一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统及其方法与流程

1.本发明涉及灯塔拉距测试技术领域，具体为一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统及其方法。


背景技术：

2.灯塔是高塔形建筑物，在塔顶装设灯光设备，位置应显要，具有特定的建筑造型，易于船舶分辨，成为港口最高点之一。由于地球表面为曲面，故塔身须有充分的高度，使灯光能为远距离的航船所察见，一般视距为15-25海里（27.78~46.3公里）。灯塔作为重要的导助航设施，根据《海区航标效能验收规范》和《交通运输部南海航海保障中心航标维护管理实施细则（试行）》要求，灯塔灯光的拉距测试一般每年进行一次，如更换新型灯器，应重新进行灯光拉距测试。传统的拉距测试方法一般利用船舶夜航开展，采取目测的方式，即需双眼裸眼视力均在5.0（1.0）或以上，最远射程需2/3人数观测到。对不在航线的灯塔要单独安排夜间灯光拉距测试。传统的灯塔灯光射程测量方法普遍存在受气象海况、航路船舶等因素制约，存在效率低、成本高、风险大等问题，具体为：（1）传统的灯光拉距测量需要水面船舶配合，船舶出海少则一个班组，大型船只出海往往需要数个班组配合，加上至少3名测量人员，人力成本高。
3.（2）传统的测量方法往往由专业的航标船承担作业任务，船舶每年运维成本高企，船舶出海一次，单次测量仅燃油费一项支出就需上万元；而且传统测量方法受海况气象条件制约，单个航次测量成功概率不大。
4.（3）测量方法受海况、地理地貌、航路条件、作业船舶硬件条件等因素制约，测量一次最少需4个小时（仅计算船舶往返时间），加之实际作业时船舶进出港，人员观测时间，最少需6个小时。
5.（4）传统的测量方法必须在夜间开展，船舶夜航风险系数大，有碰撞、搁浅的风险，海上环境复杂多变，作业时遭遇突发的极端气象救援难度大。
6.（5）传统的测量方法采用目测的方式，要求测量人员需双眼裸眼视力均在5.0（1.0）或以上，对测量人员身体素质要求较高，在认定结果时需要2/3人数观测到。目测的方式受观测人员个体的感官影响较大，可能存在个别人员观测的到但其他人员观测不到的情况，主要原因是每个人身体素质不一样，形成的测量结果也不一样。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于无人机技术的灯塔拉距测试方法，包括应用于无人机、地面站、位于无人机下方的相机，方法包括如下步骤步骤s01，朝向无人机发送预设的灯塔坐标信息和路径信息，规划相应的航线、信
息；步骤s02，无人机根据地面站所传输的灯塔坐标信息和路径信息，飞行到灯塔检测位置后；步骤s03，到达预设的灯塔检测位置后，进行位置确认，完成后通过相机进行灯塔进行拍摄；步骤s04，控制相机对灯塔进行拍摄，并将拍摄数据传输到地面站；步骤s05，地面站将接收到的拍摄画面并进行显示并对相机拍摄的画面进行数据分析；步骤s06，拍摄完所有灯塔后，沿规划好的路线返回降落点。
9.无人机飞行的过程中飞行轨迹和视频数据会实时传输到地面站，以直观的展示飞机状态及视频数据，实现灯光数据采集。
10.当无人机和灯塔检测位置之间的距离值分别为20海里、15海里、10海里的时候相机采用预设的参数模式进行拍摄，拍摄完成后相机会将距离值和视频图像发送到地面站，而相机拍摄的过程中无人机会盘旋、悬空2-10分钟；而在无人机搜索到灯塔后，通过远程控制相机2的放大倍数，使灯光画面更易于判别，保证灯光量的准确性，并且通过20海里、15海里、10海里不同位置的拍照可以进一步得知提高后续对灯光量的范围。
11.优选的，地面站对接收到的距离值和视频图像进行处理，根据处理结果发送控制命令并向相机传输控制命令，相机在接收地面站所发送的控制命令后则会根据数据对相机预设的参数模式对灯塔进行拍照，具体为：灯塔照明光亮接触到无人机边缘时，相机则会进行连拍，相机会对其当前的拍摄画面进行记录、存储，并将该照片发送至地面站，地面站将拍摄画面与预存的灯光照片进行匹配。
12.优选的，地面站判断灯塔灯光信息是否合格的方式采用了相机的成像原理，以及相机的曝光原理，在相机曝光时间相同、光圈大小相同、目标物距离相机距离相同、采集时间均为夜间的情况下，灯塔灯光强度越强，相机所拍的光源照片越亮，灯塔灯光强度越弱，相机所拍的光源照片越暗。
