CN114553297B - 一种针对无通信信号区域的无人机监控系统及方法 - Google Patents

一种针对无通信信号区域的无人机监控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种针对无通信信号区域的无人机监控系统及方法，通过终端相机节点定时进行拍照并存储照片，并定时传输该给定时巡航的无人机结点Fi，无人机结点Bi定时按照既定的经纬度路线巡航到无通信信号区域中的无人机结点Fi附近，并与无人机结点Fi建立通信获取其存储数据。地面计算结点通过无线通信基站获取无人机结点Bi存储的数据，并对其中的异常进行识别。本实施例采用太阳能充电、成本低，满足海量部署的需要，同时使用无人机作为无线移动基站，收集摄像头图像，并进一步采用计算模型对图像大量压缩，降低功耗，使之满足太阳能供电要求，从而低成本实现对无通信信号区域的无人化监控覆盖。

Description

一种针对无通信信号区域的无人机监控系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机监控系统及方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，监控设备的应用场景越来越多，尤其是某些特定区域禁止人员入内，以避免发生危险、非法事件，比如：火山喷发区、野生动物保护区、原始森林保护区、戈壁无人区等，需要监控是否有人非法闯入，而其中部分区域，地势复杂，林深叶茂，没有通电，没有移动通信信号覆盖，卫星通信信号也很差，这就给部署监控带来巨大的挑战。目前主要靠人员按固定路线巡视，成本和风险巨大，目前急需一种针对无通信信号区域的低成本监控手段。
发明内容
本发明意在提供一种针对无通信信号区域的无人机监控系统及方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。
本发明第一方面的实施例提供一种针对无通信信号区域的无人机监控系统，具体如下：
上述无人机监控系统为分层结构，包括位于无通信信号区域的第一无人机层F和相机终端层C，以及位于有通信信号区域的第二无人机层B和地面站层，其中，
上述地面站层包括至少一个地面计算结点G和基站；
上述终端相机层C包括一个或多个终端相机结点Ci(i＝1～n)，其经纬度坐标为用于定时拍摄并存储照片；
上述第一无人机层F包括一个或多个无人机结点Fi(i＝1～n)，其经纬度坐标为上述无人机结点Fi的无人机按照路线/> 巡航到上述终端相机结点Ci附近，并与上述终端相机结点Ci建立通信获取所述终端相机结点Ci的照片和位置信息；
上述第二无人机层B包括一个或多个无人机结点Bi(i＝1～n)，其经纬度坐标为上述无人机结点Bi的无人机按照路线/> 巡航到上述无人机结点Fi位置，与上述无人机结点Fi建立通信获取其存储数据；
上述地面计算结点G与上述无人机结点Bi与建立通信，接收并存储上述无人机结点Fi中的存储数据。
在本发明第一方面的实施例中，上述终端相机结点Ci包括单片机、红外相机、4G通信模块、太阳能电池以及固定装置。
在本发明第一方面的实施例中，上述无人机结点Fi和无人机结点Bi均包括无人机、太阳能电池、无人机充电桩、3G通信模块，上述无人机进一步包括4G通信模块；
上述无人机结点Fi和无人机结点Bi分别具有计算终端(L1、L2)以及本地数据库(D1、D2)。
在本发明第一方面的实施例中，上述地面计算结点包括PC电脑和3G通信模块，并接入城市供电。
本发明第二方面的实施例提供了一种采用上述针对无通信信号区域的无人机监控系统的无人机监控方法，具体包括以下步骤：
S1：终端相机层C中的终端相机结点Ci以1分钟的频率拍摄并存储照片，然后定时启动终端相机层C中的第一4G通信模块，探测第一无人机层F中的无人机结点Fi的无人机巡航至附近时，发送上述照片和其位置坐标，发送完毕后关闭上述第一4G通信模块；
S2：上述无人机结点Fi的无人机在第一时间点定时按照路线L1i对各个上述终端相机结点Ci进行巡航，巡航至上述终端相机结点Ci附近时启动无人机结点Fi中第二4G通信模块，与上述终端相机结点Ci建立通信连接，接收照片和位置坐标信息，完成后关闭上述第二4G通信模块并返航；
S3：第二无人机层B中的无人机结点Bi的无人机在第二时间点定时按照路线L2i对各个上述无人机结点Fi进行巡航，巡航至上述无人机结点Fi附近时启动地面计算结点G中的3G通信模块，与上述无人机结点Fi建立通信连接，接收无人机结点Fi中存储数据，完成后关闭上述3G通信模块并返航；
