一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法。本发明专利技术针对现有涌潮观测中单无人机作业存在的涌潮拍摄范围有限、无法覆盖和检测涌潮形态全貌等问题，设计了一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，构建了由多旋翼无人机模块、云台相机模块、板载计算机模块NUC、飞控模块、自组网模块和地面站模块组成的多无人机自组网的钱塘江涌潮协同拍摄平台。云台相机将拍摄的图像传给NUC，NUC首先运行拼接算法，将图像进行同步拼接，然后运行跟踪算法，实时保持动态涌潮跟踪。借助于多无人机摄影测量的涌潮观测方法，能够在大尺度范围内连续跟踪观测涌潮。该方法具有工作效率高、安全性高、方便快捷、可连续观测以及涌潮覆盖范围大等优势。盖范围大等优势。盖范围大等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法


[0001]本专利技术属于海洋信息领域，涉及一种涌潮检测方法，具体涉及一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法。

技术介绍

[0002]涌潮是一种罕见的自然景观，其巨大能量对河口过程有重要的影响，也影响到航运和河口生态系统。然而由于涌潮来势迅猛、行进速度快、观测难度大，因此对涌潮的研究至今还很有限。典型涌潮当数我国的钱塘江涌潮，钱塘江河口潮强流急，浪潮汹涌，河床宽浅，海域外来沙丰富，泥沙易冲易淤，主槽摆动频繁，河床冲淤幅度很大。古人在对涌潮现象观测的基础上，对涌潮形成和传播机理进行了长期的探索。近代物理科学特别是流体力学的发展，对涌潮形成和发展变化机理进行了科学的理论解释，先进的水动力观测仪器也在不断验证这些理论。定点水动力学观测设备一般只能观测一个点或一条垂线的涌潮高度或流速，这对于涌潮动力机理的研究非常适用，然而有限点位的数据对涌潮整体形态研究而言，其信息量仍十分有限。盐官镇占鳌塔的建设，客观上提升了观察涌潮的视觉高度，对涌潮观测的范围更大、观测距离更远，但远不足为钱塘江涌潮形态特征研究提供全面的数据支撑。
[0003]涌潮除具有流的特性外，也兼具波的特性，而波的传播又受地形、岸线及风等边界条件影响。如水深对涌潮潮头形态和行进速度会产生影响，风向会对涌潮有激励或压制作用。借助于多无人机摄影测量的涌潮观测方法，可获取涌潮在河道传播过程中连续时空上的形态变化过程，同时结合径流、地形及风等条件，可为涌潮传播规律的研究提供丰富的信息支撑；研究成果也可对防汛和防潮堤坝的设计、海塘薄弱环节加固等都具有重要意义。岸线边界的变化会导致涌潮出现多种形态特征，如海宁一线潮、尖山附近的交叉潮、老盐仓坝回头潮和赭山湾河段的马赫结等。借助于多无人机摄影测量的涌潮观测方法，有助于研究涌潮在这些特殊河段的形态变化过程和传播规律；唐宋时期杭州一带观潮之风最盛，明清时下移到海宁盐官。2020年9月3日至9月5日，浙江省钱塘江涌潮研究会组织浙江省钱塘江流域中心和浙江省水利河口研究院等单位的一批涌潮研究专家，实地考察了钱塘江起潮点。现阶段起潮点与2010年相比，又向东移动了约5公里，处于海盐黄沙坞排涝闸和余姚临海浦闸一线以东的位置。起潮点除受月球朔望周期性变化的影响，还受上游径流、江道地形和风等多种因素的综合影响。
[0004]目前钱塘江涌潮观测的方法主要有近岸固定式潮位站，海基X波段雷达两种方法。分布于钱塘江两岸的固定式潮位站通过自动化监测设备，提供涌潮高度、形态、行进速度、潮位、压力、流速、含沙量和河床冲淤等全要素的实时数据，填补了强潮河口涌潮自动观测的空白；X波段雷达的搜索半径超过20km，可以记录超过20km范围内涌潮形态和传播特征，克服了传统涌潮观测站单点观测的局限性，然而上述观测方法均为单点观测或垂线观测或岸边局部观测，无法满足钱塘江涌潮大尺度范围、形态变化的持续跟踪和涌潮形态特征动态提取的观测需求。
[0005]针对以上问题，本专利技术构建了基于多无人机自组网的钱塘江涌潮协同拍摄摄影观测平台，设计了一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法。该观测平台包括多旋翼无人机飞行模块、云台相机模块、板载计算机模块NUC、飞控模块、自组网模块和地面站模块，借助于无人机、摄影测量和人工智能等现代技术手段，实现了对涌潮的协同拍摄、图像处理和自动追踪等功能。云台相机模块将实时拍摄的涌潮照片或视频传输至板载计算机模块，NUC利用图像处理技术拼接获取的图像，识别潮头线，然后运行涌潮跟踪算法计算出涌潮当前的行进速度，而后反馈给飞控系统来智能地调整无人机飞行速度，以保证无人机始终处于涌潮正上方，最终实现多无人机的涌潮智能跟踪观测。无人机跟踪涌潮的过程中，会定距发送拍照指令给云台相机模块，同时共享各无人机的飞行数据、拍摄的照片和视频、地面站控制指令等；地面站实时监控每架无人机飞行过程中的各种状态数据，用于保障飞行安全和发送控制命令。借助于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，能够在大尺度范围内连续观测涌潮在江道传播过程中时空上的形态变化过程，同时结合江道径流、地形及风等环境条件，可以探究钱塘江涌潮的传播规律，提高涌潮预报的准确性，为河口防汛防潮、海塘加固和观潮旅游等提供了科学依据和技术支撑。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了弥补现有涌潮观测站单点观测的局限性、单无人机作业存在的涌潮拍摄范围有限、携带载荷有限以及工作效率低等缺点，结合了多无人机协同拍摄与图像处理方法，提出了一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，以无人机、摄影测量和人工智能等现代技术手段为知识基础，创新性地集成了多旋翼无人机飞行模块、云台相机模块、板载计算机模块NUC、飞控模块、自组网模块和地面站模块，实现了对涌潮大尺度范围内的连续跟踪观测。该方法具有工作效率高、安全性高、方便快捷、可连续观测以及涌潮覆盖范围大等优势。
