径规划仿真图，(b)是第二次油污清理的路径规划仿真图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图1为本发明实施例提供的多无人艇协同的海面油污清理方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

S1、接收无人机拍摄的海面油污图像，对油污图像进行灰度化、二值化处理，确定海面油污图像中的油污区域及非油污区域，又可以称为海面区域，检测油污区域的面积是否小于面积阈值，若检测结果为是，则认定海面上的油污清理完毕，若检测结果为否，则需要继续进行海面油污的清理，即执行步骤S2；

S2、提取油污区域的缘轮廓及边缘轮廓的凸包，提取该凸包上的节点，即为凸包点，将凸包点按照设定顺序进行存储，存储至凸包点集中；

凸包包围边缘轮廓的凸多边形，凸多边形上的相邻两条线段的交点即为节点，在本发明中称为凸包点。

S3、对凸包点进行聚类，从各个类中选取目标凸包点，将目标凸包点分配给距其最近的无人艇；

本发明提供的凸包点聚类方法具体如下：

S31、从凸包点集中选取下一凸包点作为当前凸包点，计算当前凸包点与上一凸包点的间距；

S32、若该间距小于等于参考间距d，则将当前凸包点划分至上一凸包点所在类，若该间距大于参考间距d，则将当前凸包点划分至新的类；

S33、检测当前凸包点是否凸包点集中的最后一个凸包点，若检测结果为否，则执行步骤S31，若检测结果为是，则输出所有类及各类对应的凸包点集。

在本发明实施例中，目标凸包点的选取方法具体如下：

S34、从每个类中选取一个距油污中心距离最远的凸包点作为该类的类凸包点；

S35、从类凸包点中选取距油污中心最远的m个目标凸包点，其中，m为无人艇数量，其选取过程具体如下：

S351、检测类凸包点的数量是否大于或等于无人艇数量；

S352、若检测结果为是，则将类凸包点距油污中心的距离从大到小进行排列，选择前m个类凸包点作为目标凸包点；

S353、若检测结果为否，将参考间距d值减小设定值，对凸包点重新聚类，获取每个类的类凸包点，执行步骤S351。

S4、以无人艇的当前位置作为起点，规划各无人艇至目标凸包点的行驶路径；

图2为本发明实施例提供的无人艇的路径规划方法示意图，该无人艇的路径规划方法具体如下：

S41、将无人艇当前位置定义为初始点，以对应的目标凸包点作为终止点；

S42、以初始点和终止点为直径做圆，以初始点与终止点所形成的线段作为偏移线段；

S43、控制偏移线段朝偏离油污区域的方向转动设定角度；

S44、检测该偏移线段是否穿越油污区域，若检测结果为是，则执行步骤S43，若检测结果为否，则执行步骤S45；

S45、将偏移线段与圆的交点作为目标圆点，将初始点与目标圆点直线连接，目标圆点与终止点直线连接，形成直角路径Ⅰ；

S46、将对应的目标凸包点定义为初始点，以无人艇的当前位置作为终止点，执行步骤S42至S45后，获取直角路径Ⅱ；

S47、计算直角路径Ⅰ与直角路径Ⅱ的交点，将无人艇当前位置与该交点直线连接，将该交点与对应的目标凸包点直线连接后形成的路径即为该无人艇的行驶路径。

在本发明实施例中，偏移线段穿过油污区域的检测方法具体如下：将偏移线段进行n等分，检测是否存在位于油污区内的等分点，若检测结果为是，则认定偏移线段穿过油污区域，若检测结果为否，则认定偏移线段未穿过油污区域。

在本发明实施例中，偏移方向判断规则具体如下：

若油污中心点位于初始点指向终止点的向量左侧，则控制偏移线段顺时针偏移，反之，控制偏移线段逆时针偏；若油污中心点位于终止点指向初始点的向量右侧，则控制偏移线段顺时针偏移，反之，控制偏移线段逆时针偏移。

在规划直角路径Ⅰ时，初始点为无人艇当前位置，终止点为对应的目标凸包点；在规划直角路径Ⅱ时，初始点为对应的目标凸包点，终止点为无人艇的当前位置。

利用初始点指向终止点的向量与终止点指向油污中心向量的角度差来替代偏移规则中油污中心点位于初始点指向终止点向量和终止点指向初始点向量的左右情况来判断，判断规则如下：