S4：地面计算结点G在第三时间点启动上述3G通信模块，通过基站与上述无人机结点Bi建立通信，接收并存储上述无人机结点Bi的无人机中存储的数据，然后对数据进行处理。
在本发明第二方面的实施例中，上述第一时间点、上述第二时间点、上述第三时间点均处于具有日照时间范围，上述第二时间点滞后于上述第一时间6-10小时，上述第三时间滞后于上述第二时间2-3小时。
在本发明第二方面的实施例中，上述步骤S2中上述无人机结点Fi的无人机返航后将数据存储到本地数据库D1中，通过计算终端L1从上述本地数据库D1中循环读入照片，采用10层CNN模型M1进行人体检测；
如果检测到人体，则启动上述无人机结点Fi的无人机按飞行路线L1i进行航拍视频，然后返航，并将视频和人体检测结果信息存储到本地数据库D1中。
在本发明第二方面的实施例中，上述步骤S3中上述无人机结点Bi的无人机返航后将数据存储到本地数据库D2中，通过计算终端L2从上述本地数据库D2中循环读入照片，采用20层CNN模型M2进行人体检测；
如果监测到人体，则启动上述无人机结点Bi的无人机按飞行路线L2i进行航拍视频，然后返航，并将视频和人体检测结果信息存储到本地数据库D2中。
在本发明第二方面的实施例中，上述地面计算结点G对其获取的人体检测结果进行判断，如果人体检测结果不为空，则触发报警，通过上述3G通信模块将结果发送至监控人员手机P。
在本发明第二方面的实施例中，上述地面计算结点G从其本地数据库D3中循环读取照片，采用50层CNN模型M3进行人体检测，如果人体检测结果不为空，则触发报警，通过上述3G通信模块将结果发送至监控人员手机P。
本发明实施例包括以下优点：
本发明实施例实现一种针对无通信信号区域的分层的无人值守的监控系统，实现对一些无通信信号区域的有效监控覆盖，从而大幅降低终端部署成本和人力成本。其中主要优点在于在终端结点使用易拉罐大小的终端相机，隐蔽性强，而且采用太阳能充电、成本低，满足海量部署的需要，同时使用无人机作为无线移动基站，收集摄像头图像，并进一步采用计算模型对图像大量压缩，降低功耗，使之满足太阳能供电要求，从而低成本实现对无通信信号区域的无人化监控覆盖。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无人机监控系统的分层部署示意图；
图2本发明实施例提供的无人机监控系统的架构图；
图3为本发明实施例提供的终端相机结点组成示意图；
图4为本发明实施例提供的无人机结点F和无人机结点B的组成示意图。
图5为本发明实施例提供的地面计算结点G组成示意图。
图6为本发明实施例提供的无人机监控的应用场景示意图；
图7为本发明实施例提供的无人机监控方法步骤示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1和图2分别示出了本发明实施例提供的针对无通信信号区域的无人机监控系统的系统部署图和系统架构图，从中可见，本实施中无人机监控系统为分层结构，包括位于无通信信号区域的第一无人机层F和相机终端层C，以及位于有通信信号区域的第二无人机层B和地面站层，其中，地面站层包括至少一个地面计算结点G、基站以及监控人员手机P；终端相机层C包括一个或多个终端相机结点Ci(i＝1～n)，在本实施例中终端相机结点为100个，分布在100Km范围，用于定时拍摄并存储照片；第一无人机层F包括一个或多个无人机结点Fi(i＝1～n)，在本实施例中，无人机结点Fi为10个，分布在5KM的范围。上述无人机结点Fi的无人机按照路线巡航到上述终端相机结点Ci附近，并与上述终端相机结点Ci建立通信获取上述照片；第二无人机层B包括一个或多个无人机结点Bi(i＝1～n)，在本实施例中无人机结点Bi为1个，在其他实施例中无人机结点Bi可以为多个。上述无人机结点Bi的无人机按照路线/>巡航到上述无人机结点Fi附近，与上述无人机结点Fi的无人机建立通信获取其存储数据，并回到上述地面站层G附近，与上述地面计算结点G建立通信传送上述无人机结点Fi的无人机中的存储数据。
如图3所示，终端相机结点Ci包括单片机、红外相机、4G通信模块、太阳能电池以及固定装置，终端相机结点Ci整体尺寸为140*50*30mm，其中单片机、红外相机和4G通信模块单体尺寸为70*25*9mm，其额定功率2瓦。上述太阳能电池单体尺寸为140*70*9mm，按每年365天，平均每天光照6小时计算，可满足上述功耗需求。
如图4所示，无人机结点Fi和无人机结点Bi均包括无人机、太阳能电池、无人机充电桩、3G通信模块以及计算终端L1、L2，无人机进一步包括4G通信模块。在本实施例中计算终端为龙芯CPU终端，在其它实施例中，也可采用其它架构的CPU终端。上述无人机结点的设计整体额定功率50瓦。太阳能电池为无人机充电桩和计算终端供电，其尺寸为530*670*20mm，按每年365天，平均每天光照6小时计算，可满足上述功耗需求。