[0007]一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
[0008]步骤1：各模块通电自检。对无人机模块、云台相机模块、NUC、自组网模块和地面站模块通电自检；
[0009]步骤2：采集初始航点，飞控模块生成各航点信息；
[0010]步骤3：地面站控制各无人机起飞至初始航点悬停并调整姿态；
[0011]步骤4：当涌潮进入云台相机视野范围内，无人机切换至涌潮摄影模式，利用云台相机模块进行涌潮图像采集，并实时传输至NUC模块；
[0012]步骤5：NUC模块运行涌潮拼接算法，对涌潮图像进行同步拼接；
[0013]步骤6：NUC模块运行跟踪算法，实时保持动态涌潮跟踪；
[0014]步骤7：每间隔给定的距离，飞控模块给云台相机模块发送拍照指令，重复步骤4
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步骤6；
[0015]步骤8：任务完成，各无人机返航。
[0016]所述步骤1中具体步骤为：打开飞行器，用移动设备连接APP，进入图传界面，点击图传界面的顶部进入飞行器状态列表，可以看到模块自检和该飞行器各个模块的状态，重点检查模块自检、指南针、IMU、电调状态、云台状态是否异常。
[0017]所述步骤2的详细步骤为：将初始坐标、期望航向、期望距离和无人机数量通过地面站节点发送至自组网模块，再由自组网模块分发至所有无人机节点。各无人机节点的飞控模块运行航点生成算法生成航点信息。
[0018]所述步骤3的详细步骤为：在涌潮来临之前，通过地面站模块向自组网模块发送“起飞”控制命令，各无人机节点将根据生成的航点信息，依次飞往任务起始点江面上方悬停等待，并调整无人机姿态以及控制云台相机模块的三轴航拍角度。
[0019]所述步骤4的详细步骤为：打开无人机搭载的云台相机，等待涌潮到来，当涌潮进入云台相机视野范围内时，地面站将无人机飞行模式切换至涌潮摄影模式，云台相机模块在摄影模式下进行涌潮图像采集，并实时将采集到的涌潮图像传输至NUC模块。
[0020]所述步骤5的详细步骤为：NUC模块运行涌潮拼接算法，将各无人机采集的沿涌潮宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：各模块通电自检。对无人机模块、云台相机模块、NUC、自组网模块和地面站模块通电自检；步骤2：集初始航点，飞控模块生成各航点信息；步骤3：地面站控制各无人机起飞至初始航点悬停并调整姿态；步骤4：当涌潮进入云台相机视野范围内，无人机切换至涌潮摄影模式，利用云台相机模块进行涌潮图像采集，并实时传输至NUC模块；步骤5：NUC模块运行涌潮拼接算法，对涌潮图像进行同步拼接；步骤6：NUC模块运行跟踪算法，实时保持动态涌潮跟踪；步骤7：每间隔给定的距离，飞控模块给云台相机模块发送拍照指令，重复步骤4
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步骤6；步骤8：任务完成，各无人机返航。2.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：打开飞行器，用移动设备连接APP，进入图传界面，点击图传界面的顶部进入飞行器状态列表，可以看到模块自检和该飞行器各个模块的状态，重点检查模块自检、指南针、IMU、电调状态、云台状态是否异常。3.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：将初始坐标、期望航向、期望距离和无人机数量通过地面站节点发送至自组网模块，再由自组网模块分发至所有无人机节点，各无人机节点的飞控模块运行航点生成算法生成航点信息。4.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤为：在涌潮来临之前，通过地面站模块向自组网模块发送“起飞”控制命令，各无人机节点将根据生成的航点信息，依次飞往任务起始点江面上方悬停等待，并调整无人机姿态以及控制云台相机模块的三轴航拍角度。5.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：打开无人机搭载的云台相机，等待涌潮到来，当涌潮进入云台相机视野范围内时，地面站将无人机飞行模式切换至涌潮摄影模式，云台相机模块在摄影模式下进行涌潮图像采集，并实时将采集到的涌潮图像传输至NUC模块。6.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，其特征在于，所述步骤5的具体步骤为：NUC模块运行涌潮拼接算法，将各无人机采集的沿涌潮宽度方向的涌潮图像进行同步拼接。7.根据权利要求6所述的一种基于多无人机的涌潮潮头平面形态检测方法，其特征在于，所述涌潮...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵梦雅，丁涛，占光洁，姜合，邓琴，马志斌，郑佳坤，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：