CN117104458A - 一种云边端协同的海上无人机自动作业系统 - Google Patents

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CN117104458A CN202311227055.1A CN202311227055A CN117104458A CN 117104458 A CN117104458 A CN 117104458A CN 202311227055 A CN202311227055 A CN 202311227055A CN 117104458 A CN117104458 A CN 117104458A
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张铭
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牛晨晖
张宇
陈正华
孙捷
施俊佼
李冬
张冲
曲益夆
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Huaneng Power International Jiangsu Energy Development Co Ltd
Huaneng Clean Energy Research Institute
Clean Energy Branch of Huaneng International Power Jiangsu Energy Development Co Ltd Clean Energy Branch
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Huaneng Power International Jiangsu Energy Development Co Ltd
Huaneng Clean Energy Research Institute
Clean Energy Branch of Huaneng International Power Jiangsu Energy Development Co Ltd Clean Energy Branch
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Abstract

本公开提供了一种云边端协同的海上无人机自动作业系统，涉及无人机技术领域。具体包括：无人机、无人机机场和云管理平台，其中，所述无人机机场包括：无人机升降平台，充电模块，通信模块，控制模块，数据处理模块，载荷管理模块。本公开中无人机及无人机机场直接部署于海上，不受船舶出海窗口期限制，节省运维费用及作业时间，大大缩短海上无人机作业的时间。通过无人机、无人机机场和云管理平台的协同，实现海量数据的自动化快速采集、处理、分析；能够提供巡检、维修、救援一体化的智能作业方式，功能更加丰富，运维及救援更加高效。

Description

一种云边端协同的海上无人机自动作业系统
技术领域
本公开涉及无人机技术领域，尤其涉及一种云边端协同的海上无人机自动作业方法及装置。
背景技术
相关技术中，随着双碳战略的实施，新能源产业不断壮大繁荣。作为清洁能源的重要方向，海上风力发电进入了发展的巅峰期，海上风电场规模不断增大且逐渐走向深远海。而海上天气环境恶劣，受应力及风、浪、流载荷等作用的影响，风电场设备极易引发故障，同时，海上通信信号不畅、人员作业离岸距离越来越远等现状给海上作业人员的生命安全带来威胁。这对完善海上风电场运维作业、提高海上救援能力提出了更高的要求。
传统的人工运维方式，风机停机时间长，发电损失严重且人工成本和船舶燃动费高昂；运维效率低、劳动强度大且运维人员的作业安全难以保证，无论从经济效益还是安全角度出发，在短暂的海上作业窗口期内完成大规模的运维任务具备一定的挑战。
目前已出现的海上无人机巡检方案，是由船载移动机场释放无人机进行巡检任务，需要考虑船舶出海作业时间，且需要配备能熟练操控无人机的运维人员，给无人机海上巡检带来一定限制。
目前的水上救援机器人大多从岸基控制投放或待附近船舶接收到告警信息后由人员控制投放，需要一定的反应时间且无法第一时间查看到救援画面。
发明内容
本公开提供一种云边端协同的海上无人机自动作业方法、装置及系统，以解决海上风电场运维作业、水上救援的困难。本公开的技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种云边端协同的海上无人机自动作业系统，包括：无人机、无人机机场和云管理平台，其中，所述无人机机场包括：无人机升降平台，充电模块，通信模块，控制模块，数据处理模块，载荷管理模块；
所述无人机升降平台用于承托无人机的起飞和降落；
所述充电模块用于为所述无人机充电；
