CN117111178B - 一种堤坝隐患和险情空地水协同探测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测技术领域，提供了一种堤坝隐患和险情空地水协同探测***及方法，其中堤坝隐患和险情空地水协同探测***包括探测车、无人机和探测船，探测车、无人机和探测船以广播模式无线通信，探测车上安装有地质超声波探测仪和地质雷达，无人机上搭载有图像探测仪、红外探测仪或激光探测仪，探测船上搭载有红外探测仪、激光探测仪和雷达探测仪；探测车、无人机、探测船上均有GIS定位装置和LoRa定位通信模块。本发明基于探测车、无人机和探测船协同的方式，能有效结合多种探测方案的优势，同时基于协同又能有效大幅提升无人机的定位精度，从而确保堤坝隐患和险情的探测效果显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种堤坝隐患和险情空地水协同探测***及方法，属于采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测技术领域。
背景技术
对堤坝隐患和险情的探测，一般相对固定的需要在汛期来临前和汛期结束后各进行一次，同时在汛期还根据需要不定时进行，对于南方地区而言，汛期来临前正值雨季，这样的降雨往往要维持到汛期结束。
现有技术中对于堤坝隐患和险情的探测，有采用探测车的方案，也有采用探测船的，亦有采用无人机的，但这些方案中，往往都仅采用单一方式配合常规监测设备进行探测，方式单一，且由于缺乏协同，无法确保自动模式的精准度，只能以人工操作进行，而且另外一个很严重的问题在于，对于探测而言，采用无人机的方式由于可以获得更大的探测范围，因此理论上而言效果最佳，但实际上由于无人机对通信和定位的要求极高，而现有技术中常采用的GIS定位***对于无人机高度的确定效果很不理想，无人机常采用的激光测距定高方案中又因无人机正下方是水体而无法使用，这就导致采用无人机进行探测的方式反而最难以达到预期效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种堤坝隐患和险情空地水协同探测***及方法，该堤坝隐患和险情空地水协同探测***及方法基于探测车、无人机和探测船协同的方式，能有效结合多种探测方案的优势，同时基于协同又能有效大幅提升无人机的定位精度，从而确保堤坝隐患和险情的探测效果显著提升。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种堤坝隐患和险情空地水协同探测***，包括探测车、无人机和探测船，探测车、无人机和探测船以广播模式无线通信，探测车上安装有地质超声波探测仪和地质雷达，无人机上搭载有图像探测仪、红外探测仪或激光探测仪，探测船上搭载有红外探测仪、激光探测仪和雷达探测仪；探测车、无人机、探测船上均有GIS定位装置和LoRa定位通信模块；无人机通过获取与探测车、探测船LoRa通信的接收信号强度计算相对距离后，结合无人机的GIS定位信息确定高度；探测车行驶于坝体上道路，探测船行驶于坝下水体，无人机沿坝体的下游面飞行；坝体的左右岸上有基站，基站上有LoRa定位通信基站用于辅助确定无人机的高度。
所述相对距离通过以下公式计算得到：
D=10^((R0-Rssi)/(10⋅n))，
式中，R0为标定强度，通过使用前初始化确定为一固定值，Rssi为接收信号强度，n为路径损耗系数，通过探测车和基站的LoRa定位通信确定。
所述路径损耗系数n，具体以如下公式计算得到：
n=(R0-Rssi)/(10⋅log10(Dn))，
式中，R0为标定强度，通过使用前初始化确定为一固定值，Rssi为接收信号强度，Dn为探测车和基站之间的距离，通过GIS定位计算得到。
所述探测车上装有惯性导航装置和卫星定位装置，通过惯性导航装置和卫星定位装置进行GIS定位，通过GIS定位结果结合GIS环境数据计算探测车和基站之间的距离。
所述探测车上有用于固定无人机的升降平台，在探测车未行驶至坝体时无人机停留并固定在该升降平台上。
本发明还提供一种堤坝隐患和险情空地水协同探测方法，采用如上所述的堤坝隐患和险情空地水协同探测***，包括以下步骤：
S1．参数初始化：将探测车、无人机、探测船的LoRa定位通信模块放置在同一处进行标定强度的初始化，然后分别安装在探测车、无人机、探测船上；
