CN118129761A - 一种水文塔用无人机巡航系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机巡航系统技术领域，本发明公开了一种水文塔用无人机巡航系统，包括：区域地图模块，用于在三维地图上标记采集点和起降点，并裁剪出工作区域的三维工作地图；管理模块，用于管理采集任务与无人机信息；航线生成模块，用于生成初步航线，分析与处理模块，用于负责判断无人机是否能完成航线，若不能，则进行任务拆分并生成新的采集任务；调度模块，负责流程的调度，直到所有航线可行；巡航模块控制无人机执行巡航。通过拆分采集任务确定生成的对应初步航线都能够被无人机完成后，再控制无人机执行进行对应的航线巡航，保证无人机能顺利完成采集任务，同时降低因为能耗预计不准确导致的坠机风险。

Description

一种水文塔用无人机巡航系统

技术领域

本发明涉及无人机巡航系统领域，更具体地说，本发明涉及一种水文塔用无人机巡航系统。

背景技术

在水资源管理和环境监测领域，水文塔作为关键基础设施，承担着实时监测水质、水量等多种水文数据的任务。传统的水文塔数据采集往往依赖人工巡查或定点监测设备，这些方法在人工成本、设备维护、数据实时性等方面存在局限。为了提高监测效率和数据采集的实时性，无人机技术被引入到水文监测中。

然而，当前大部分无人机巡航系统还是基于预先手动设置的巡航点来规划飞行路线。在面对水文监测中多样化的设备需求和多变的任务内容时，这种方式显示出其局限性。它未能充分考虑不同水文塔采集任务所需的设备负载差异。在执行采集任务时，无人机必须根据其携带的设备重量和任务持续时间来判断其完成能力。

现有的巡航系统在设计时往往未针对水文塔的特定采集任务考虑这些因素，这可能导致规划的飞行路线超出了无人机的电池续航能力，进而使得采集任务失败，甚至有可能导致无人机因电量耗尽而坠毁。此外，当发现无人机无法完成预定任务时，通常需要对任务进行拆分。目前，这一拆分过程主要依赖人工操作，不仅增加了操作的复杂性，而且可能因拆分策略不当而造成时间和资源的浪费。

发明内容

为了克服现有技术可能导致规划的飞行路线超出了无人机的电池续航能力，进而使得采集任务失败的问题，本发明提出了一种水文塔用无人机巡航系统，用于解决上述问题。

本发明提供如下技术方案：

一种水文塔用无人机巡航系统，包括：

区域地图模块，用于在三维地图中标注出采集点和起降点，根据采集点和起降点确定工作范围，根据工作范围对三维地图进行裁剪得到三维工作地图；

管理模块，用于管理采集任务，所述采集任务包括采集点和对应的任务信息，所述任务信息包括采集目标和采集用时；还用于管理与无人机对应的编号和评判信息；

航线生成模块，用于根据采集任务中的采集点，生成对应的初步航线；

分析与处理模块，用于对初步航线进行可行分析，所述可行分析包括：判断无人机能否完成初步航线；若无人机能完成初步航线，则将无人机对应的编号标注在初步航线上；若无人机不能完成初步航线，则将初步航线对应的采集任务进行拆分，得到若干新的采集任务；

调度模块，用于调用分析与处理模块对初步航线进行可行分析，并在分析处理模块生成新的采集任务时，调用航线生成模块为所有新的采集任务生成对应的初步航线，再次调用处理模块对新生成的所有初步航线进行可行分析，直至对所有初步航线进行可行分析后未生成新的采集任务为止；

