一种基于无人机的港口设备巡检系统的制作方法

本发明涉及港口无人机应用技术领域，尤其涉及一种基于无人机的港口设备巡检系统。

背景技术：

随着国家环保力度的不断加大，作为干散货重要的枢纽点，港口码头及堆场对货物的堆垛有着明确的要求，需遵循《港口货物堆垛要求》及《中华人民共和国大气污染防治法》。码头堆场一般会以网格形式划分出多个存放区域，每个存放区域呈矩形，堆垛会存放在指定存放区域。堆垛场周边一般会配有防风网及固定喷淋措施，但根据大气环保法要求，露天堆放的煤炭矿石等易起尘等物料在不能达到密闭存储的条件下应采取有效覆盖措施防治扬尘污染，根据行业经验，有效覆盖措施主要为人工覆盖苫布的措施。

人工采用苫布对堆垛实现覆盖过程中，需要地面及堆垛上多人从多角度进行指挥，多个工人相互配合一起翻越堆垛，并采用牵引绳拉扯苫布边角，从而使得苫布一端可从堆垛的垛脚拉扯到垛顶，未覆盖区域采用上述步骤多次重复，堆垛最终完成完全覆盖。实际情况中，堆垛上的人员在操作工程中存在堆垛塌陷、掉入坑中丧命的风险，且夏季煤炭堆垛表面受高温影响会生成一氧化碳，易导致操作人员中毒；另外由于人员处于相对局部的位置指挥布置大面积苫布的移动操作，存在方位误差返工等低效率作业的问题；而苫布也具有自重大与展开面积大的特点，其移动难度大。因此，港口干散货堆场急需一项无人技术替代现有人工苫布作业模式，基于以上问题，结合现有无人机的优点，研究开发一套无人机加信息化加机械自动化手段以解决港口人工覆盖苫布的痛点。

技术实现要素：

本发明的目的是主要基于干散货码头堆场物料在堆垛成型后苫布环保措施的信息化手段替代，结合现有无人机的优点，在苫布覆盖过程中实现无人机加信息化加机械自动化的结合。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于无人机的港口设备巡检系统，包括：巡检单元，包括巡检无人机，其搭载有成像扫描模块和信息传输模块，成像扫描模块扫描指定存放区域内的堆垛后形成三维空间图像并通过信息传输模块进行三维空间图像的传输；中控单元，包括地面数据处理平台，其包含有信息接收模块、数据处理模块和指令传输模块，信息接收模块接收信息传输模块输出的三维空间图像，数据处理模块对三维空间图像进行信息化处理并标记苫盖十字中心，通过指令传输模块输出指令信息；以及苫盖单元，包括多架牵引无人机和苫布，牵引无人机搭载有指令接收模块和抛投器，牵引无人机接收到指令传输模块输出的指令信息后挂载苫布飞抵指定存放区域，并确定苫布十字中心位于苫盖十字中心正上方后，抛投器松开苫布使得苫布完全覆盖堆垛外表面。

通过采用上述技术方案，巡检无人机在港口的码头堆场进行高空巡视，从而确定指定堆垛的位置和形状，地面数据处理平台根据堆垛的位置和形状计算获得堆垛的苫盖十字中心，苫盖十字中心不仅确定了苫布覆盖所需的落点位置，还确定了苫布覆盖的方位角度，中控单元指挥牵引无人机对堆垛实施苫布的覆盖动作。本发明中根据数据处理模块获得的最佳落点，当苫布覆盖过程中，苫布在其长度方向和宽度方向上均能有效遮盖堆垛的外表面，苫布边缘位置最后通过人工进行收拢，使得苫布边缘贴靠垛脚。本发明的优势为：后台可视化远程操作，解决了原先人员现场指挥存在盲区的问题，采用巡检无人机和地面数据处理平台的配合，获得苫布最佳落点位置，通过牵引无人机实施苫布的覆盖，最大程度利用苫布自身长宽和表面积，覆盖合理程度更高，大大缩短了原先人员覆盖时间和指挥难度，更加快捷高效，同时，也解放劳动力，工人可远离堆垛和塌垛的危险区域，场地安全性得到质的提升。

进一步设置为：数据处理模块的工作模式为，数据处理模块根据指定存放区域建立空间坐标系，对堆垛的三维空间图像进行空间建模，生成多个堆垛外表面空间坐标点；

堆垛外表面空间坐标点中标记堆垛高度0点为边界点，取n个边界点，分别为：

………；≤≤；

在空间模型内，部分堆垛外表面空间坐标点的平面投影点落入在所处直线上，上述堆垛外表面空间坐标点标记为长度中间点，取m个长度中间点，分别为：

……；≤；

任意相邻长度中间点的空间距离为，=；

之间的空间长度为，= ；

堆垛表面最大空间长度为，max；

根据，获得其两个边界点坐标和其空间长度中心点坐标，分别标记为，，；

在空间模型内，部分堆垛外表面空间坐标点的平面投影点落入在与所处直线的垂直线上，上述堆垛外表面空间坐标点标记为宽度中间点，取m个宽度中间点，重复上述方式，获得堆垛表面最大空间宽度为；

