本发明涉及无人机领域，具体为基于无人机的水域自动巡检系统及方法。
背景技术：
水对我们的生命起着重要的作用，它是生命的源泉,是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一。人的生命一刻也离不开水，水是人生命需要最主要的物质，但水也存在着隐患。对水域的防洪、防凌、灌溉、供水、水力发电、航运、水资源统一调度和水资源保护等进行监控管理是十分必要的，这紧密的联系着人民百姓的生命财产安全。目前，水域的管理手段有三种，人工管理、现场监控和直升机视察。人工管理视察周期长，信息滞后，耗费人力、物力和财力。现场监控监视的范围小，并且存在着死角。直升机视察的损耗更加巨大，专业技能要求更高。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于无人机的水域自动巡检系统，本系统对水域进行全自动、无人化巡视检查，实时获取的所需的数据和影像形成统一监控管理，可为相关决策提供依据，大大提高了监察效率，降低了工作成本。
一种基于无人机的水域自动巡检系统，包括地面控制中心、智能起降站和无人机；
地面控制中心包括无人机调度平台和水域巡检结果分析平台；无人机调度平台用于选择无人机机型，制定飞行任务，向无人机下发飞行任务，获取飞行状态，实现无人机水域巡检任务的调度；水域巡检结果分析平台，接收并存储水域巡检数据，通过水域巡检数据分析水域特征；无人机调度平台、水域巡检结果分析平台均和智能起降站双向通信；所述水域巡检数据包括影像数据、飞行状态数据和环境监测数据；
智能起降站，具有数据传输模块和自主续航模块；所述数据传输模块，用于实时接收无人机发送的数据，并将所述数据发送至地面控制中心；所述自主续航模块，用于在无人机执行水域巡检任务的过程中，采用非人工方法更换无人机的供电电池，执行无人机续航功能；
无人机，无人机接收飞行任务执行水域自动巡检，并实时将获取的水域巡检数据和飞行状态数据发送至智能起降站。
进一步的，所述自主续航模块包括视觉检测模块、电池装取系统和控制模块；视觉检测模块与控制模块单向通信；电池装取系统和控制模块双向通信；
所述视觉检测模块，用于捕捉智能起降站周围的无人机图像，并实时发送至控制模块；
所述电池装取系统，用于将电池从无人机的电池仓取出，并将满电电池安装到无人机的电池仓；
所述控制模块，通过接收视觉检测数据，控制无人机停靠于指定位置。
进一步的，所述电池装取系统包括电池夹取装置和承载平台；所述电池夹取装置包括电动夹爪、抓手、驱动器、带齿贴片、工形卡槽、开关按钮和控制器，当需要夹取电池时，通过控制器发出信号给驱动器，驱动电动夹爪执行相应动作；所述带齿贴片粘贴在电池上，在抓手外侧设有两个丝孔，电动夹爪的夹爪上有对应的丝孔，抓手采用螺丝与电动夹爪的夹爪相固定。所述带齿贴片和抓手，可以有效解决电池在移动中的下滑，并且可以保证电池两侧的夹取的深度和位置相同，避免因位置与深度不同造成夹取电池偏斜，不能安装到电池仓或无人机上。
所述承载平台，用于承载电池夹取装置，并带动电池夹取装置在三维空间运动。
进一步的，所述无人机还具有电池充电平台，所述电池装取系统将从无人机取出的电池放置于所述电池充电平台上充电。
进一步的，所述电池充电平台采用太阳能发电系统或风力发电系统。
进一步的，太阳能发电系统包括太阳能电池板、蓄电池组和太阳能控制器，蓄电池组输入端连接太阳能控制器的输入端，太阳能控制器输入端与太阳能电池板连接；太阳能控制器输出端连接蓄电池组的输出端。
进一步的，所述智能起降站还包括有环境监测模块，用于监测距离智能起降站设定范围内的环境温度、湿度和风力。
进一步的，所述无人机具有导航模块、避障模块、电池自检模块、通信模块和载荷模块；
所述导航模块，用于实现无人机水域巡检测线路的规划；
所述蔽障模块，包括设置在无人机外壁的测距传感器和摄像单元，用于实现无人机水域巡检过程中智能蔽障；
所述通信模块，用于将水域巡检数据和飞行状态数据发送至智能起降站；
所述电池自检模块，实时检测无人机供电电池电量，当电量小于设定值时，通过所述通信模块向无人机调度平台发送报警信息；
所述载荷模块，包括搭载在云台上的全日摄像单元和环境传感器，用于获取水域巡检数据。
进一步的，所述环境传感器包括温度传感器、湿度传感器和空气质量传感器。