巡航模块，用于将所有带有编号标注的初步航线设定为巡航路线，并控制编号对应的无人机按巡航路线进行巡航。

优选的，所述根据采集点和起降点确定工作范围包括：

在三维地图中以任一采集点建立三维直角坐标系，获取采集点和起降点的坐标，构成坐标集合；

获取坐标集合中横坐标的最大值、横坐标的最小值/>、纵坐标的最大值、纵坐标的最小值/>、竖坐标的最大值/>和竖坐标的最小值/>；

预设坐标修正值，连接极大点到极小点得到指示线；

所述极大点的坐标为，所述极小点的坐标为；

使用指示线作为对角线构建一个长方体；

使用构建的长方体覆盖的范围作为工作范围。

优选的，所述采集目标对应有采集设备信息，所述采集设备信息包括设备重量，设备用电标识和设备功耗，所述设备用电标识为自身供电或外部供电，所述评判信息包括对应无人机的最大载重、最大航程、型号、可用能源量和最大能源量。

优选的，所述生成对应的初步航线包括：在三维工作地图中选中采集任务中各包含的采集点；在三维工作地图中选中一个起降点并设定为路径的起点和终点，使用路径规划软件规划出经过所有选中的采集点且避开地形障碍的最短路径作为初始路径；获取采集任务中每个采集点对应的采集用时，将这些采集用时作为对应采集点的悬停时间，设置于初始路径中，得到初步航线。

优选的，所述判断无人机能否完成初步航线包括：

获取初步航线对应的采集任务中的所有采集目标，根据采集目标获取对应的采集设备信息；

获取采集设备信息中设备重量之和，使用设备重量之和作为无人机负载量；

根据初步航线和无人机载重选择无人机，并记为目标无人机；

判断目标无人机是否为空信息；

若是，则判断无人机不能完成初步航线；

若否，则进行能源判断；

所述能源判断包括：获取目标无人机的型号，将目标无人机的型号、无人机负载量和初步航线输入到能耗模型中，获得初步航线的预估能源消耗量；

根据采集设备信息对预估能源消耗量进行修正，得到修正能源消耗量；

获取无人机可用能源量；

判断，其中，/>为预设的安全系数，且/>；

若是，则判断无人机能完成初步航线；

若否，则判断无人机不能完成初步航线。

优选的，所述目标无人机的获取步骤包括：

获取初步航线的里程总数，获取无人机负载量/>；

获取评判信息，将最大载重记为、最大航程记为/>、可用能源量记为/>、最大能源量记为/>；

计算评判信息对应的理论航程，所述理论航程的计算公式如下：

，

其中，表示理论航程；

获取没有使用标记的评判信息对应的理论航程中的最大值；

判断；

若是，则将对应的评判信息对应的无人机作为目标无人机，并为无人机使用信息打上使用标记，所述使用标记在对应的无人机完成巡航路线后删除；

若否，则将一个空信息作为目标无人机。

优选的，所述修正能源消耗量的获取步骤包括：

提取采集设备信息中设备用电标识为外部供电的采集设备信息，得到采集设备信息集；

判采集设备信息集是否为空；

若为空，则使用预估能源消耗量作为修正能源消耗量；

若不为空，则使用如下公式计算修正能源消耗量：

，

式中，表示预估能源消耗量，/>表示采集设备信息集/>中第/>个采集设备信息的设备功耗，/>表示采集设备信息集/>中第/>个采集设备信息对应的采集用时总和。

优选的，所述将初步航线对应的采集任务进行拆分包括：

获取要进行拆分的采集任务，并记为原始采集任务；

在三维工作地图中，选择无人机的起降点作为原点，建立一个三维直角坐标系；

获取采集任务中所有采集点在三维工作地图中的坐标；

选择原始采集任务的拆分策略，所述拆分策略包括第一拆分策略、第二拆分策略和第三拆分策略；

按照选择的拆分策略对原始采集任务进行拆分。

优选的，所述选择原始采集任务的拆分策略包括：

计算所有采集点的水平角度，水平角度的计算公式为：

，

式中，为水平角度，/>为反正切二参数函数，/>为采集点的横坐标，/>为采集点的纵坐标，/>表示取模运算；

使用所有水平角度中的最大值减去最小值/>得到角度差/>；

判断，其中/>为预设的角度阈值；

若是，则选择第一拆分策略；

若否，获取原始采集任务中所有的采集目标，获取采集目标的类别数，若类别数大于1，选择第二拆分策略，否则，选择第三拆分策略。

优选的，所述第一拆分策略的步骤为：将的采集点与对应的任务信息记为第一方向任务，将/>的采集点与对应的任务信息记为第二方向任务，使用第一方向任务和第二方向任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分；