根据，获得其两个边界点坐标和其空间宽度中心点坐标，分别标记为，，；

通过直线、直线的方向确定苫盖十字中心的方向，通过经过投影点且与垂直的投影线和经过投影点且与垂直的投影线的交点，确定苫盖十字中心的坐标，最终生成苫盖十字中心。

通过采用上述技术方案，本方案先确定堆垛的最长空间距离，该距离非直线距离，而是沿一个固定方向下经过堆垛外表面的最长路径距离，根据最长空间距离再确定最宽空间距离，过程中保证最宽空间距离的平面投影线和最长空间距离的平面投影线相互垂直，再通过投影点坐标和投影点坐标获得苫盖十字中心的投影点坐标，根据三维空间图像，从而精准获得苫盖十字中心坐标，根据和的方向，最终得到苫盖十字中心。

进一步设置为：中控单元还包括显示屏，地面数据处理平台还包括预警模块和存储模块，存储模块内存有苫布尺寸，苫布长宽分别记录为和，存储模块与数据处理模块信号连接，预警模块对和、和实行数据比对，当小于或后，预警模块发出报警信息，报警信息显示于显示屏。

通过采用上述技术方案，为了避免堆垛堆积过程中垛体过长、过宽、甚至少量垛脚外延，导致苫布无法完全覆盖堆垛的情况出现，通过预存的苫布尺寸和堆垛实际所需的长宽值进行比对，确定苫布覆盖的有效性，当苫布尺寸小于堆垛实际尺寸时，报警信息直接显示在显示屏上，此时需要人工对堆垛的边缘进行调整或者更换苫布。

进一步设置为：巡检无人机上还设置有图像采集模块，采用无线高清数字图传射频技术，现场图像实时显示在显示屏上。

通过采用上述技术方案，巡检无人机可从高空实时拍摄图像，让指挥人员更加的直观的获取苫布实时覆盖堆垛的信息。

进一步设置为：地面数据处理平台根据苫盖十字中心位置向挂载同一苫布的多架牵引无人机同时发出指令信息，指令信息包括起飞信号、飞行路径和抛投信号；多架牵引无人机接收到起飞信息后挂载苫布上升到预定高度后沿飞行路径飞行，多架牵引无人机完全展开苫布并保持相互之间间距，以确定苫布十字中心，当苫布十字中心位于苫盖十字中心正上方后，地面数据处理平台向上述多架牵引无人机同时发出抛投信号。

通过采用上述技术方案，指令信息会对牵引无人机的编组进行控制，确保牵引无人机稳定的运行，牵引无人机会携带苫布飞抵至堆垛上方合适位置后，抛投器抛下苫布，苫布从苫盖十字中心向堆垛边缘逐步覆盖。

进一步设置为：牵引无人机为四机组或六机组或八机组。

通过采用上述技术方案，牵引无人机的编组相互配合，根据苫布的质量和牵引无人机的载重能力进行编组。

进一步设置为：巡检无人机和牵引无人机自带有飞控模块和gps模块，用于控制飞行方向、高度和角度，飞控模块包括陀螺仪和指南针。

通过采用上述技术方案，巡检无人机和牵引无人机具备自我飞行和定位能力。

进一步设置为：牵引无人机上还设置有喊话器。

通过采用上述技术方案，牵引无人机由于挂载有苫布，其具有一定危险性，喊话器可及时提醒周边区域的活动人员。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

（1）采用远程控制的方式，通过巡检无人机和牵引无人机的配合，实现苫布的自动覆盖，使得操作人员可远离堆垛，避免了塌垛的造成的人员危险，提高现场施工的安全性；

（2）通过地面数据处理平台选择最优覆盖方案，可确保苫布最大程度利用因其长宽所限制的覆盖面，使其完全覆盖堆垛表面，完成高效精准覆盖，实现无人机加信息化加机械自动化的结合。

附图说明

图1是本发明的控制示意图；

图2是堆垛的俯视示意图；（展示苫盖十字中心）

图3是本发明中堆垛长度方向的横截面示意图；（展示）

图4是本发明中堆垛宽度方向的横截面示意图；（展示）

图5是本发明中牵引无人机飞行路径俯视示意图。

附图标记：1、巡检单元；2、中控单元；3、苫盖单元；11、巡检无人机；12、成像扫描模块；13、信息传输模块；14、图像采集模块；21、显示屏；22、地面数据处理平台；23、信息接收模块；24、数据处理模块；25、指令传输模块；26、预警模块；27、存储模块；31、苫布；32、牵引无人机；33、指令接收模块；34、抛投器。