所述通信模块用于进行无线信号的传输，接收所述云管理平台的作业指令并传至控制模块或将处理模块生成的数据传到所述云管理平台；
所述控制模块根据所述作业指令发送控制信号至所述无人机机场中的各个模块，以控制系统运行；
所述数据处理模块用于对无人机发送的数据进行处理；
所述载荷管理模块用于对所述无人机携带的装备进行安装或拆卸。
所述无人机升降平台还包括机场舱门，所述机场舱门的开闭状态由所述控制模块控制。
所述无人机与所述充电模块相连接时开始充电，所述充电模块与外部供电系统相连接，所述外部供电系统用于为所述充电模块供电。
可选的，所述外部供电系统的供电方式包括以下至少一种：加设光伏板以进行光伏供电，加设波浪能发电设备以进行波浪能供电，利用风机自发电供电。
可选的，所述无人机升降平台设置于自主搭建的漂浮式平台上或部署于海上升压站平台，或部署于靠近作业任务的漂浮式风电机组基础上，视项目预算及作业便捷性选择。可选的，所述漂浮式平台相互连接。
可选的，所述载荷管理模块中的装备包括以下至少一项：
高清摄像机；
红外传感器；
视觉传感器；
清洗装置；
喷漆装置；
救援装置。
可选的，所述作业指令用于指示以下任意一项作业模式：
日常巡检模式；
检修维护模式；
应急救援模式。
无作业任务时，无人机停放在无人机机场内。
可选的，在所述日常巡检模式下，所述控制模块根据所述作业指令确定目标风电机组的位置，并规划所述无人机的巡检路径，同时控制所述载荷管理模块为所述无人机安装高清摄像机、红外传感器、视觉传感器，然后控制机场舱门开启，控制所述无人机起飞并按所述巡检路径航行，所述无人机实时回传数据，数据可通过无人机机场进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台，在巡检任务执行完毕后返回所述无人机机场并通过所述充电模块充电。
可选的，在所述检修维护模式下，所述控制模块根据所述作业指令确定目标风电机组的位置，并规划无人机的检修路径，同时控制所述载荷管理模块为所述无人机安装高清摄像机、清洗装置和喷漆装置，然后控制机场舱门开启，控制所述无人机起飞并按所述检修路径航行，所述无人机自动识别缺陷并回传数据，数据可通过无人机机场进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台，在检修任务执行完毕后所述无人机返回所述无人机机场并通过所述充电模块充电。
可选的，在所述应急救援模式下，所述控制模块根据所述作业指令确定救援目标的位置，并规划无人机的救援路径，同时控制所述载荷管理模块为所述无人机安装高清摄像机和救援装置，然后控制机场舱门开启，无控制所述无人机起飞并按所述救援路径航行，在所述救援目标的位置投放所述救援装置，所述无人机回传救援画面，数据可通过无人机机场进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台，所述救援任务执行完毕后所述无人机返回所述无人机机场并通过所述充电模块充电。
本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
无人机自动作业系统直接部署于海上风电场，不受船舶出海窗口期限制，节省运维费用及作业时间，大大缩短海上救援时间。
云管理平台和无人机机场协同，可以实现海量数据的自动化快速采集、处理、分析；能够提供巡检、维修、救援一体化的智能作业方式，功能更加丰富，运维及救援更加高效。
基于无线通信和人工智能技术，无人机将具备实时超高清图传、远程低时延控制等重要能力，同时，云管理平台具备智能化系统，结合人工智能技术，可实现海上风电多方位多模式精细化运维，辅助海上风电场运维人员高效管理。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。
图1是根据一示例性实施例示出的一种云边端协同的海上无人机自动作业系统的结构图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种单柱式漂浮式风机与漂浮式平台的结构图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种云边端协同的海上无人机自动作业系统俯视图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种云边端协同的海上无人机自动作业方法流程图。
具体实施方式
为了使本领域普通人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本公开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数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是，本公开所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息。