所述第二拆分策略的步骤为：获取原始采集任务中的一个采集目标记为分离目标，在原始采集任务中找到所有与分离目标相关的采集点和采集用时，将分离目标、相关的采集点和采集用时记为第一分离任务，将原始采集任务中所有与分离目标相同的采集目标和对应的采集用时删除，遍历原始采集任务中的所有采集点，将其中采集目标为空的采集点删除后记为第二分离任务，使用第一分离任务和第二分离任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分；

所述第三拆分策略的步骤为：计算所有采集点到坐标原点的距离记为原点距离，计算所有采集点到距离坐标原点最远的采集点的距离记为极点距离/>；

计算所有采集点的极点值，所述极点值的计算公式为：

，

式中，为极点值，/>为采集点的竖坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的横坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的纵坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的竖坐标；

对于每个采集点，判断极点值与原点距离的关系，将极点值大于原点距离的采集点与对应的任务信息记为第一距离任务，将极点值小于或等于原点距离的采集点与对应的任务信息记为第二距离任务，使用第一距离任务和第二距离任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分。

本发明提供了一种水文塔用无人机巡航系统，具备以下有益效果：

1、通过航线生成模块根据采集任务自动生成初步航线，并通过分析与处理模块分析无人机是否能够完成初步航线，若不能则将采集任务进行任务拆分，直至生成的初步航线都能够被无人机完成，再控制无人机执行进行对应的航线巡航，保证无人机能顺利完成采集任务，同时降低因为能耗预计不准确导致的坠机风险。

2、通过分析与处理模块，对无人机无法完成的初步航线对应的采集任务，按采集点方向、采集目标和采集点远近进行拆分，整个拆分过程无需人工干预，能够灵活适应各种实际情况，从而有效地将无人机无法完成的采集任务拆分成可完成的采集任务，降低了操作复杂性。

附图说明

图1为本发明的一种水文塔用无人机巡航系统的模块示意图；

图2为本发明的一种水文塔用无人机巡航系统的采集任务拆分流程示意图。

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。

实施例1

请参阅图1，本实施例中，一种水文塔用无人机巡航系统包括：

区域地图模块，用于在三维地图中标注出采集点和起降点，根据采集点和起降点确定工作范围，根据工作范围对三维地图进行裁剪得到三维工作地图；

所述根据采集点和起降点确定工作范围包括：

在三维地图中以任一采集点建立三维直角坐标系，获取采集点和起降点的坐标，构成坐标集合；

获取坐标集合中横坐标的最大值、横坐标的最小值/>、纵坐标的最大值、纵坐标的最小值/>、竖坐标的最大值/>和竖坐标的最小值/>；

预设坐标修正值，连接极大点到极小点得到指示线；

所述极大点的坐标为，所述极小点的坐标为；

使用指示线作为对角线构建一个长方体；

使用构建的长方体覆盖的范围作为工作范围。

在本实施例中，三维地图可以是现有的水文塔附近三维地图，也可以是通过全站仪、GPS和RTK等设备进行现场测量新绘制的三维地图；采集点是指在水文塔的工作任务中，为了收集水文数据而预定的地理位置点，起降点为无分机平台的放置点，其通常位于水位塔及其附近位置，水文塔的工作人员根据实际情况再地图中标注出这些点，然后根据这些点可以确定水文塔的无人机作业范围，进而得到三维工作地图，在本实施例中三维工作地图获取的具体步骤为：收集所有采集点和起降点的三维坐标信息，并将这些坐标信息整合成一个集合；集合中包括各个点的横坐标、纵坐标、和竖坐标，以此来确定飞行区域的空间位置范围。