13.优选的，地面站在接收到相机拍摄的照片后，会从视频图像中提取当前时间点的一帧视频画面图像，根据视频画面图像与拍照获取的灯塔的图像的清晰度比较结果，确定是否重新发送控制命令到相机以进行重新拍照。
14.优选的，预设的参数模式包括但不限于焦距、角度、曝光，在到达灯塔坐标发现当前位置与地面站所反馈的实际位置不符时会将位置信息发送给地面站，地面站通过分析引导无人机飞行到正确的灯塔坐标处。
15.一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统，用于在上述方法中的无人机包括：导航单元、定位单元、路径规划单元、动力机构、飞控系统、数据接发单元；电源模块和飞导航单元、定位单元、路径规划单元、动力机构、飞控系统、数据接收单元、数据接发单元之间电性连接，导航单元和路径规划单元之间连接，路径规划单元和飞控系统连接，路径规划单元用于接收飞控系统所发送的数据并传输到导航单元，使导航单元驱动无人机根据路径驱动无人机进行飞行，而动力机构和飞控系统之间信号连接，飞控系统将控制信号传输到动力机构，然后动力机构驱动无人机进行飞行，数据接发单元用于
接收地面站发送的控制信号，并将接收的控制信号发送到飞控系统进行处理，而飞控系统结构会通数据接发单元获取的无人机路径实时发送给地面站，数据接发单元用于对接收的相机信号，数据接发单元用于将地面站的数据发送到接收的信号传输到相机处，相机处设置有伺服增稳云台，伺服增稳云台通过地面站进行控制。
16.优选的，用于在上述灯塔拉距测试方法中的无人机地面站包括现有技术中的计算机，计算机电性连接有显示屏，计算机通过无线电的方式对无人机和相机发送信号，并通过无线电的方式接收无人机和相机所传输的数据展示在显示屏处。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用无人机操控简易，使用成本低，速度快效率高，平台稳定风险低等特征，搭载相机进行灯塔灯光测量，提高灯塔拉距测试工作效率，降低作业风险，测量结果量化分析，提高准确度，可靠性，并且无人机通过飞控自动控制，可以在出现海风的时候对无人机的角度进行微调，同时相机增稳云台，增稳调节相机角度，进而提高了无人机在拍摄灯塔灯光时候的稳定性。
附图说明
18.图1是本发明的拉距测试方法的流程示意图；图2为本发明的拉距测试系统示意图；图3为本发明的无人机立体示意图；图4为本发明的相机拍摄物像大小关系图；图5为本发明的光照强度和距离关系图；图6为本发明的发光强弱差异示意图；图7为本发明的无人机采集灯塔灯光示意图。
19.图中：1、无人机本体；2、相机。
具体实施方式
20.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。
21.请参阅图1-7所示，一种基于无人机技术的灯塔拉距测试方法，包括应用于无人机、地面站、位于无人机下方的相机2，方法包括如下步骤步骤s01，朝向无人机发送预设的灯塔坐标信息和路径信息，规划相应的航线、信息；步骤s02，无人机根据地面站所传输的灯塔坐标信息和路径信息，飞行到灯塔检测位置后；步骤s03，到达预设的灯塔检测位置后，进行位置确认，完成后通过相机2进行灯塔进行拍摄；步骤s04，控制相机2对灯塔进行拍摄，并将拍摄数据传输到地面站；步骤s05，地面站将接收到的拍摄画面并进行显示并对相机拍摄的画面进行数据
分析；步骤s06，拍摄完所有灯塔后，沿规划好的路线返回降落点。
22.无人机飞行的过程中飞行轨迹和视频数据会实时传输到地面站，以直观的展示飞机状态及视频数据，实现灯光数据采集。
23.当无人机和灯塔检测位置之间的距离值分别为20海里、15海里、10海里的时候相机2采用预设的参数模式进行拍摄，拍摄完成后相机2会将距离值和视频图像发送到地面站，而相机2拍摄的过程中无人机会悬空5-10分钟，而在无人机搜索到灯塔后，通过远程控制相机2的放大倍数，使灯光画面更易于判别，保证灯光量的准确性，并且通过20海里、15海里、10海里不同位置的拍照可以进一步得知提高后续对灯光量的范围。
24.地面站对接收到的距离值和视频图像进行处理，根据处理结果发送控制命令并通过第一信号发送模块向相机2传输控制命令，相机2在接收地面站所发送的控制命令后则会根据数据对预设的参数模式对灯塔进行拍照，具体为：灯塔照明光亮接触到无人机边缘时，相机2则会进行连拍，并将拍摄画面与预存的灯光照片进行匹配，当拍摄画面与预存的灯光照片匹配度符合预设的匹配条件时，拍摄画面与预存的灯光照片预设匹配度为50%，若匹配度未能达标则重新发生控制命令到相机2以进行重新拍照，相机2会对其当前的拍摄画面进行记录、存储，并将该照片发送至地面站。