如图5所示，地面计算结点包括PC电脑和3G通信模块，并接入城市供电。地面计算结点位于3G通信基站信号覆盖范围内，上述3G通信基站与互联网连接。
本发明第二方面的实施例提供了一种采用上述针对无通信信号区域的无人机监控系统的无人机监控方法，如图6和图7所示，具体包括以下步骤：
S1：终端相机层C中的终端相机结点Ci以1分钟的频率拍摄并存储照片，然后在每天上午8点启动第一4G通信模块，探测无人机层F中的无人机结点Fi的无人机巡航至附近时，发送照片和其位置坐标，发送完毕后关闭4G通信模块。
S2：上述无人机结点Fi的无人机在第一时间点定时按照路线L1i对各个上述终端相机结点Ci进行巡航，其中飞行高度为50米，巡航至上述终端相机结点Ci附近时启动第二4G通信模块，与上述终端相机结点Ci建立通信连接，接收照片和位置坐标信息，完成后关闭上述第二4G通信模块并返航。
进一步，无人机结点Fi的无人机将本次接收的新照片数据存储于本地数据库D1中，无人机结点Fi的龙芯终端L1从本地数据库D1中循环读入照片，采用10层CNN模型M1进行人体检测；
如果检测到人体，则启动上述无人机结点Fi的无人机按飞行路线L1i进行航拍视频，然后返航，并将视频和人体检测结果信息存储到本地数据库D1。每天14点，龙芯终端L1启动3G通信模块，等待无人机结点Bi的无人机抵达后，发送本地数据库D1新增的图片、视频、人体检测结果与位置坐标，传输给无人机结点Bi的无人机。在其它的实施例中也可以每天16点启动上述步骤。
S3：上述无人机结点Bi的无人机每天14点按照路线L2i对各个上述无人机结点Fi进行巡航，巡航至上述无人机结点Fi附近时启动上述3G通信模块，与上述无人机结点Fi建立通信连接，接收无人机结点Fi的无人机中存储的数据，完成后关闭上述3G通信模块并返航。在其它的实施例中也可以每天16点启动上述巡航步骤，只要具备日照条件即可。
进一步，上述无人机结点Bi的无人机将本次接收的新照片、新视频数据存储于本地数据库D2中，无人机结点Bi的龙芯终端L2从本地数据库D2中循环读入照片，采用20层CNN模型M2进行人体检测。
如果监测到人体，则启动上述无人机结点Bi的无人机按飞行路线L2i进行航拍视频，然后返航，并将视频和人体检测结果信息存储到本地数据库D2。每天16点，地面龙芯终端启动3G通信模块，通过3G基站与地面计算结点G通信，将本地数据库D2新增的图片、视频、人体检测结果与位置坐标，发送给地面计算结点G1，传输完成后关闭通信模块。在其它的实施例中，也可以每天16点启动上述巡航步骤，只要具备日照条件即可。
S4：上述地面计算结点G在每天16点启动上述3G通信模块，通过上述基站与上述无人机结点Bi建立通信，接收并存储上述无人机结点Bi的无人机中存储的数据，包括新增的图片、视频和人体检测结果，存储到本地数据库D3，然后对数据进行处理。
地面计算结点G对其获取的人体检测结果进行判断，如果人体检测结果不为空，则触发报警，通过上述3G通信模块将结果发送至监控人员。在本实施例中采用通过3G网络将结果以短信形式发送至监控人员手机，短信格式为“x年x月x日x时x秒x分，经纬度(x，y)，发现行人x个”。
地面计算节点从本地数据库D3中循环读入照片，采用50层CNN模型M3进行人体检测，如果人体检测结果不为空，则触发报警，通过上述3G通信模块将结果发送至监控人员。在本实施例中采用通过3G网络将结果以短信形式发送至监控人员手机，短信格式为“x年x月x日x时x秒x分，经纬度(x，y)，发现行人x个”。
本发明实施例提供了针对无通信信号区域的无人机监控系统及方法，通过终端相机节点定时进行拍照并存储照片，并定时传输该给定时巡航的无人机结点Fi，无人机结点Bi定时按照既定的经纬度路线巡航到无通信信号区域中的无人机结点Fi附近，并与无人机结点Fi建立通信获取其存储数据。地面计算结点通过无线通信基站获取无人机结点Bi存储的数据，并对其中的异常进行识别。本实施例采用太阳能充电、成本低，满足海量部署的需要，同时使用无人机作为无线移动基站，收集摄像头图像，并进一步采用计算模型对图像大量压缩，降低功耗，使之满足太阳能供电要求，从而低成本实现对无通信信号区域的无人化监控覆盖。
应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种针对无通信信号区域的无人机监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:终端相机层C中的终端相机结点Ci以1分钟的频率拍摄并存储照片，然后定时启动终端相机层C中的第一4G通信模块，探测第一无人机层F中的无人机结点Fi的无人机巡航至附近时，发送所述照片和其位置坐标，发送完毕后关闭所述第一4G通信模块；