确定极值坐标，即横坐标的最大与最小值、纵坐标的最大与最小值、以及竖坐标的最大与最小值，这些极值坐标标识出了工作范围的边界，为了保证飞行区域有适当的边缘裕度，我们还引入了坐标修正值，此值可以由工作人员设定为具体数值。经过坐标修正值的修正后得极大点和极小点，将这两点连线，形成一条对角线，然后以此对角线为基础构建出一个长方体，使得这个长方体能够涵盖所有飞行相关点的范围。将此长方体定义为无人机的实际工作范围，并以此范围内的空间进行三维地图的裁剪，这样裁剪后的三维工作地图会尽可能仅包含无人机执行任务所需的区域，降低系统负担提高了系统效率。

管理模块，用于管理采集任务，所述采集任务包括采集点和对应的任务信息，所述任务信息包括采集目标和采集用时；还用于管理与无人机对应的编号和评判信息；

所述采集目标对应有采集设备信息，所述采集设备信息包括设备重量，设备用电标识和设备功耗，所述设备用电标识为自身供电或外部供电，所述评判信息包括对应无人机的最大载重、最大航程、型号、可用能源量和最大能源量。

在本实施例中，采集任务是工作人员根据实际工作需求设定的。每个采集任务都包含多个特定的采集点，而每个采集点都有明确的采集目标，例如测量河流的流量或某点的湿度等。为了实现这些采集目标，我们会选择相应的专业采集设备，如使用测流雷达来采集河流的流量数据，或使用湿度传感器来采集特定地点的湿度信息，并设定相应的采集用时即无人机需要在采集点悬停的时间。同时，为了执行这些采集任务，我们根据水文塔现有的无人机资源进行了系统化管理。每架无人机都被赋予一个独特的编号，这不仅便于我们对无人机进行精准管理，同时也方便我们追踪和记录每架无人机的性能评判信息。在执行采集任务前，我们会根据任务的具体需求和无人机的性能评判信息，初步选定最适合执行任务的无人机。这种管理方式旨在提高采集任务的执行效率和数据准确性。

航线生成模块，用于根据采集任务中的采集点，生成对应的初步航线；

所述生成对应的初步航线包括：在三维工作地图中选中采集任务中各包含的采集点；在三维工作地图中选中一个起降点并设定为路径的起点和终点，使用路径规划软件规划出经过所有选中的采集点且避开地形障碍的最短路径作为初始路径；获取采集任务中每个采集点对应的采集用时，将这些采集用时作为对应采集点的悬停时间，设置于初始路径中，得到初步航线。

在本实施例中，初始路径的生成可以使用无人机厂家提供的线路规划系统，并将每个采集点的采集用时补充到初始路径后，得到一个包含悬停点位和时间的初步航线。

分析与处理模块，用于对初步航线进行可行分析，所述可行分析包括：判断无人机能否完成初步航线；若无人机能完成初步航线，则将无人机对应的编号标注在初步航线上；若无人机不能完成初步航线，则将初步航线对应的采集任务进行拆分，得到若干新的采集任务；