进一步的，将水域划分为若干区域，每个区域配置有多个智能起降站和一架无人机，无人机实时将获取的水域巡检数据发送至与其距离最近的智能起降站。
进一步的，在相邻两个智能起降站之间设置中继塔，用于实现无人机和智能起降站之间数据的中继传输。
进一步的，所述无人机调度平台包括调度服务器和人机交互模块；
所述调度服务器，用于对无人机水域巡检任务进行调度，接收无人机的飞行状态，并依据水域巡检现场状态对任务调度方案进行调整，引导电量低于设定值的无人机停靠于距离其最近的智能起降站，执行自主续航功能；
所述人机交互模块，用于获取并解析外部命令，将解析后的外部指令发送到调度服务器，并展示出来。
进一步的，所述无人机调度平台至少具有两套相同配置的软、硬件系统，保证一套软、硬件系统出现故障时，备份软、硬件系统能立即启动，代替工作。
本发明还提出了一种无人机水域自动巡检方法：
通过无人机调度平台选择无人机机型，制定飞行任务，下发至待巡检的无人机；
无人机执行巡检任务，实时将水域巡检数据和飞行状态数据发送至智能起降站；智能起降站将上述水域巡检数据和飞行状态数据再发送至地面控制中心；当无人机电量小于设定值时，通过无人机调度平台控制其飞向智能起降站，执行自主续航功能；
水域巡检结果分析平台，接收并存储水域巡检数据，通过水域巡检数据分析水域特征。
进一步的，所述水域巡检结果分析平台采用视觉算法，对所述水域巡检数据进行水域特征分析。
进一步的，按不同的监视需求将水域分成若干不同区域，并在水域的相应区域中安置相应的个数的智能起降站和一架无人机，使无人机在每个区域段往复巡航，并实时将拍摄的影像和无人机的各种姿态、环境监测数据回传给智能起降站，最终致地面控制中心，这样能够完整的监视整个水域的情况，极大地提高了巡视的效率，解决了信息滞后的问题。
进一步的，地面控制中心对无人机进行远程航迹规划，更改飞行计划进行补拍或兴趣点环绕。
进一步的，智能起降站对其周围的环境进行监测，当满足无人机飞行条件时，给无人机发射起飞指令，无人机可从智能起降站定时起飞；当满足无人机降落条件时，给无人机发射下降指令，无人机可停靠与指定位置；当无人机的供电电量低于设定值时，智能起降站可对无人机电池进行自动更换，并将换下的电池进行自动充电，能够完成全自动无间断供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本系统对水域进行全自动、无人化巡视检查，实时获取的所需的数据和影像形成统一监控管理，可为相关决策提供依据，大大提高了监察效率，降低了工作成本。
(2)节省人力、财力，可全方位观察，可实现采集数据的实时回传并处理，工作效率高，回传数据误差小，解决了信息滞后的问题。
(3)预设航线，自主飞行，引导式降落，实现无人机精准降落，自动换电池，自动接力，换下的电池自动充电，无人机数据云存储、实时传输，实时监控无人机、智能起降站运行情况，智能起降站协调工作，网络化控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明基于无人机的水域自动巡检系统的示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，一种基于无人机的水域自动巡检系统，包括地面控制中心、智能起降站和无人机；
地面控制中心包括无人机调度平台和水域巡检结果分析平台；无人机调度平台用于选择无人机机型，制定飞行任务，向无人机下发飞行任务，获取飞行状态，实现无人机水域巡检任务的调度；水域巡检结果分析平台，接收并存储水域巡检数据，通过水域巡检数据分析水域特征；无人机调度平台、水域巡检结果分析平台均和智能起降站双向通信；
本实施例中首选多旋翼无人机；
无人机调度平台包括调度服务器和人机交互模块；
调度服务器，用于对无人机水域巡检任务进行调度，接收无人机的飞行状态，并依据水域巡检现场状态对任务调度方案进行调整，引导电量低于设定值的无人机停靠于距离其最近的智能起降站，执行自主续航功能；人机交互模块，用于获取并解析外部命令，将解析后的外部指令发送到调度服务器，并展示出来。
无人机调度平台至少具有两套相同配置的软、硬件系统，保证一套软、硬件系统出现故障时，备份软、硬件系统能立即启动，代替工作。