其中，α_s为初始点指向终止点的向量与水平轴夹角、α1为终止点指向油污中心点的向量与水平轴夹角、Δα为设定的角度偏移量。

α_s和α1的计算公式为：

α_s＝arctan(p2(2)-p1(2),p2(1)-p1(1))

α1＝arctan(A(2)-p1(2),A(1)-p1(1))

其中，p1为初始点，p1(1)，p1(2)分别表示初始点的横坐标和纵坐标；p2为终止点，p2(1)，p2(2)分别表示终止点的横坐标和纵坐标；A为油污中心，A(1)，A(2)分别表示油污中心的横坐标和纵坐标。

偏移后线段与水平轴的夹角为α_temp，其取值与偏移方向有关，即：

图3为本发明实施例提供的目标圆点查找方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

S48、检测油污中心是否位于偏移线段的左侧，若检测结果为是，则控制偏移线段顺时针偏移设定角度，执行步骤S49，若检测结果为否，则控制偏移线段逆时针偏移设定角度，执行步骤S49；

S49、计算偏移线段与原的交点c，对起始点与交点c所在的线段进行n等分，检测所有的等分点是否均不在油污区域上；

S410、若检测结果为是，则将偏移线段与圆的交点作为目标圆点，若检测结果为否，则执行步骤S48。

偏移线段是指初始点与终止点连线线段，n的表达式如下：

其中，round(x)函数定义为四舍五入，c(1)，c(2)分别表示交点c的横坐标和纵坐标，在本发明的另一实施例中，还可以基于设定距离对起始点与交点c所在的线段进行等分。

路径规划仿真图分别如图4所示，(a)是第一次油污清理的路径规划仿真图，(b)是第二次油污清理的路径规划仿真图，其中，区外路径是指无人艇由当前位置运动到目标凸包点的路径，区内路径是指无人艇清理油污时所行驶的路径。由仿真图可看出：无人艇的区内路径起始点均为目标凸包点，保证了无人艇清理油污时处于油污区域最凸的位置，即表油污区域面积的变化是不断减少且成收缩趋势，由图中区外路径可表明通过自定义直角法可以高效规划出无人艇到达目标凸包点的航行路径。

S5、行驶至对应的目标凸包点后，控制无人艇的头部指向油污中心，打开油污清理设备，控制无人艇朝油污中心方向行驶设定距离后关掉油污清理设备，在所有无人艇行驶到设定距离后，返回步骤S1。

在本发明实施例中，在无人艇基于规划的路径行驶至对应的目标凸包点后，首选控制无人艇在目标凸包点处进行转动，以使其头部对准油污中心后，打开油污清理设备，同时控制无人艇沿油污中心与目标凸包点的连线向油污中心运动，边运动边清理，直至所有无人艇沿油污中心与目标凸包点的连线运动设定距离或设定时长(以设定的速度行驶)后，关闭油污清理设备，本次清理完毕，通过拍摄的油污图像判断本次油污清理后，海面的油污是否清理完毕，若没有清理完毕，则基于上述流程进行再次清理，直至海面油污清理完毕。

另一方面，本发明还提供一种多无人艇协同的海面油污清理系统，该系统包括：无人机，无人机与控制单元通讯连接，控制单元与多艘无人艇通讯连接；无人机将拍摄的油污图像发送至控制单元，控制单元上述多无人艇协同的海面油污清理方法来控制无人艇进行海面油污的清理。

本发明利用多无人艇协同作业来替代人工清理油污，可有效完成油污清理工作；相比于人工清理方法，本发明通过多艘无人艇极协作清理，提高了作业效率、降低了作业成本、避免了人工参与所带来的危害性。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多无人艇协同的海面油污清理方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1、接收无人机拍摄的海面油污图像，检测油污面积是否小于面积阈值，若检测结果为否，则执行步骤S2，若检测结果为是，则判定油污清理完毕；

S2、提取油污图像的边缘轮廓及边缘轮廓的凸包，提取该凸包上的节点，即为凸包点，按照设定顺序存储至凸包点集中；

S3、对凸包点进行聚类，从各个类中选取目标凸包点，将目标凸包点分配给距其最近的无人艇；

S4、以无人艇的当前位置作为起点，规划各无人艇至目标凸包点的行驶路径；

S5、行驶至对应的目标凸包点后，控制无人艇的头部指向油污中心，打开油污清理设备，控制无人艇朝油污中心方向行驶设定距离后关掉油污清理设备，在所有无人艇行驶设定距离后，返回步骤S1。

