CN114253297B - 一种船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,包括以下步骤:S1:操控无人机飞行至船舶正前方且高于所述船舶的空中位置;S2:识别所述无人机的摄像头中的天际线和所述船舶的最高点,基于所述天际线与所述最高点,获得所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距;S3:基于所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面循环飞行,确保所述无人机接触到所述船舶的尾气。本发明在旋翼无人机抵达船舶所在位置之后,旋翼无人机主动且安全地追踪尾气,实现监测过程的自动化。
Description
技术领域
本发明涉及船舶尾气监测领域,特别涉及一种船舶尾气监测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法。
背景技术
国际海事组织IMO的全球限硫令和我国船舶大气污染物排放控制区实施方案都对海船燃油的硫含量做出了限制规定,绝大多数区域要求硫含量不得超过0.5m/m,局部区域要求硫含量不得超过0.1m/m。由于不同硫份含量的柴油之间存在较大的价格差异,如果没有有效的监管方法,期望船主自觉使用更高成本的低硫柴油并不现实,海事部门如何检查船舶是否在排放控制区使用了低硫油是关键。目前,国内外海事局常利用船舶尾气监测无人机对在航船舶尾气中的SO2和CO2浓度进行跟踪监测,通过硫碳比估算燃油硫含量,以提高监管效率;鉴于旋翼无人机具有机动灵活和自动悬停的优势,绝大多数船舶尾气监测无人机采用旋翼无人机作为气体传感器搭载平台。
然而,监测过程中需要飞手精神高度集中,既要操控无人机抵近船舶烟囱主动追踪尾气,又要时刻注意间距和高差以避免碰撞,对飞手的精力消耗带来很大的负担,也存在较大的安全隐患。在无人机抵达船舶所在位置之后,无人机自己主动且安全地追踪尾气,是解决船舶尾气监测旋翼无人机智能化的关键。
发明内容
本发明提出了一种船舶尾气监测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,实现监测过程的自动化。
为实现上述目的,本申请提供了如下方案:
一种船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,包括以下步骤:
S1:操控无人机飞行至船舶正前方且高于所述船舶的空中位置;
S2:识别所述无人机的摄像头中的天际线和所述船舶的最高点,基于所述天际线与所述最高点,获得所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距;
S3:基于所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面循环飞行,确保所述无人机接触到所述船舶的尾气。
优选的,所述S1还包括:所述无人机与所述船舶的船头的水平间距≥1个所述船舶的船身长度;所述无人机高于所述船舶的最高点,所述船舶的最高点低于所述天际线。
优选的,识别所述无人机的摄像头中的天际线和所述船舶的最高点的方法包括:
人工识别天际线,获得所述天际线;
人工框选图像,获得所述船舶所在的区域;
基于图像边缘算法,获得所述船舶所在的区域中所述船舶的边缘像素;
选择所述船舶的边缘像素中最接近所述天际线的点作为所述船舶的最高点。
优选的,获得所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距的方法为:
获取初始时刻的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置;
获取预设时长t的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置;
基于所述初始时刻的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置、所述预设时长t的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置,获得所述无人机与所述船舶间的高度差,同时获得所述预设时长t时的所述无人机与所述船舶间的水平间距。
优选的,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面循环飞行的方法为:
预设所述无人机与所述船舶最高点的最低高度差;当所述无人机飞行至所述最低高度差时,判断所述船舶最高点是否在所述天际线下,若是,则所述无人机继续循环飞行;若不是,则所述无人机终止飞行;当所述无人机飞行时长等于预设值时,无论所述船舶最高点是否在所述天际线下,所述无人机都终止飞行。
优选的,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面按矩形路线循环飞行。
优选的,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面按矩形路线循环飞行包括两种情况:
所述船舶的尾气向右扩散则以所述无人机当下位置与下降至最低高度差高度的竖线为矩形左边;所述船舶的尾气向左扩散则所述竖线为矩形右边。
优选的,当所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面按矩形路线循环飞行时,预设所述无人机的水平飞行距离,所述水平飞行距离与风速成正比。
本发明的有益效果为:
本发明提供了一种船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,在旋翼无人机抵达船舶所在位置之后,旋翼无人机主动且安全地追踪尾气,实现监测过程的自动化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种船舶尾气监测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法流程示意图;
图2为本发明实施例的计算无人机与船舶间的高差与水平间距的示意图;
图3为本发明实施例的无人机沿垂直于船舶航向的面按矩形路线循环飞行的示意图。
具体实施方式
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。
为使发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在本实施例中,如图1-3所示,一种船舶尾气监测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,包括以下步骤:
S1:操控无人机飞行至船舶正前方且高于船舶的空中位置。
具体的,无人机位于船舶航线正前方,确保无无人机悬停时,船舶行驶时可以从无人机正下方经过。
具体的,无人机与船头之间的水平间距至少大于1个船长,确保最不利风向情况下,即尾气向前随风扩散时,无人机不会错过船舶尾气。
具体的,无人机高于船舶的最高点,通常最高点是烟囱或桅杆,判断标准是无人机传回的画面中,船舶的最高点位于天际线之下。
S2:识别无人机的摄像头中的天际线和船舶的最高点,基于天际线与最高点,获得无人机与船舶的高度差和水平间距。