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。

参照图1，为本发明公开的一种基于无人机的港口设备巡检系统，包括：巡检单元1、中控单元2和苫盖单元3。巡检单元1用于对堆垛进行数据采集和现场环境监控，中控单元2用于提供现场环境高清图像显示和数据处理，指挥无人机的飞行、引导无人机执行挂载飞行、自动导航和规避障碍，苫盖单元3用于实现苫布31转移和对堆垛覆盖。需要说明的是，本发明所涉及的飞行区域为港口的码头堆场。

巡检单元1包括巡检无人机11，其搭载有成像扫描模块12和信息传输模块13，成像扫描模块12扫描指定存放区域内的堆垛后形成三维空间图像并通过信息传输模块13进行三维空间图像的传输。成像扫描模块12采用成像扫描仪，通过成像扫描仪对堆垛进行扫描成像以形成三维模型。巡检无人机11上还设置有图像采集模块14，图像采集模块14采用高清工业摄像头，采用无线高清数字图传射频技术，现场图像实时传输给中控单元2。本方案中，巡检无人机11可从高空实时拍摄图像，让地面指挥人员更加的直观的获取堆垛信息，包括堆垛类型，堆垛外形，周边环境，现场人员情况等。

中控单元2，包括地面数据处理平台22和与其信号连接的显示屏21，地面数据处理平台22包含有信息接收模块23、数据处理模块24和指令传输模块25，信息接收模块23接收信息传输模块13输出的三维空间图像，数据处理模块24对三维空间图像进行信息化处理并标记苫盖十字中心，通过指令传输模块25输出指令信息。

数据处理模块24的工作模式为:数据处理模块24根据指定存放区域建立空间坐标系，每个独立的堆垛存放区域生成独立的坐标系为o-xyz，x轴为横轴，y轴为纵轴，z轴为竖轴，再对堆垛的三维空间图像进行空间建模并将数据录入坐标系o-xyz内，进而生成多个堆垛外表面空间坐标点；堆垛外表面空间坐标点中标记堆垛高度0点（z=0）为边界点，取n个边界点，分别为：

………；≤≤；相邻边界点之间间距保持相等，边界点尽量包含选择垛脚的边缘拐点，其中，坐标点均在o-xy平面内。

在空间模型内，部分堆垛外表面空间坐标点在o-xy平面的投影点落入在所处直线上，上述堆垛外表面空间坐标点标记为长度中间点，取m个长度中间点的坐标，分别为：

……；≤；任意相邻长度中间点的空间距离为，=；之间的空间长度为，= ；堆垛表面最大空间长度为，max，为在堆垛外表面上沿一个固定方向下经过堆垛外表面的最大路程，也是苫布31的最低长度要求。参考图3，根据，获得其两个边界点坐标和其空间长度中心点坐标，分别标记为，，（图2），到的空间长度距离等于到的空间长度距离，在o-xy平面的投影点为（显示于图3），在所处直线上。

在空间模型内，部分堆垛外表面空间坐标点在o-xy平面的投影点落入在与所处直线的垂直线上，上述堆垛外表面空间坐标点标记为宽度中间点，取m个宽度中间点的坐标，分别为：

……；≤；任意相邻宽度中间点的空间距离为，=；之间的空间宽度为，= ；堆垛表面最大空间宽度为，max，为苫布31的最低宽度要求。参考图4，根据，获得其两个边界点坐标和其空间宽度中心点坐标，分别标记为，，（图2）；到的空间长度距离等于到的空间长度距离，在o-xy平面的投影点为（显示于图4），在所处直线上，所处直线和所处直线相互垂直。

在o-xy平面内，经过坐标且垂直的直线和经过坐标且与垂直的直线的相互交叉（从图2中可看到为两条虚线段相互交叉），其在o-xy平面内交点记录为（在说明书附图中未显示。将录入空间模型内，获得该坐标点的堆垛高度，得到苫盖十字中心的坐标，在图2中与重合。通过直线和直线的方向确定苫盖十字中心的方向，确定苫盖十字中心的坐标，结合和的方向，最终生成苫盖十字中心（图2）。数据处理模块24先确定堆垛的最长空间距离，再根据最长空间距离再确定最宽空间距离，最终获得苫盖十字中心，苫盖十字中心具有具体的坐标位置和具体的方位角度。本方案中，数据处理模块24采用云服务器或者配置的服务器群，可根据需求度以及服务器的数据计算能力，采集更多的边界点、长度中间点和宽度中间点的数量，从而提高检测精度。