无人机，无人机接收飞行任务执行水域自动巡检，并实时将获取的水域巡检数据和飞行状态数据发送至智能起降站。
无人机具有导航模块、避障模块、电池自检模块、通信模块和载荷模块。
本实施例中，导航模块选择惯性导航和GPS(INS/GPS)组合导航的形式执行无人机的导航，实现了无人机水域巡检测线路的规划。避障模块的具体设置是在无人机前、后、左、右、上以及下方安装超声波传感器与摄像头，采用复合避障系统，保证无人机的安全飞行。通信模块采用4G通讯单元或无线通信单元，及时将水域巡检数据和飞行状态数据发送至智能起降站；电池自检模块，检测无人机供电电池电量小于设定值时，通过所述通信模块向无人机调度平台发送报警信息。载荷模块，包括搭载在云台上的全日摄像单元和环境传感器，用于获取水域巡检数据。全日摄像头，保证了无人机在白天和夜间都可工作；由于无人机在飞行和空中悬停时会发生抖动，造成机载摄像头不稳定，拍摄的影像会出现畸变等等，加入云台增加机载摄像头稳定性，可使拍摄不受无人机抖动影响；其中环境传感器包括温度传感器、湿度传感器和空气质量传感器。
本实施例中的智能起降站包括数据传输模块、自主续航模块、环境监测模块和电池充电平台，环境监测模块用于监测距离智能起降站设定范围内的环境温度、湿度和风力；具体的，优选温湿度一体式传感器和风力传感器；电池充电平台，用于对从无人机上取下的电池进行充电，电池充电平台采用太阳能发电系统或风力发电系统。太阳能发电系统包括太阳能电池板、蓄电池组和太阳能控制器，蓄电池组输入端连接太阳能控制器的输入端，太阳能控制器输入端与太阳能电池板连接；太阳能控制器输出端连接蓄电池组的输出端。自主续航模块又包括视觉检测模块、电池装取系统和控制模块。
所述数据传输模块，用于实时接收无人机发送的水域巡检数据，并将所述水域巡检数据发送至地面控制中心；
视觉检测模块与控制模块单向通信，包括有摄像单元和图像处理模块，摄像单元接收视野范围内的图像信息，并发送至图像处理模块；图像处理模块根据所述图像信息识别出无人机，并根据视觉算法估算出悬停于高清摄像头正上方的无人机高度，当所述高度信息低于所设的阈值时，图像处理模块通过控制模块给无人机发送降落指令；
无人机接收降落指令，降落在指定位置上。
电池装取系统，包括电池夹取装置和承载平台；所述电池夹取装置包括电池抓取单元、驱动器和控制器，当需要夹取电池时，通过控制器发出信号给驱动器，驱动电池抓取单元抓取和更换电池；承载平台安装在三维直角坐标运动系统上，承载平台承载电池夹取装置，并带动电池夹取装置在三维空间运动。
本实施例中电池装取系统更换电池的具体流程是：
无人机降落到指定位置上，三维直角坐标运动系统在x轴方向运动到无人机电池仓的位置，.三维直角坐标运动系统在x轴动作完成后，三维直角坐标运动系统在z轴方向上向下运动到与无人机电池仓同高。
三维直角坐标运动系统在z轴动作完成后，承载平台承载电池夹取装置在y轴上向前运行，控制器驱动电池抓取单元闭合，三维直角坐标运动系统在y轴方向收回，动作完成后，三维直角坐标运动系统在z轴方向上提升，动作完成后，三维直角坐标运动系统在x轴方向上返回运动。
三维直角坐标运动系统把电池放进电池充电平台，并从下一个电池充电平台上取电池，取到电池运动到无人机电池仓位置，控制器通过驱动器驱动电池夹取单元安装电池，动作完成后，三维直角坐标运动系统回归初始位置。
在本实施例中，无人机停靠于指定位置优选一个固定装置，该固定装置起到了牢固固定无人机，为后续对无人机的操作提供便利的基础。
本固定装置包括用于承接无人机的起落平台、固定无人机的无人机支撑架卡扣部分和无人机固定装置，承接无人机的起落平台即底部承载部分同时具有旋转功能。起落平台，用于放置无人机。无人机固定装置，其底部承载部分的材料满足可以承载100千克以下的重量而自身不变形的要求。
下面对本系统的工作流程作详细说明：
根据不同的水域地理信息，将水域分成若干不同区域的区间段，并在该区间段的一侧或两侧安置相应的个数的智能起降站和一架旋翼无人机，使无人机在每个区间段往复巡航。其有益效果是可以使同一时间不同区间多个无人机同时工作，并实时将拍摄的影像、无人机的各种姿态和环境监测数据回传给智能起降站，最终致地面控制中心，这样能够完整的监视整个水域的情况，极大地提高了巡视的效率，解决了信息滞后的问题。