25.地面站判断灯塔灯光信息是否合格的方式采用了相机2的成像原理，以及相机2的曝光原理，在相机2曝光时间相同、光圈大小相同、目标物距离相机2距离相同、采集时间均为夜间的情况下，灯塔灯光强度越强，相机2所拍的光源照片越亮，灯塔灯光强度越弱，相机2所拍的光源照片越暗。
26.地面站在接收到相机2拍摄的照片后，会从视频图像中提取当前时间点的一帧视频画面图像，根据视频画面图像与拍照获取的灯塔的图像的清晰度比较结果，确定是否重新发送控制命令到相机2以进行重新拍照。
27.预设的参数模式包括但不限于焦距、角度、曝光，在到达灯塔坐标发现当前位置与地面站所反馈的实际位置不符时会将位置信息发送给地面站，地面站通过分析引导无人机飞行到正确的灯塔坐标处。
28.一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统，用于在上述方法中的无人机包括：用于在上述方法中的无人机包括：导航单元、定位单元、路径规划单元、动力机构、飞控系统、数据接发单元；电源模块和飞导航单元、定位单元、路径规划单元、动力机构、飞控系统、数据接收单元、数据接发单元之间电性连接，导航单元和路径规划单元之间连接，路径规划单元和飞控系统连接，路径规划单元用于接收飞控系统所发送的数据并传输到导航单元，使导航单元驱动无人机根据路径驱动无人机进行飞行，而动力机构和飞控系统之间信号连接，飞控系统将控制信号传输到动力机构，然后动力机构驱动无人机进行飞行，数据接发单元用于接收地面站发送的控制信号，并将接收的控制信号发送到飞控系统进行处理，而飞控系统结构会通数据接发单元获取的无人机路径实时发送给地面站，数据接发单元用于对接收的相机信号，数据接发单元用于将地面站的数据发送到接收的信号传输到相机处，相机处设置有伺服增稳云台，伺服增稳云台通过地面站进行控制。
29.用于在上述灯塔拉距测试方法中的无人机地面站包括现有技术中的计算机，计算
机电性连接有显示屏，计算机通过无线电的方式对无人机和相机2发送信号，并通过无线电的方式接收无人机和相机2所传输的数据展示在显示屏处。
30.具体的，根据图4所示，其中根据图中关系可以计算像的大小为h=f*h/d，其中f为相机2焦距，d为镜头距离目标物的距离，h为在相机2cmos上的成像大小。
31.相机2采集的视频在通过数据链投射至显示器上的图像大小关系如下：h1/h1*相机2像素=h2/h2*显示器像素其中：h1为相机2cmos成像高度；h1为相机2cmos尺寸高度；h2为显示器上成像高度；h2为相机2显示器尺寸高度；本次测试，相机2像素与显示器像素均为1920*1080。
32.具体的，根据图5所示，同一发光物，距离越远，所接收到的光照强度越弱。
33.具体的，根据图6所示，同一发光物，同一距离情况下，发光强度不一样，所呈现的亮度成比例变化。发光强度强弱差异如下图所示，最左侧为发光强度高，最右侧为发光强度低。
34.表1常见灯塔镜头尺寸
35.表格2无人机性能指标
36.表格3吊舱相机性能指标
37.表格4项目关键需求指标和系统方案设计与性能指标
38.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于无人机技术的灯塔拉距测试方法，其特征在于，应用于无人机、地面站、位于无人机下方的相机（2），方法包括如下步骤步骤s01，朝向无人机发送预设的灯塔坐标信息和路径信息，规划相应的航线、信息；步骤s02，无人机根据地面站所传输的灯塔坐标信息和路径信息，飞行到灯塔检测位置后；步骤s03，到达预设的灯塔检测位置后，进行位置确认，完成后通过相机（2）进行灯塔进行拍摄；步骤s04，控制相机（2）对灯塔进行拍摄，并将拍摄数据传输到地面站；步骤s05，地面站将接收到的拍摄画面并进行显示并对相机拍摄的画面进行数据分析；步骤s06，拍摄完所有灯塔后，沿规划好的路线返回降落点；无人机飞行的过程中飞行轨迹和视频数据会实时传输到地面站，以直观的展示飞机状态及视频数据，实现灯光数据采集。2.