所述判断无人机能否完成初步航线包括：

获取初步航线对应的采集任务中的所有采集目标，根据采集目标获取对应的采集设备信息；

获取采集设备信息中设备重量之和，使用设备重量之和作为无人机负载量；

根据初步航线和无人机载重选择无人机，并记为目标无人机；

判断目标无人机是否为空信息；

若是，则判断无人机不能完成初步航线；

若否，则进行能源判断；

所述能源判断包括：获取目标无人机的型号，将目标无人机的型号、无人机负载量和初步航线输入到能耗模型中，获得初步航线的预估能源消耗量；

根据采集设备信息对预估能源消耗量进行修正，得到修正能源消耗量；

获取无人机可用能源量；

判断，其中，/>为预设的安全系数，且/>；

若是，则判断无人机能完成初步航线；

若否，则判断无人机不能完成初步航线。

所述目标无人机的获取步骤包括：

获取初步航线的里程总数，获取无人机负载量/>；

获取评判信息，将最大载重记为、最大航程记为/>、可用能源量记为/>、最大能源量记为/>；

计算评判信息对应的理论航程，所述理论航程的计算公式如下：

，

其中，表示理论航程；

获取没有使用标记的评判信息对应的理论航程中的最大值；

判断；

若是，则将对应的评判信息对应的无人机作为目标无人机，并为无人机使用信息打上使用标记，所述使用标记在对应的无人机完成巡航路线后删除；

若否，则将一个空信息作为目标无人机。

所述修正能源消耗量的获取步骤包括：

提取采集设备信息中设备用电标识为外部供电的采集设备信息，得到采集设备信息集；

判采集设备信息集是否为空；

若为空，则使用预估能源消耗量作为修正能源消耗量；

若不为空，则使用如下公式计算修正能源消耗量：

，

式中，表示预估能源消耗量，/>表示采集设备信息集/>中第/>个采集设备信息的设备功耗，/>表示采集设备信息集/>中第/>个采集设备信息对应的采集用时总和。

在本实施例中，为了评估无人机是否能成功执行预定航线，我们详尽地获取了航线对应采集任务中的所有采集目标，并根据这些目标精准地获取了相关采集设备的信息。因为不同的采集目标需要使用不同的采集设备，而设备的重量即为无人机的负载。只有掌握了无人机的负载，才能更准确判断无人机是否能成功执行预定航线。

接着，通过最大载重、最大航程、可用能源量、最大能源量和无人机负载，运用了简单的比例关系计算出无人机的理论航程，其中可用能源和无人机负载是实时获取的，其它为固定参数，并根据理论航程和初步航线的总里程，筛选出了一架可能能够执行此航线的无人机；之后将选中的无人机型号、无人机负载量和初步航线输入到无人机厂家提供的或第三方开发的能耗模型中，得到更为准确的预估能源消耗量。

由于某些采集设备如测流雷达需要外部供电，从而需要无人机为其提供能源，提高了无人机的能源消耗量，因此为了更精确地评估无人机的任务执行能力，我们进行了能源消耗的修正计算，使我们能够更准确地预测无人机在执行任务过程中的能源消耗情况。

最后，我们通过比较修正后的能源消耗量与无人机的可用能源量，并预设了一个安全系数如0.8，即能源消耗量小于或等于无人机可用能源量的0.8倍，才任务无人机可以完成任务，了确保无人机操作的安全性，避免因能源耗尽而引发的风险。

在本实施例中，若是判断无人机能完成初步航线，则将该初步航线分配给相应的无人机，若判断结果为无人机不能完成初步航线，则表示无法通过一架无人机完成对应的采集任务，因此需要将采集任务进行拆分。

调度模块，用于调用分析与处理模块对初步航线进行可行分析，并在分析处理模块生成新的采集任务时，调用航线生成模块为所有新的采集任务生成对应的初步航线，再次调用处理模块对新生成的所有初步航线进行可行分析，直至对所有初步航线进行可行分析后未生成新的采集任务为止；

在本实施例中，调度模块首先会调用分析与处理模块，对已预先规划的初步航线进行深入的可行性分析。这一分析过程全面考虑了无人机的载重能力、能源消耗等多重因素，旨在准确判断无人机是否具备完成这些航线的实际能力。这是整个调度流程的首要环节，它的核心目标是识别出那些超出无人机现有能力的采集任务。

一旦在可行性分析中发现某些航线不可行，即相应的采集任务无法被完成，分析与处理模块会迅速对这些航线所对应的采集任务进行拆分，将其细化为一系列规模更小、更易于完成的采集任务。

紧接着，调度模块会指引航线生成模块为这些新生成的采集任务制定对应的初步航线。这一过程通过细化复杂的原始采集任务，并重新规划航线，旨在确保每一项采集任务都是现有无人机能够胜任的。

此后，分析与处理模块会再次对新生成的所有初步航线进行严格的可行性分析。这一循环迭代的评估机制确保了所有新规划的航线都得到了周密的考量，从而验证无人机能够顺利执行这些任务。