S2．规划飞行路径：根据环境数据对无人机的飞行路线进行规划，使无人机的飞行路线沿坝体的下游面等距并呈S型，将规划得到的飞行路线写入至无人机的执行序列，然后无人机起飞；
S3．同步行进探测：探测车、无人机、探测船在坝体的同一横截面上同步行进，从坝体的一端行进至另一端，行进途中对坝体进行探测；
S4．降落停止：行进至坝体的末端，探测车停驶待无人机降落在探测车上。
所述步骤S3中，基于无人机的GIS定位信息，无人机通过获取与探测车、探测船LoRa通信的接收信号强度计算相对距离后，结合无人机的GIS定位信息确定高度，并通过与基站的LoRa通信确定相对距离用于对确定高度计算过程的校正纠偏。
所述无人机通过与基站的LoRa通信确定相对距离用于对确定高度计算过程的校正纠偏，是无人机通过与探测船、基站的LoRa通信确定纠偏高度，并将该纠偏高度与飞行高度对比进行纠偏；确定飞行高度的频率为确定纠偏高度的频率的10~50倍。
本发明的有益效果在于：基于探测车、无人机和探测船协同的方式，能有效结合多种探测方案的优势，同时基于协同又能有效大幅提升无人机的定位精度，从而确保堤坝隐患和险情的探测效果显著提升，更易于自动化高精度实现。
附图说明
图1是本发明至少一种实施方式的工作状态示意图；
图2是本发明一种实施方式的流程示意图。
图中：1-坝体，2-坝下水体，3-左右岸，4-探测车，5-无人机，6-探测船，7-基站。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
本发明的第一实施方式涉及如图1所示的一种堤坝隐患和险情空地水协同探测***，包括探测车4、无人机5和探测船6，探测车4、无人机5和探测船6以广播模式无线通信，探测车4上安装有地质超声波探测仪和地质雷达，无人机5上搭载有图像探测仪、红外探测仪或激光探测仪，探测船6上搭载有红外探测仪、激光探测仪和雷达探测仪；探测车4、无人机5、探测船6上均有GIS定位装置和LoRa定位通信模块；无人机5过获取与探测车4、探测船6LoRa通信的接收信号强度计算相对距离后，结合无人机5的GIS定位信息确定高度；探测车4行驶于坝体1上道路，探测船6行驶于坝下水体2，无人机5沿坝体1的下游面飞行。
广播模式即为“一对所有”的通信模式，所有节点都可以接收所有信息。
对于无人机5确定飞行高度的方式，可以参见《基于四节点RSSI的三维空间定位算法》（戴晨冲等，《计算机测量与控制》，2016年1期）中提到的四点空间定位法，其主要原理在于对于每一点而言，获取相应的和无人机之间的距离均可以画出一个空间中的等距圆球，而四个等距圆球的交点即为无人机的空间定位。基于该等距圆球的基本思路，在本申请中，无人机5基于GIS定位装置（北斗定位或GPS定位，或其他地理坐标定位***）可获取到平面坐标，根据该平面坐标对无人机5的三维空间定位而言可绘制一条垂直线，此时，获取无人机5相对于探测车4的距离，可绘制以探测车4为球心的等距圆球，获取无人机5相对于探测船6的距离，可绘制以探测船6为球心的等距圆球，这两个等距圆球中任一个与垂直线之间的交点均为2个，但两个等距圆球与垂直线的三者共同交点仅有一个，该交点即为无人机5的三维空间定位，而由于该三维空间定位中的平面坐标（x, y）是基于GIS定位装置可直接获取并利用的，因此实际上根据距离计算的仅为无人机5的高度（即在上述垂直线上的高度）。
由此，探测车4在坝体1上行驶可起到很好的定位基准的作用，探测船6在坝下水体2中行驶能起到很好的辅助作用，尤其是在通过GIS定位确定无人机5平面位置的前提下，获知探测车4和探测船6相对于无人机5的相对距离恰能准确确定无人机5的高度，而在坝体这类距离大致在1~10km且相对开阔的场景中，针对无人机5这种移动对象，LoRa通信是测量相对距离（基于LoRa通信中的RSSI值测距）的最佳选择，从而无人机5得以准确确定空间位置，得以发挥最大探测效能。
在实践中，由于无人机5需要沿坝体1下游面飞行（一般为曲线飞行以实现覆盖），整体飞行时间较长，因此还需要考虑无人机5的载重和续航的平衡，故无人机5搭载的探测器在图像探测仪、红外探测仪或激光探测仪中一般至多选择两种，在大多数情况下仅选择图像探测仪，此时由探测船6搭载全部图像类探测器以补足其他探测图像是必要的。
本发明的第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要在于，坝体1的左右岸3上有基站7，基站7上有LoRa定位通信基站用于辅助确定无人机5的高度。