当无人机和灯塔检测位置之间的距离值分别为20海里、15海里、10海里的时候相机（2）采用预设的参数模式进行拍摄，拍摄完成后相机（2）会将距离值和视频图像发送到地面站，而相机（2）拍摄的过程中无人机会盘旋、悬空2-10分钟；而在无人机搜索到灯塔后，通过远程控制相机2的放大倍数，使灯光画面更易于判别，保证灯光量的准确性，并且通过20海里、15海里、10海里不同位置的拍照可以进一步得知提高后续对灯光量的范围。3.根据权利要求1的一种基于无人机技术的灯塔拉距测试方法，其特征在于：地面站对接收到的距离值和视频图像进行处理，根据处理结果发送控制命令并向相机（2）传输控制命令，相机（2）在接收地面站所发送的控制命令后则会根据数据对相机（2）预设的参数模式对灯塔进行拍照，具体为：灯塔照明光亮接触到无人机边缘时，相机（2）则会进行连拍，相机（2）会对其当前的拍摄画面进行记录、存储，并将该照片发送至地面站，地面站将拍摄画面与预存的灯光照片进行匹配。4.根据权利要求1的一种基于无人机技术的灯塔拉距测试方法，其特征在于：地面站判断灯塔灯光信息是否合格的方式采用了相机（2）的成像原理，以及相机（2）的曝光原理，在相机（2）曝光时间相同、光圈大小相同、目标物距离相机（2）距离相同、采集时间均为夜间的情况下，灯塔灯光强度越强，相机（2）所拍的光源照片越亮，灯塔灯光强度越弱，相机（2）所拍的光源照片越暗。5.根据权利要求1的一种基于无人机技术的灯塔拉距测试方法，其特征在于：地面站在接收到相机（2）拍摄的照片后，会从视频图像中提取当前时间点的一帧视频画面图像，根据视频画面图像与拍照获取的灯塔的图像的清晰度比较结果，确定是否重新发送控制命令到相机（2）以进行重新拍照。6.根据权利要求1的一种基于无人机技术的灯塔拉距测试方法，其特征在于：预设的参数模式包括但不限于焦距、角度、曝光，在到达灯塔坐标发现当前位置与地面站所反馈的实际位置不符时会将位置信息发送给地面站，地面站通过分析引导无人机飞行到正确的灯塔坐标处。7.一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统，其特征在于，用于在上述权1-6中的无人机包括：导航单元、定位单元、路径规划单元、动力机构、飞控系统、数据接发单元；
电源模块和飞导航单元、定位单元、路径规划单元、动力机构、飞控系统、数据接发单元之间电性连接，导航单元和路径规划单元之间连接，路径规划单元和飞控系统连接，路径规划单元用于接收飞控系统所发送的数据并传输到导航单元，使导航单元驱动无人机根据路径驱动无人机进行飞行，而动力机构和飞控系统之间信号连接，飞控系统将控制信号传输到动力机构，然后动力机构驱动无人机进行飞行，数据接发单元用于接收地面站发送的控制信号，并将接收的控制信号发送到飞控系统进行处理，而飞控系统结构会通数据接发单元获取的无人机路径实时发送给地面站，数据接发单元用于对接收的相机信号，数据接发单元用于将地面站的数据发送到接收的信号传输到相机处，相机处设置有伺服增稳云台，伺服增稳云台通过地面站进行控制。8.根据权利要求6的一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统，其特征在于：用于在上述权1-6中的无人机地面站包括现有技术中的计算机，计算机电性连接有显示屏，计算机通过无线电的方式对无人机和相机（2）发送信号，并通过无线电的方式接收无人机和相机（2）所传输的数据展示在显示屏处。

技术总结
本发明公开了一种基于无人机技术的灯塔拉距测试系统及其方法，包括应用于无人机、地面站、位于无人机下方的相机，方法包括如下步骤步骤S01，朝向无人机发送预设的灯塔坐标信息和路径信息，规划相应的航线、信息，本发明利用无人机操控简易，使用成本低，速度快效率高，平台稳定风险低等特征，搭载相机进行灯塔灯光测量，提高灯塔拉距测试工作效率，降低作业风险，测量结果量化分析，提高准确度，可靠性，并且无人机通过飞控自动控制，可以在出现海风的时候对无人机的角度进行微调，同时相机增稳云台，增稳调节相机角度，进而提高了无人机在拍摄灯塔灯光时候的稳定性。摄灯塔灯光时候的稳定性。摄灯塔灯光时候的稳定性。


技术研发人员：覃学宁 岳志伟 钟辉 何瑞冠 冷泉 李飞 柳航 罗忠胜 赵李军 崔昌强 许颖超 童扬武 黄而精 梁友文 苏炳海 任敬忠 周亮 马士豪
受保护的技术使用者：交通运输部南海航海保障中心三沙航标处
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/14