随着双碳战略的实施，新能源产业不断壮大繁荣。作为清洁能源的重要方向，海上风力发电进入了发展的巅峰期，海上风电场规模不断增大且逐渐走向深远海。而海上天气环境恶劣，受应力及风、浪、流载荷等作用的影响，风电场设备极易引发故障，同时，海上通信信号不畅、人员作业离岸距离越来越远等现状给海上作业人员的生命安全带来威胁。这对完善海上风电场运维作业、提高海上救援能力提出了更高的要求。
对海上风电场定期巡检、维修，及时排查和解决故障是风电场运维的有效手段。目前海上风电场大多采用人工运维的方式，在海上作业窗口期，运维人员乘坐船舶到达海上升压站及风电机组。对风电机组的维护，运维人员需要登高作业，作业期间，风电机组需长时间停机。使用无人机对海上风电机组巡检已成为我国海上风电智能化运维的新趋势，但现有的无人机巡检方式仍需要在海上作业窗口期内，由运维人员携带无人机设备至风场执行巡检任务。此外，随着智能化技术的发展，针对作业人员安全问题，水上救援机器人应运而生，需由岸基人员或由附近船舶人员控制投放设备。
当前，以5G为代表的移动通信技术迅猛发展，为海上风电等新能源场景提供了更加丰富的应用模式。风电场海域5G信号全覆盖，将助力海上风电数字化发展，在5G技术下，无人机将具备实时超高清图传、远程低时延控制等重要能力，可实现海上风电多方位多模式精细化运维，辅助海上风电场运维人员高效管理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种云边端协同的海上无人机自动作业系统的结构图。如图1所示，所述系统包括：无人机30、云管理平台10和无人机机场20，其中，所述无人机机场20包括：无人机升降平台21，充电模块22，通信模块23，控制模块24，数据处理模块25，载荷管理模块26；
所述无人机升降平台21用于承托无人机30的起飞和降落；
所述充电模块用于为所述无人机充电；
所述通信模块23云管理平台用于进行无线信号的传输，接收所述云管理平台10的作业指令并传至控制模块或将处理模块生成的数据传到云管理平台；
所述控制模块24云管理平台根据所述作业指令发送控制信号至所述无人机机场20中的各个模块，控制系统正常运行；
所述数据处理模块25用于对无人机30发送的数据进行处理；
所述载荷管理模块26用于对所述无人机30携带的装备进行安装或拆卸。
所述无人机升降平台21还包括机场舱门，所述机场舱门的开闭状态由所述控制模块24控制。
当接收到作业任务时，控制模块24控制智能机场舱门开启，由所述无人机升降平台21将无人机托举出舱，无人机30起飞，升降平台归位，舱门关闭；当无人机30巡检作业完毕，无人机30降落，舱门开启，由所述无人机升降平台21承接无人机30归位，舱门关闭。
所述无人机30与所述充电模块22相连接时开始充电，所述充电模块22与外部供电系统相连接，所述外部供电系统用于为所述充电模块22供电。
本实施例中，无人机30与无人机机场20的充电模块22触点连接后，无人机30开始充电，待充电完成后，系统自动断电。
本实施例中，云指云管理平台10；边指无人机机场20；端指无人机30主体。无人机30及无人机机场20部署于海上风电场。无人机30根据指令自动执行风电场日常巡检、检修维护、应急救援任务，采集风电场作业数据，实时将数据回传至无人机机场，经机场系统对数据做预处理后再将数据发送至无人机云管理平台，在平台实现数据的存储，并结合人工智能技术做状态分析，形成云边端协同工作的无人机自动作业系统。
无人机30具有的通信模块23采用5G通信技术，实现数据实时回传至无人机机场，搭载高清摄像机以及各种传感器等多种设备，能够全天候获取作业画面及信息。具备多轴万向臂，可携带救援物资及维修装置。可选的，无人机通信模块23可附加卫星通信模块，以应对应急救援任务中救援目标距离过远，通信中断的情况。所述无人机机场20外壳材料选择防腐、防水材料，以应对复杂的海上环境。
云管理平台10位于陆上指挥中心，平台部署智能化系统，下达无人机作业指令即无人机30的作业模式、规划等信息，接收由机场传回的信息，通过人工智能技术，对机组/升压站的运行状态进行识别分析，并出具检测报告。
本实施例中，无人机机场20可部署于海上升压站平台，或部署于靠近作业任务的漂浮式风电机组基础上，或部署于自主搭建的漂浮式平台，视项目预算及作业便捷性选择。
本实施例中，所述充电模块22与外部供电系统连接，可采用多种方式供电，如平台加设光伏板采用光伏供电或平台加装波浪能发电设备采用波浪能供电或利用风机自发电供电等方式。
本实施例中，通过边缘处理保留些关键信息回传。为了减轻无人机30实时采集传输大量数据而造成的通信信道压力，对采集到的数据进行边缘预处理，以降低数据量，边缘计算也称为边缘处理，是一种将服务器放置在本地设备附近网络技术,这有助于降低系统的处理负载，解决数据传输的延迟问题。可对信息进行压缩，关键特征提取等。