由于LoRa通信中的RSSI值时有误差，在大多数情况下该误差问题采用滤波的方式解决，但很显然，引入更多的定位基点是能更好解决误差问题的方式，而坝体1沿岸设置的通信基站是目前现有堤坝普遍存在的既有设备，在基站中增加LoRa定位通信基站能最大程度降低硬件成本。
进一步的，探测车4上有用于固定无人机5的升降平台，在探测车4未行驶至坝体1时无人机5停留并固定在该升降平台上。相对于探测船而言，车辆在停驶时静止性更佳，且在车辆上设置平台在载重问题上也更安全稳定可靠。
本发明的第三实施方式与第一实施方式大致相同，主要在于，确定无人机5的高度，是通过获取LoRa通信的接收信号强度计算距离后，结合无人机5的GIS定位信息确定。
进一步的，相对距离通过以下公式计算得到：
D=10^((R0-Rssi)/(10⋅n))，
式中，R0为标定强度，通过使用前初始化确定为一固定值，Rssi为接收信号强度，n为路径损耗系数，通过探测车4和基站7的LoRa定位通信确定。
一般的，现有技术中可用的另一种通过LoRa通信计算距离的方式为，一端发出LoRa通信数据包后等待另一端响应，此时产生一个发出时间，待接收到另一端响应的数据包后产生一个收到时间，基于发出时间和收到时间，减去多次测试过程中得到的另一端响应时间（即另一端从接收到响应发出的时间）后，得到双向传输时间，乘以0.5倍光速即可得到一端和另一端之间的距离。这种方式在本申请中亦可使用，但由于在本申请的应用场景中，探测车4和基站7的三维坐标是容易确定的（探测车4严格沿坝体行进），故路径损耗系数是容易确定知晓的，因此该方式获取距离不如上述直接获取接收信号强度RSSI的方式方便快捷。
进一步的，路径损耗系数n，具体以如下公式计算得到：
n=(R0-Rssi)/(10⋅log10(Dn))，
式中，R0为标定强度，通过使用前初始化确定为一固定值，Rssi为接收信号强度，Dn为探测车4和基站7之间的距离，通过GIS定位计算得到。
一般的，路径损耗系数在大多数场景中，是通过获知气候情况、天气情况后，据此查表预设一个定值，这种方式方便快捷但是准确率较差。在本发明中，通过在初始化时计算得到确定的值，从而无需获知气候情况、天气情况，还能基于实际情况而得到更为准确的结果。
进一步的，探测车4上装有惯性导航装置和卫星定位装置，通过惯性导航装置和卫星定位装置进行GIS定位，通过GIS定位结果结合GIS环境数据计算探测车4和基站7之间的距离。
容易看出，本实施方式是实现LoRa通信确定飞行高度的优选方案，在实践中还有其他方案如计算回波时间等方式来获取相对距离的方案，但很显然并不如上述方式的精确度高。
本发明第四实施方式涉及一种堤坝隐患和险情空地水协同探测方法，采用如第一至第三实施方式，包括以下步骤：
S1．参数初始化：将探测车4、无人机5、探测船6的LoRa定位通信模块放置在同一处进行标定强度的初始化，然后分别安装在探测车4、无人机5、探测船6上；
S2．规划飞行路径：根据环境数据对无人机5的飞行路线进行规划，使无人机5的飞行路线沿坝体1的下游面等距并呈S型，将规划得到的飞行路线写入至无人机5的执行序列，然后无人机5起飞；
S3．同步行进探测：探测车4、无人机5、探测船6在坝体1的同一横截面上同步行进，从坝体1的一端行进至另一端，行进途中对坝体1进行探测；
S4．降落停止：行进至坝体1的末端，探测车4停驶待无人机5降落在探测车4上。
由此，采用在坝体1的同一横截面上同步行进的方式，能使得无人机5的图像中有探测车4，而由于坝体的地理信息确定，探测车4在坝体上的位置确定，故基于时间戳，探测车4的位置是能够轻易准确确定的，其精度可达0.01m，由此使得无人机5的图像在后期分析时因有确定参照（即探测车4）而更易进行数据的对准处理。
容易理解的，上述步骤S2中，对无人机5的飞行路线进行规划，目的在于使使无人机5的飞行路线沿坝体1的下游面等距，根据现有技术中的公知常识，典型如申请号为CN202210799939.3的中国专利公开的带有约束条件的无人机航迹规划方法、装置及电子设备，对无人机5的飞行路线进行规划需要获取空域环境数据以构建空域网格模型，又如申请号为CN202111235008.2的中国专利公开的一种网联无人机航线规划与航线平滑方法及装置，对无人机的飞行路线规划要先设置飞行环境数据，飞行环境数据包括自然环境数据和无人机飞行性能数据。由于本申请的核心并非在于如何规划无人机5的飞行路线，并且，对于无人机5可能的飞行路线上，无论是坝体形状结构、地理地形等物理结构数据，还是温度、湿度、可见度等气候数据，或是无人机最大加速度、最高速度等性能数据，均是容易获取的，因此对于规划无人机5的飞行路线可采用任意现有技术已知技术方案实现，对应的，环境数据可根据所采用的现有技术已知技术方案而定。