地面数据处理平台22还包括预警模块26和存储模块27，存储模块27为存储器，其内存有苫布31尺寸，苫布31长宽数据分别记录为和，存储模块27与数据处理模块24信号连接，预警模块26耦接于数据处理模块24以接收和，预警模块26对和、和实行数据比对，以判断堆垛实际所需覆盖尺寸。当小于或后，预警模块26发出报警信息，报警信息显示于显示屏21。为了避免苫布31无法覆盖堆垛，通过预存的苫布31尺寸和堆垛实际所需的长宽值进行数值比对，确定苫布31覆盖的有效性，当苫布31尺寸小于堆垛实际尺寸时，报警信息直接显示在显示屏21上并被操作人员直观获取，随后工人可以进入现场，通过人工对堆脚位置进行调整，该方式简单并更为有效。

苫盖单元3，包括多架牵引无人机32和苫布31，牵引无人机32搭载有指令接收模块33和抛投器34，抛投器34采用机电传动模式，指令信息采用5g信号传输。牵引无人机32接收到指令传输模块25输出的指令信息后通过抛投器34挂载苫布31飞抵指定存放区域，并确定苫布十字中心位于苫盖十字中心正上方后，抛投器34松开苫布31使得苫布31完全覆盖堆垛外表面。

地面数据处理平台22根据苫盖十字中心位置向挂载同一苫布31的多架牵引无人机32同时发出指令信息，牵引无人机32为四机组或六机组或八机组，分布在苫布边角。牵引无人机32的编组相互配合，根据苫布31的质量和牵引无人机32的载重进行编组，多架牵引无人机32同时拉紧长方形状的苫布31，使其展开，本方案中牵引无人机32采用四机组编组。指令信息包括起飞信号、飞行路径和抛投信号。参照图5，图5为俯视图，第一阶段，多架牵引无人机32接收到起飞信息后挂载苫布31上升到预定高度，该高度为常规高度，高于堆垛要求的安全高度。第二阶段，四架牵引无人机32后沿飞行路径飞行，四架牵引无人机32完全展开苫布31并保持相互之间间距，四架牵引无人机32保持稳定后，从而确定移动中的苫布31的十字中心，苫布31的十字中心包括方向，即四架牵引机的相对位置。第三阶段，四架牵引无人机32挂载苫布31移动至堆垛上方之后，苫布十字中心的移动坐标标记为，其在o-xy平面内的投影为（在说明书附图中未显示，图5中与重合）。为固定坐标，为移动坐标，当苫布十字中心位于苫盖十字中心正上方后，与完全重合，地面数据处理平台22向上述多架无人机同时发出抛投信号，苫布31靠自身重力落下，覆盖在堆垛外表面。指令信息会对牵引无人机32的编组进行控制，确保牵引无人机32稳定的运行，牵引无人机32会携带苫布31飞抵至堆垛上方合适位置后，抛投器34同时启动并抛离苫布31，苫布31自由落体过程中，苫布31从苫盖十字中心向堆垛边缘逐步覆盖，覆盖完成后，最后人工对苫布31的边缘进行收拢，使其贴靠在跺脚周边。

巡检无人机11和牵引无人机32自带有飞控模块和gps模块，用于控制飞行方向、高度和角度，飞控模块包括陀螺仪和指南针。巡检无人机11和牵引无人机32具备自我飞行和定位能力，再次不再累赘阐述。牵引无人机32上增加设置有喊话器。牵引无人机32由于挂载有苫布31，其具有一定危险性，喊话器可及时提醒周边区域的活动人员。

本发明的工作原理及有益效果为：

操作人员后台操控巡检无人机11在港口的码头堆场进行巡视，通过巡检无人机11获取到的现场图像选择需要覆盖苫布31的堆垛，通过巡检无人机11上的成像扫描模块12确定堆垛的位置和形状，地面数据处理平台22根据堆垛的位置和形状计算获得堆垛的最合适覆盖点，标记为苫盖十字中心坐标，苫盖十字中心不仅确定了苫布31覆盖前的落点位置，还确定了苫布31覆盖的角度，中控单元2指挥牵引无人机32挂载苫布31移动至堆垛上方，当苫布十字中心与苫盖十字中心重合后，抛投器34启动，对堆垛实施苫布31的覆盖动作。苫布31边缘位置通过人工进行收拢，使得苫布31边缘贴靠垛脚。

本发明通过数据处理模块24的算法计算获得苫布31的最佳落点并引导牵引无人机32完成覆盖动作，当平面状苫布31覆盖在堆垛的立体表面后，苫布31在其长度方向和宽度方向上均能有效遮盖堆垛的外表面，最大程度利用苫布31自身长宽和表面积，覆盖合理程度更高，大大缩短了原先人员覆盖时间，更加快捷高效，同时，也解放劳动力，工人可远离堆垛和塌垛的危险区域，场地安全性得到提升。本发明通过后台可视化远程操作，摒弃了原先人员现场指挥的方式，消除了指挥盲区，同时节省了人力资源。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。