这一循环过程将持续进行，直至分析与处理模块对所有初步航线完成可行性分析，且不再产生新的采集任务为止。这标志着所有的采集任务均已被合理分解为无人机可执行的规模，实现了对现有资源的最大化利用。通过这种精细化的任务分配与管理方法，调度模块能够根据实际情况和无人机的实际能力来灵活调整任务分配，从而显著提升任务执行的效率和成功率。

巡航模块，用于将所有带有编号标注的初步航线设定为巡航路线，并控制编号对应的无人机按巡航路线进行巡航。

在本实施例中，巡航模块通过编号将无人机与巡航路线对应，再通过飞行控制软件控制无人机按照巡航路线飞行。

实施例2

请参阅图2，在实施例1的基础上，所述将初步航线对应的采集任务进行拆分包括：

S1、获取要进行拆分的采集任务，并记为原始采集任务；

S2、在三维工作地图中，选择无人机的起降点作为原点，建立一个三维直角坐标系；

S3、获取采集任务中所有采集点在三维工作地图中的坐标；

S4、选择原始采集任务的拆分策略，所述拆分策略包括第一拆分策略、第二拆分策略和第三拆分策略；

S5、按照选择的拆分策略对原始采集任务进行拆分。

所述选择原始采集任务的拆分策略包括：

计算所有采集点的水平角度，水平角度的计算公式为：

，

式中，为水平角度，/>为反正切二参数函数，/>为采集点的横坐标，/>为采集点的纵坐标，/>表示取模运算；

使用所有水平角度中的最大值减去最小值/>得到角度差/>；

判断，其中/>为预设的角度阈值；

若是，则选择第一拆分策略；

若否，获取原始采集任务中所有的采集目标，获取采集目标的类别数，若类别数大于1，选择第二拆分策略，否则，选择第三拆分策略。

所述第一拆分策略的步骤为：将的采集点与对应的任务信息记为第一方向任务，将/>的采集点与对应的任务信息记为第二方向任务，使用第一方向任务和第二方向任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分；

所述第二拆分策略的步骤为：获取原始采集任务中的一个采集目标记为分离目标，在原始采集任务中找到所有与分离目标相关的采集点和采集用时，将分离目标、相关的采集点和采集用时记为第一分离任务，将原始采集任务中所有与分离目标相同的采集目标和对应的采集用时删除，遍历原始采集任务中的所有采集点，将其中采集目标为空的采集点删除后记为第二分离任务，使用第一分离任务和第二分离任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分；

所述第三拆分策略的步骤为：计算所有采集点到坐标原点的距离记为原点距离，计算所有采集点到距离坐标原点最远的采集点的距离记为极点距离/>；

计算所有采集点的极点值，所述极点值的计算公式为：

，

式中，为极点值，/>为采集点的竖坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的横坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的纵坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的竖坐标；

对于每个采集点，判断极点值与原点距离的关系，将极点值大于原点距离的采集点与对应的任务信息记为第一距离任务，将极点值小于或等于原点距离的采集点与对应的任务信息记为第二距离任务，使用第一距离任务和第二距离任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分。

在本实施例中，我们首先获取了一个需要拆分处理的原始采集任务，并在三维工作地图上以无人机的起降点为原点，构建了一个三维直角坐标系。这一步骤为后续操作提供了精确的坐标参照。

接下来，我们计算了每个采集点相对于起降点的水平角度，并利用这些角度数据来判定是否应采用第一拆分策略，即基于方向的拆分方法。当采集点的角度分布超出预设的角度阈值，例如90，我们选择按方向进行拆分，以最大程度地缩短原始航线的航程。这种策略能够集中飞行任务于相近的方向，减少无人机在不同方向的频繁转换，从而节省飞行时间和能源消耗。需要说明的是反正切二参数函数函数返回的是原点至点(x,y)的方位角，取值范围为的弧度值，取模运算即求相除的余数。