步骤S3中，基于无人机5的GIS定位信息，无人机5通过获取与探测车4、探测船6LoRa通信的接收信号强度计算相对距离后，结合无人机5的GIS定位信息确定高度，并通过与基站7的LoRa通信确定相对距离用于对确定高度计算过程的校正纠偏。
进一步的，无人机5通过与基站7的LoRa通信确定相对距离用于对确定高度计算过程的校正纠偏，是无人机5通过与探测船6、基站7的LoRa通信确定纠偏高度，并将该纠偏高度与飞行高度对比进行纠偏；确定飞行高度的频率为确定纠偏高度的频率的10~50倍。
一般而言，确定飞行高度的频率设置为10次/s，即600次/m，而确定纠偏高度的频率设置为12次/m，即5s进行一次。
Claims (5)
1.一种堤坝隐患和险情空地水协同探测***，其特征在于：包括探测车（4）、无人机（5）和探测船（6），探测车（4）、无人机（5）和探测船（6）以广播模式无线通信；探测车（4）、无人机（5）、探测船（6）上均有GIS定位装置和LoRa定位通信模块；无人机（5）通过获取与探测车（4）、探测船（6）LoRa通信的接收信号强度计算相对距离后，结合无人机（5）的GIS定位信息确定高度；探测车（4）行驶于坝体（1）上道路，探测船（6）行驶于坝下水体（2），无人机（5）沿坝体（1）的下游面飞行；坝体（1）的左右岸（3）上有基站（7），基站（7）上有LoRa定位通信基站用于辅助确定无人机（5）的高度；相对距离通过以下公式计算得到：
D=10^((R0-Rssi)/(10⋅n))，
式中，R0为标定强度，通过使用前初始化确定为一固定值，Rssi为接收信号强度，n为路径损耗系数，通过探测车（4）和基站（7）的LoRa定位通信确定；
路径损耗系数n，具体以如下公式计算得到：
n=(R0-Rssi)/(10⋅log10(Dn))，
式中，R0为标定强度，通过使用前初始化确定为一固定值，Rssi为接收信号强度，Dn为探测车（4）和基站（7）之间的距离，通过GIS定位计算得到。
2.如权利要求1所述的堤坝隐患和险情空地水协同探测***，其特征在于：所述探测车（4）上装有惯性导航装置和卫星定位装置，通过惯性导航装置和卫星定位装置进行GIS定位，通过GIS定位结果结合GIS环境数据计算探测车（4）和基站（7）之间的距离。
3.如权利要求1所述的堤坝隐患和险情空地水协同探测***，其特征在于：所述探测车（4）上有用于固定无人机（5）的升降平台，在探测车（4）未行驶至坝体（1）时无人机（5）停留并固定在该升降平台上。
4.一种堤坝隐患和险情空地水协同探测方法，其特征在于：采用如权利要求1~3中任一项所述的堤坝隐患和险情空地水协同探测***，包括以下步骤：
S1．参数初始化：将探测车（4）、无人机（5）、探测船（6）的LoRa定位通信模块放置在同一处进行标定强度的初始化，然后分别安装在探测车（4）、无人机（5）、探测船（6）上；
S2．规划飞行路径：根据环境数据对无人机（5）的飞行路线进行规划，使无人机（5）的飞行路线沿坝体（1）的下游面等距并呈S型，将规划得到的飞行路线写入至无人机（5）的执行序列，然后无人机（5）起飞；
S3．同步行进探测：探测车（4）、无人机（5）、探测船（6）在坝体（1）的同一横截面上同步行进，从坝体（1）的一端行进至另一端，行进途中对坝体（1）进行探测；无人机（5）通过获取与探测车（4）、探测船（6）LoRa通信的接收信号强度计算相对距离后，结合无人机（5）的GIS定位信息确定高度，并通过与基站（7）的LoRa通信确定距离用于对确定高度计算过程的校正纠偏；
S4．降落停止：行进至坝体（1）的末端，探测车（4）停驶待无人机（5）降落在探测车（4）上。
5.如权利要求4所述的堤坝隐患和险情空地水协同探测方法，其特征在于：所述无人机（5）通过与基站（7）的LoRa通信确定距离用于对确定高度计算过程的校正纠偏，是无人机（5）通过与探测船（6）、基站（7）的LoRa通信确定纠偏高度，并将该纠偏高度与飞行高度对比进行纠偏；确定飞行高度的频率为确定纠偏高度的频率的10~50倍。
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