在本实施例中,识别无人机的摄像头中的天际线和船舶的最高点的方法具体包括:
大多数无人机采用的是可见光摄像头,得到的是RGB三色照片;如果无人机采用的是红外摄像头,得到的是热红外照片,则效果更好。
步骤1:考虑到天际线极远,天与水的边界较模糊,人工识别天际线所在行记作lsky。如果相机完全水平,则天际线一般在画面正中央,俯仰视场角度为0;否则,则不在画面正中央,俯仰视场角度不为0。
步骤2:人工框选图像中船舶所在的大致区域,避免其他船舶或背景物体的干扰。运行图像边缘算法,识别人工框选图像中船舶的边缘像素。边缘像素往往位于色差变化剧烈的位置,利用任意的图像边缘算法可以突出并提取边缘像素。
步骤3:识别船舶的边界像素中最接近天际线的那个点作为船舶制高点,所在行为记作lship,即lsky-lship最小。
在本实施例中,获得无人机与船舶的高度差和水平间距的方法具体包括:
步骤1:记录初始时刻的lsky_0和lship_0。
步骤2:记录特定时长t之后的lsky_t和lship_t,t的单位为s,例如10s。
步骤3:计算无人机与船舶间的高差h=vt/(ctan(asky_0-aship_0)-ctan(asky_t-aship_t)),
特定的相机具有特定的CCD上下的宽度w(非左右的长度)和焦距f,单位为mm。拍摄画面的行号l,单位为像素。自上而下第l(1~d)行的俯仰视场角a在arctan(w/2f)至-arctan(w/2f)之间,上仰为正,下俯为负,俯仰视场角a的计算公式如下为a=arctan(w×(d/2-l)/df)。将lsky_0、lship_0、lsky_t和lship_t代入公式可得到asky_0、aship_0、asky_t和aship_t。
v为船舶的航速,单位m/s,直接获取自船舶AIS信息,即计算初始时刻和t时刻的船舶经纬度位置之间的间距除以时间间隔t。
步骤4:计算t时刻的无人机与船舶间的水平间距dt=ctan(asky_t-aship_t)×h。
S3:基于无人机与船舶的高度差和水平间距,无人机沿垂直于船舶航向的面循环飞行,确保无人机接触到船舶的尾气。
在本实施例中,无人机沿垂直于船舶航向的面按矩形路线循环飞行的具体步骤包括:
步骤1:无人机沿垂直于船舶航向的面按矩形路线循环飞行的参数。设定无人机与船舶最高点之间的最低高差hmin,要求该高度不得低于一个阈值,例如5m。判断无人机沿垂直于船舶航向的面按矩形路线循环飞行的左右两种情况,尾气向右扩散则以无人机当下位置与下降至hmin高度的竖线为矩形左边,尾气向左扩散则竖线为矩形右边。设定无人机水平飞行距离p,p与风速成正比,例如风速的3~10倍,如果风速大约为5m/s,则建议p为15~50m。
步骤2:开始飞行并判断hmin安全。飞行的顺序是向下、平移、向上、平移这4个过程的循环。在第一次向下飞行至hmin位置时,人工判断船舶最高点是否在天际线之下,或执行S2判断lsky是否在lship_0之上。如果是,则继续执行循环飞行;如果不是,则终止飞行。
步骤3:飞行时长等于2×dt/v时,终止飞行。
本发明适用于旋翼无人机,要求具备自动悬停能力、自带相机和图传、相机自带增稳云台并保持水平。
本发明的方法不包括无人机从起点飞往船舶和飞离船舶至降落的过程。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述,并非对本申请的范围进行限定,在不脱离本申请设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:操控无人机飞行至船舶正前方且高于所述船舶的空中位置;
S2:识别所述无人机的摄像头中的天际线和所述船舶的最高点,基于所述天际线与所述最高点,获得所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距;
S3:基于所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面循环飞行,确保所述无人机接触到所述船舶的尾气;
识别所述无人机的摄像头中的天际线和所述船舶的最高点的方法包括:
人工识别天际线,获得所述天际线;
人工框选图像,获得所述船舶所在的区域;
基于图像边缘算法,获得所述船舶所在的区域中所述船舶的边缘像素;
选择所述船舶的边缘像素中最接近所述天际线的点作为所述船舶的最高点;
获得所述无人机与所述船舶的高度差和水平间距的方法为:
获取初始时刻的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置;
获取预设时长t的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置;
基于所述初始时刻的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置、所述预设时长t的所述天际线的位置和所述船舶的最高点的位置,获得所述无人机与所述船舶间的高度差,同时获得所述预设时长t时的所述无人机与所述船舶间的水平间距。
2.根据权利要求1所述的船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,其特征在于,所述S1还包括:所述无人机与所述船舶的船头的水平间距≥1个所述船舶的船身长度;所述无人机高于所述船舶的最高点,所述船舶的最高点低于所述天际线。
3.根据权利要求1所述的船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,其特征在于,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面循环飞行的方法为:
预设所述无人机与所述船舶最高点的最低高度差;当所述无人机飞行至所述最低高度差时,判断所述船舶最高点是否在所述天际线下,若是,则所述无人机继续循环飞行;若不是,则所述无人机终止飞行;当所述无人机飞行时长等于预设值时,无论所述船舶最高点是否在所述天际线下,所述无人机都终止飞行。
4.根据权利要求3所述的船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,其特征在于,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面按矩形路线循环飞行。
5.根据权利要求4所述的船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,其特征在于,所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面按矩形路线循环飞行包括两种情况:
所述船舶的尾气向右扩散则以所述无人机当下位置与下降至最低高度差高度的竖线为矩形左边;所述船舶的尾气向左扩散则所述竖线为矩形右边。
6.根据权利要求4所述的船舶尾气检测旋翼无人机的主动安全追踪尾气的方法,其特征在于,当所述无人机沿垂直于所述船舶航向的面按矩形路线循环飞行时,预设所述无人机的水平飞行距离,所述水平飞行距离与风速成正比。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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