图2是根据一示例性实施例示出的一种单柱式漂浮式风机与漂浮式平台的结构图。如图2所示，所述漂浮式平台相互连接。图中包括无人机30、海上风机40、三个无人机机场20、两个漂浮式平台41、系泊42和锚固43，通过系泊缆将漂浮式平台41连接在一起，可以增加其稳定性。可选的，一个漂浮式平台可以放置一个或多个无人机机场，实施者可根据实际实施情况进行设置。
图3是根据一示例性实施例示出的一种云边端协同的海上无人机自动作业系统俯视图。如图3所示，所述无人机机场设置于漂浮式平台上。图中包括无人机30、海上风机40、两个无人机机场20和两个漂浮式平台41，每个无人机机场布放位置可供无人机30活动的作业区域50如图所示，通过设置多个无人机机场20和漂浮式平台41，使其作业区域有一部分重合，可以使无人机30在更大的区域中进行作业，提高无人机30的作业范围。
可选的，所述载荷管理模块26中的装备包括以下至少一项：
高清摄像机；
红外传感器；
视觉传感器；
清洗装置；
喷漆装置；
救援装置。
可选的，所述作业指令用于指示以下任意一项作业模式：
日常巡检模式；
检修维护模式；
应急救援模式。
本实施例中，位于指挥中心的运维人员通过云管理平台10选择无人机30的作业模式，为无人机30分配作业任务，将指令下达给指定位置的无人机机场20。无人机机场根据无人机30的作业模式规划作业计划。
可选的，无作业任务时，无人机30停放在无人机机场20内。
图4是根据一示例性实施例示出的一种云边端协同的海上无人机自动作业方法流程图。如图4所示，所述方法包括以下步骤：
无人机机场20接收到作业指令，根据目标位置，规划无人机30的作业路径，控制载荷管理模块26选择无人机30载荷，为减轻无人机30的荷载，无人机30只需携带相应作业任务所需载荷。准备完毕后开启舱门，待无人机30起飞后关闭舱门。无人机30作业完毕返航，开启舱门，无人机30归位充电，关闭舱门。
无人机30执行作业任务，实时回传数据至无人机机场20，由机场系统进行数据边缘预处理，待处理完毕后回传至无人机云管理平台进行数据分析与故障识别，出具检测报告，由运维人员进行最后的确认。
无人机30执行任务期间，应及时调整摄像机拍摄角度，确保对象位于画面中央。
对于日常巡检和检修维护任务，无人机30每完成一个风机作业任务后做电量评估，若剩余电量不足以支持一个完整风机的任务及返航，则返回无人机机场20充电，充电后继续执行任务。
无人机30执行作业任务完毕后返航，归位至无人机机场20。
可选的，在所述日常巡检模式下，所述控制模块24根据所述作业指令确定目标风电机组的位置，并规划所述无人机30的巡检路径，同时控制所述载荷管理模块26为所述无人机30安装高清摄像机、红外传感器、视觉传感器，然后控制机场舱门开启，控制所述无人机30起飞并按所述巡检路径航行，所述无人机30实时回传数据，数据可通过无人机机场20进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台10，在巡检任务执行完毕后返回所述无人机机场20并通过所述充电模块22充电。
可选的，在所述检修维护模式下，所述控制模块24根据所述作业指令确定目标风电机组的位置，并规划无人机30的检修路径，同时控制所述载荷管理模块26为所述无人机30安装高清摄像机、清洗装置和喷漆装置，然后控制机场舱门开启，控制所述无人机30起飞并按所述检修路径航行，所述无人机30自动识别缺陷并回传数据，数据可通过无人机机场20进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台10，在检修任务执行完毕后所述无人机30返回所述无人机机场20并通过所述充电模块22充电。
在一种可能的实施例中，由运维人员在云管理平台10观察回传的视频数据，并通过手柄、键盘等设备控制所述无人机30进行清洗、喷漆等动作。
在一种可能的实施例中，通过训练好的人工智能对回传的视频数据进行识别，以确定待清洗区域或待喷漆区域，并由人工智能控制所述无人机30进行清洗、喷漆等动作。
可选的，在所述应急救援模式下，所述控制模块24根据所述作业指令确定救援目标的位置，并规划无人机30的救援路径，同时控制所述载荷管理模块26为所述无人机30安装高清摄像机和救援装置，然后控制机场舱门开启，无控制所述无人机30起飞并按所述救援路径航行，在所述救援目标的位置投放所述救援装置，所述无人机30回传救援画面，数据可通过无人机机场20进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台10，所述救援任务执行完毕后所述无人机30返回所述无人机机场20并通过所述充电模块22充电。
本实施例中，无人机自动作业系统直接部署于海上风电场，不受船舶出海窗口期限制，节省运维费用及作业时间，大大缩短海上救援时间。