地面控制中心对无人机进行远程航迹规划，无人机按照预设的路径进行作业，并采集资料，将采集的影像信息和数据信息实时回传，可以根据超声波和视觉复合避障完成巡检，对无人机传输回来的图像信息进行处理，对水域的情况进行监视。
智能起降站还具有自检、对无人机工作环境监测的功能，当无人机电量较低时，可自动通过导航系统判断距离最近的智能起降站的位置，当智能起降站检测到的环境满足无人机降落时，通过图像处理给无人机发射下降指令，始终调控无人机保持在摄像头中心位置，最终落在智能起降站上面，无人机降落自动更换电池，完成全自动无间断供电，执行续航决策。
另一方面，智能起降站通过数据传输系统执行无人机遥控指令的发送和接收以及视频图像的发送和接收。
无人机由一个智能起降站起飞完成一小段巡视后，降落到下一个智能起降站进行更换电池，以此类推，直到这架无人机完成它所负责巡检区域段的工作，再进行类似的回返巡视。最终多架无人机将其拍摄的影像信息，发送给地面控制中心的水域巡检结果分析平台，水域巡检结果分析平台对无人机回传的信息进行处理，通过水域巡检数据分析水域特征。
作为对上述实施例的一种改进，当无人机与智能起降站之间距离过远，无法直接传输数据时，需要增加信号中继设备，实现信号的中继传输。实时传回无人机的各种姿态、机载(GPS、飞行姿态、航点、传感器)数据至地面控制中心的无人机调度平台，无人机调度平台通过人机交互模块解析外部命令，实时回传稳定的巡检影像到地面控制中心，也可以通过地面控制中心传输到人机交互模块，此实施例中，人机交互模块选择智能手机，外部命令可以通过智能手机下达新的任务规划指令至无人机。
作为对上述实施例的进一步细化，电池夹取装置包括电动夹爪、抓手、驱动器、带齿贴片、工形卡槽、开关按钮和控制器，当需要夹取电池时，通过控制器发出信号给驱动器，驱动电动夹爪执行相应动作；所述带齿贴片粘贴在电池上，在抓手外侧设有两个丝孔，电动夹爪的夹爪上有对应的丝孔，抓手采用螺丝与电动夹爪的夹爪相固定。其中带齿贴片和抓手，可以有效解决电池在移动中的下滑，并且可以保证电池两侧的夹取的深度和位置相同，避免因位置与深度不同造成夹取电池偏斜，不能安装到电池充电平台或无人机上。
作为对上述实施例的一种具体应用，在防洪抢险或其他应急事件管理方面，本发明的无人机执行日夜作业，在无人机的机臂上贴有十字交叉的荧光条可以使得无人机在夜间也被摄像单元所捕捉，本发明中的无人机能够实时跟踪回传洪水的演进过程，对于水域中泥沙淤积问题，无人机在巡视过程中能够实时回传淤积的影像。
水域巡检结果分析平台配置有图像算法，可以根据回传的影像实时计算泥沙淤积的面积，可对泥沙淤积进行预警，且做好清淤除沙的工作。在无人机巡视过程中，通过回传的影像资料，还能够监察水域的堤防是否有损坏，排水沟是否完整等。险情过后，通过数据还原可标记损坏情况超出一定限度的区域，以对损坏区域进行观察。
通过对水域巡检数据的分析，可以看出水域水位是否过高、水域堤坝完整，这样可以及时安排政府工作部门进行泄洪排险，及时补修，并对水域的生态环境进行监测，地面控制中心还可以更改飞行计划，进行重点地区的补拍和兴趣地区的环绕拍摄。
作为对上述实施例的再一具体应用：对冬季的水域中出现的程度不同的冰情进行巡检，这些冰情对冬季的水运交通、供水、发电及水工建筑物等有直接影响。本发明的无人机系统能够实时监视水域表面的冰情，通过对回传的影像进行分析，并及时报告相关人员做好破冰除险工作。
作为对上述实施例的再一具体应用：本发明可应用在水政巡查方面，对跨河交通浮桥运营执行巡检，通过回传的影像可以看出浮桥的运营是否严格执行调度指令，通过回传的图像计算浮桥长度、车辆数目等。
作为对上述实施例的再一具体应用：本发明可应用在水量水资源调度方面，对本发明的系统沿闸后输水区飞行，通过回传的影像查看水资源的去向，对无证取水、农水工用等问题严加管理。
作为对上述实施例的再一具体应用：本发明可应用在水域生态保护方面，重点巡查夜间入河排污口以及水域赤潮现象，通过回传的图像对两岸的垃圾堆放问题进行监管，发现河岸垃圾堆积立即报告相应的人员处理，及时加以防治。可通过搭载温度、湿度和空气质量等传感器对水域的环境进行监测。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。