2.如权利要求1所述多无人艇协同的海面油污清理方法，其特征在于，凸包点的聚类方法具体如下：

S31、从凸包点集中选取下一凸包点，计算下一凸包点与上一凸包点的间距；

S32、若所述间距小于参考间距d，则将下一凸包点划分至上一凸包点所在类，若所述间距大于参考间距d，则将下一凸包点划分至新的类，检测当前凸包点是否是凸包点集中的最后一个凸包点，若检测结果为否，则执行步骤S31，若检测结果为是，则输出所有类及各类对应的凸包点集。

3.如权利要求2所述多无人艇协同的海面油污清理方法，其特征在于，目标凸包点的确定方法具体如下：

S33、从每个类中选取一个距油污中心距离最远的凸包点作为该类的类凸包点；

S34、从类凸包点中选取距油污中心最远的m个目标凸包点，其中，m为无人艇数量。

4.如权利要求3所述多无人艇协同的海面油污清理方法，其特征在于，所述步骤S34具体如下：

S341、检测类凸包点的数量是否大于等于无人艇数量；

S342、若检测结果为是，则将类凸包点距油污中心的距离从大到小进行排列，选择前m个类凸包点作为目标凸包点，

S343、若检测结果为否，将参考间距d值减小设定值，对凸包点重新聚类，获取每个类的类凸包点，执行步骤S341。

5.如权利要求1所述多无人艇协同的海面油污清理方法，其特征在于，无人艇的路径规划方法具体如下：

S41、将无人艇当前位置定义为初始点，以对应的目标凸包点作为终止点，

S42、以初始点和终止点为直径做圆，以初始点与终止点所形成的线段作为偏移线段；

S43、控制偏移线段朝偏离油污区域的方向转动设定角度；

S44、检测该偏移线段是否穿越油污区域，若检测结果为是，则执行步骤S43，若检测结果为否，则执行步骤S45；

S45、将偏移线段与圆的交点作为目标圆点，将初始点与目标圆点直线连接，目标圆点与终止点直线连接，形成直角路径Ⅰ；

S46、将对应的目标凸包点定义为初始点，以无人艇的当前位置作为终止点，执行步骤S42至S45后，获取直角路径Ⅱ；

S47、计算直角路径Ⅰ与直角路径Ⅱ的交点，将无人艇当前位置与该交点直线连接，将该交点与对应的目标凸包点直线连接后形成的路径即为该无人艇的行驶路径。

6.如权利要求5所述多无人艇协同的海面油污清理方法，其特征在于，偏移线段穿过油污区域的检测方法具体如下：

将偏移线段进行n等分，检测是否存在位于油污区内的等分点，若检测结果为是，则认定偏移线段穿过油污区域，若检测结果为否，则认定偏移线段未穿过油污区域。

7.如权利要求5所述多无人艇协同的海面油污清理方法，其特征在于，目标圆点的获取方法具体如下：

S48、检测油污中心是否位于偏移线段的左侧，若检测结果为是，则控制偏移线段顺时针偏移设定角度，执行步骤S49，若检测结果为否，则控制偏移线段逆时针偏移设定角度，执行步骤S49；

S49、计算偏移线段与圆的交点c，对起始点与交点c所在的线段进行n等分，检测所有的等分点是否均不在油污区域上；

S410、若检测结果为是，则将偏移线段与圆的交点c作为目标圆点，若检测结果为否，则执行步骤S48；

其中，n的表达式如下：

其中，round(x)函数定义为四舍五入，c(1)，c(2)分别表示交点c的横坐标和纵坐标，p1(1)，p1(2)分别表示初始点的横坐标和纵坐标。

8.一种多无人艇协同的海面油污清理系统，其特征在于，所述系统包括：

无人机，无人机与控制单元通讯连接，控制单元与多艘无人艇通讯连接；

无人机将拍摄的油污图像发送至控制单元，控制单元基于权利要求1至7任一权利要求所述的多无人艇协同的海面油污清理方法来控制无人艇进行海面油污的清理。

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