云管理平台10和无人机机场20协同，可以实现海量数据的自动化快速采集、处理、分析；能够提供巡检、维修、救援一体化的智能作业方式，功能更加丰富，运维及救援更加高效。
基于无线通信和人工智能技术，无人机将具备实时超高清图传、远程低时延控制等重要能力，同时，云管理平台具备智能化系统，结合人工智能技术，可实现海上风电多方位多模式精细化运维，辅助海上风电场运维人员高效管理。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种云边端协同的海上无人机自动作业系统，其特征在于，包括：无人机、无人机机场和云管理平台，其中，所述无人机机场包括：无人机升降平台，充电模块，通信模块，控制模块，数据处理模块，载荷管理模块；
所述无人机升降平台用于承托无人机的起飞和降落；
所述充电模块用于为所述无人机充电；
所述通信模块用于进行无线信号的传输，接收所述云管理平台的作业指令并传至所述控制模块或将所述处理模块生成的数据传到所述云管理平台；
所述控制模块根据所述作业指令发送控制信号至所述无人机机场中的各个模块，以控制系统运行；
所述数据处理模块用于对所述无人机发送的数据进行处理；
所述载荷管理模块用于对所述无人机携带的装备进行安装或拆卸；
所述无人机升降平台还包括机场舱门，所述机场舱门的开闭状态由所述控制模块控制；
所述无人机与所述充电模块相连接时开始充电，所述充电模块与外部供电系统相连接，所述外部供电系统用于为所述充电模块供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机升降平台部署于自主搭建的漂浮式平台上，或，部署于海上升压站平台，或，部署于靠近作业任务的漂浮式风电机组基础上。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述漂浮式平台通过系泊缆相互连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电模块与外部供电系统连接，所述外部供电系统的供电方式包括以下至少一种：加设光伏板以进行光伏供电，加设波浪能发电设备以进行波浪能供电，利用风机自发电供电。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述载荷管理模块中的装备包括以下至少一项：
高清摄像机；
红外传感器；
视觉传感器；
清洗装置；
喷漆装置；
救援装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述作业指令用于指示以下任意一项作业模式：
日常巡检模式；
检修维护模式；
应急救援模式。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述日常巡检模式下，所述控制模块根据所述作业指令确定目标风电机组的位置，并规划所述无人机的巡检路径，同时控制所述载荷管理模块为所述无人机安装高清摄像机、红外传感器、视觉传感器，然后控制机场舱门开启，控制所述无人机起飞并按所述巡检路径航行，所述无人机实时回传数据，数据可通过无人机机场进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台，在巡检任务执行完毕后返回所述无人机机场并通过所述充电模块充电。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述检修维护模式下，所述控制模块根据所述作业指令确定目标风电机组的位置，并规划无人机的检修路径，同时控制所述载荷管理模块为所述无人机安装高清摄像机、清洗装置和喷漆装置，然后控制机场舱门开启，控制所述无人机起飞并按所述检修路径航行，所述无人机自动识别缺陷并回传数据，数据可通过无人机机场进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台，在检修任务执行完毕后所述无人机返回所述无人机机场并通过所述充电模块充电。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述应急救援模式下，所述控制模块根据所述作业指令确定救援目标的位置，并规划无人机的救援路径，同时控制所述载荷管理模块为所述无人机安装高清摄像机和救援装置，然后控制机场舱门开启，无控制所述无人机起飞并按所述救援路径航行，在所述救援目标的位置投放所述救援装置，所述无人机回传救援画面，数据可通过无人机机场进行通信中继并在信道传输紧张时进行边缘处理，再传回云管理平台，所述救援任务执行完毕后所述无人机返回所述无人机机场并通过所述充电模块充电。
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