如果采集点的角度分布未超过预设阈值，我们将进一步考察采集任务中的目标类别。一旦发现存在多种采集目标，我们将采用第二拆分策略，即根据采集目标的类别进行拆分。这是因为不同类别的采集目标可能需要不同的采集设备，将它们分开处理有助于减轻无人机的负载重量，并分离部分采集点。

最后，若整个采集任务中仅包含一种采集目标，我们将根据采集点与起降点的距离来实施拆分，即采用第三拆分策略。该策略的核心思想是将远近不同的任务分开执行，具体做法是将距离坐标原点最远的采集任务及与其相近方向的采集点划归为同一任务。这样可以确保无人机在以较短路线抵达最远采集点的同时，尽可能多地途经其他采集点。

整个拆分流程是动态且有条不紊的，能够灵活适应各种实际情况，从而有效地将无人机无法完成的采集任务拆分成可完成的采集任务。本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件，或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

最后：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，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，包括：

区域地图模块，用于在三维地图中标注出采集点和起降点，根据采集点和起降点确定工作范围，根据工作范围对三维地图进行裁剪得到三维工作地图；

管理模块，用于管理采集任务，所述采集任务包括采集点和对应的任务信息，所述任务信息包括采集目标和采集用时；还用于管理与无人机对应的编号和评判信息；

航线生成模块，用于根据采集任务中的采集点，生成对应的初步航线；

分析与处理模块，用于对初步航线进行可行分析，所述可行分析包括：判断无人机能否完成初步航线；若无人机能完成初步航线，则将无人机对应的编号标注在初步航线上；若无人机不能完成初步航线，则将初步航线对应的采集任务进行拆分，得到若干新的采集任务；

调度模块，用于调用分析与处理模块对初步航线进行可行分析，并在分析处理模块生成新的采集任务时，调用航线生成模块为所有新的采集任务生成对应的初步航线，再次调用处理模块对新生成的所有初步航线进行可行分析，直至对所有初步航线进行可行分析后未生成新的采集任务为止；

巡航模块，用于将所有带有编号标注的初步航线设定为巡航路线，并控制编号对应的无人机按巡航路线进行巡航。

2.根据权利要求1所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述根据采集点和起降点确定工作范围包括：

在三维地图中以任一采集点建立三维直角坐标系，获取采集点和起降点在坐标系中的坐标，构成坐标集合；

获取坐标集合中横坐标的最大值、横坐标的最小值/>、纵坐标的最大值/>、纵坐标的最小值/>、竖坐标的最大值/>和竖坐标的最小值/>；

预设坐标修正值，连接极大点到极小点得到指示线；

所述极大点的坐标为，所述极小点的坐标为；

使用指示线作为对角线构建一个长方体；

使用构建的长方体覆盖的范围作为工作范围。

3.根据权利要求2所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述采集目标对应有采集设备信息，所述采集设备信息包括设备重量，设备用电标识和设备功耗，所述设备用电标识为自身供电或外部供电，所述评判信息包括对应无人机的最大载重、最大航程、型号、可用能源量和最大能源量。

4.根据权利要求3所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述生成对应的初步航线包括：在三维工作地图中选中采集任务中各包含的采集点；在三维工作地图中选中一个起降点并设定为路径的起点和终点，使用路径规划软件规划出经过所有选中的采集点且避开地形障碍的最短路径作为初始路径；获取采集任务中每个采集点对应的采集用时，将这些采集用时作为对应采集点的悬停时间，设置于初始路径中，得到初步航线。