S2:所述无人机结点Fi的无人机在第一时间点定时按照路线L1i对各个所述终端相机结点Ci进行巡航，巡航至所述终端相机结点Ci附近时启动无人机结点Fi中第二4G通信模块，与所述终端相机结点Ci建立通信连接，接收照片和位置坐标信息，完成后关闭所述第二4G通信模块并返航；
S3:第二无人机层B中的无人机结点Bi的无人机在第二时间点定时按照路线L2i对各个所述无人机结点Fi进行巡航，巡航至所述无人机结点Fi附近时启动地面计算结点G中的3G通信模块，与所述无人机结点Fi建立通信连接，接收无人机结点Fi中存储数据，完成后关闭所述3G通信模块并返航；
S4:地面计算结点G在第三时间点启动所述3G通信模块，通过基站与所述无人机结点Bi建立通信，接收并存储所述无人机结点Bi的无人机中存储的数据，然后对数据进行处理。
2.根据权利要求1中所述的无人机监控方法，其特征在于，所述第一时间点、所述第二时间点、所述第三时间点均处于具有日照时间范围，所述第二时间点滞后于所述第一时间6-10小时，所述第三时间滞后于所述第二时间2-3小时。
3.根据权利要求1中所述的无人机监控方法，其特征在于，所述步骤S2中所述无人机结点Fi的无人机返航后将数据存储到本地数据库D1中，通过计算终端L1从所述本地数据库D1中循环读入照片，采用10层CNN模型M1进行人体检测；
如果检测到人体，则启动所述无人机结点Fi的无人机按飞行路线L1i进行航拍视频，然后返航，并将视频和人体检测结果信息存储到本地数据库D1中。
4.根据权利要求1中所述的无人机监控方法，其特征在于，所述步骤S3中所述无人机结点Bi的无人机返航后将数据存储到本地数据库D2中，通过计算终端L2从所述本地数据库D2中循环读入照片，采用20层CNN模型M2进行人体检测；
如果监测到人体，则启动所述无人机结点Bi的无人机按飞行路线L2i进行航拍视频，然后返航，并将视频和人体检测结果信息存储到本地数据库D2中。
5.根据权利要求3或4任一项中所述的无人机监控方法，其特征在于，所述地面计算结点G对其获取的人体检测结果进行判断，如果人体检测结果不为空，则触发报警，通过所述3G通信模块将结果发送至监控人员手机P。
6.根据权利要求3或4任一项中所述的无人机监控方法，其特征在于，所述地面计算结点G从其本地数据库D3中循环读取照片，采用50层CNN模型M3进行人体检测，如果人体检测结果不为空，则触发报警，通过所述3G通信模块将结果发送至监控人员手机P。
7.一种针对无通信信号区域的无人机监控系统，采用如权利要求1-6任一项所述的无人机监控方法进行无人机监控，其特征在于，
所述无人机监控系统为分层结构，包括位于无通信信号区域的第一无人机层F和终端相机层C，以及位于有通信信号区域的第二无人机层B和地面站层，其中，
所述地面站层包括至少一个地面计算结点G和基站；
所述终端相机层 C包括一个或多个终端相机结点Ci，i＝1～n，其经纬度坐标为，用于定时拍摄并存储照片；
所述第一无人机层 F包括一个或多个无人机结点Fi，i＝1～n，其经纬度坐标为，所述无人机结点Fi的无人机按照路线L1i: />巡航到所述终端相机结点Ci附近，并与所述终端相机结点Ci建立通信获取所述终端相机结点Ci的照片和位置信息；
所述第二无人机层 B包括一个或多个无人机结点 Bi，i＝1～n，其经纬度坐标为，所述无人机结点Bi的无人机按照路线L2i：/>巡航到所述无人机结点Fi位置，与所述无人机结点Fi建立通信获取其存储数据；
所述地面计算结点G与所述无人机结点Bi与建立通信，接收并存储所述无人机结点Fi中的存储数据。
8.根据权利要求7所述的针对无通信信号区域的无人机监控系统，其特征在于，所述终端相机结点Ci包括单片机、红外相机、4G通信模块、太阳能电池以及固定装置。
9.根据权利要求7所述的针对无通信信号区域的无人机监控系统，其特征在于，所述无人机结点Fi和无人机结点Bi均包括无人机、太阳能电池、无人机充电桩、3G通信模块，所述无人机进一步包括4G通信模块；
所述无人机结点Fi和无人机结点Bi分别具有计算终端(L1、L2)以及本地数据库(D1、D2)。
10.根据权利要求7所述的针对无通信信号区域的无人机监控系统，其特征在于，所述地面计算结点G包括PC电脑和3G通信模块，并接入城市供电。
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