5.根据权利要求4所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述判断无人机能否完成初步航线包括：

获取初步航线对应的采集任务中的所有采集目标，根据采集目标获取对应的采集设备信息；

获取采集设备信息中设备重量之和，使用设备重量之和作为无人机负载量；

根据初步航线和无人机载重选择无人机，并记为目标无人机；

判断目标无人机是否为空信息；

若是，则判断无人机不能完成初步航线；

若否，则进行能源判断；

所述能源判断包括：获取目标无人机的型号，将目标无人机的型号、无人机负载量和初步航线输入到能耗模型中，获得初步航线的预估能源消耗量；

根据采集设备信息对预估能源消耗量进行修正，得到修正能源消耗量；

获取无人机可用能源量；

判断，其中，/>为预设的安全系数，且/>；

若是，则判断无人机能完成初步航线；

若否，则判断无人机不能完成初步航线。

6.根据权利要求5所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述目标无人机的获取步骤包括：

获取初步航线的里程总数，获取无人机负载量/>；

获取评判信息，将最大载重记为、最大航程记为/>、可用能源量记为/>、最大能源量记为/>；

计算评判信息对应的理论航程，所述理论航程的计算公式如下：

，

其中，表示理论航程；

获取没有使用标记的评判信息对应的理论航程中的最大值；

判断；

若是，则将对应的评判信息对应的无人机作为目标无人机，并为无人机使用信息打上使用标记，所述使用标记在对应的无人机完成巡航路线后删除；

若否，则将一个空信息作为目标无人机。

7.根据权利要求6所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述修正能源消耗量的获取步骤包括：

提取采集设备信息中设备用电标识为外部供电的采集设备信息，得到采集设备信息集；

判采集设备信息集是否为空；

若为空，则使用预估能源消耗量作为修正能源消耗量；

若不为空，则使用如下公式计算修正能源消耗量：

，

式中，表示预估能源消耗量，/>表示采集设备信息集/>中第/>个采集设备信息的设备功耗，/>表示采集设备信息集/>中第/>个采集设备信息对应的采集用时总和。

8.根据权利要求7所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述将初步航线对应的采集任务进行拆分包括：

获取要进行拆分的采集任务，并记为原始采集任务；

在三维工作地图中，选择无人机的起降点作为原点，建立一个三维直角坐标系；

获取采集任务中所有采集点在三维工作地图中的坐标；

选择原始采集任务的拆分策略，所述拆分策略包括第一拆分策略、第二拆分策略和第三拆分策略；

按照选择的拆分策略对原始采集任务进行拆分。

9.根据权利要求8所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述选择原始采集任务的拆分策略包括：

计算所有采集点的水平角度，水平角度的计算公式为：

，

式中，为水平角度，/>为反正切二参数函数，/>为采集点的横坐标，/>为采集点的纵坐标，/>表示取模运算；

使用所有水平角度中的最大值减去最小值/>得到角度差/>；

判断，其中/>为预设的角度阈值；

若是，则选择第一拆分策略；

若否，获取原始采集任务中所有的采集目标，获取采集目标的类别数，若类别数大于1，选择第二拆分策略，否则，选择第三拆分策略。

10.根据权利要求9所述的水文塔用无人机巡航系统，其特征在于，所述第一拆分策略的步骤为：将的采集点与对应的任务信息记为第一方向任务，将的采集点与对应的任务信息记为第二方向任务，使用第一方向任务和第二方向任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分；

所述第二拆分策略的步骤为：获取原始采集任务中的一个采集目标记为分离目标，在原始采集任务中找到所有与分离目标相关的采集点和采集用时，将分离目标、相关的采集点和采集用时记为第一分离任务，将原始采集任务中所有与分离目标相同的采集目标和对应的采集用时删除，遍历原始采集任务中的所有采集点，将其中采集目标为空的采集点删除后记为第二分离任务，使用第一分离任务和第二分离任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分；

所述第三拆分策略的步骤为：计算所有采集点到坐标原点的距离记为原点距离，计算所有采集点到距离坐标原点最远的采集点的距离记为极点距离/>；

计算所有采集点的极点值，所述极点值的计算公式为：

，

式中，为极点值，/>为采集点的竖坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的横坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的纵坐标，/>为距离坐标原点最远的采集点的竖坐标；

对于每个采集点，判断极点值与原点距离的关系，将极点值大于原点距离的采集点与对应的任务信息记为第一距离任务，将极点值小于或等于原点距离的采集点与对应的任务信息记为第二距离任务，使用第一距离任务和第二距离任务作为拆分后的新的采集任务完成对原始采集任务的拆分。