一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法与流程

1.本发明属于无人机巡检技术领域，具体涉及一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法。


背景技术：

2.油气站场是油气行业中的一个重要环节，主要用于输送、加工和存储原油、天然气和液化气等能源资源。油气站场确保能源资源能够稳定、安全地传输到各个终端用户。油气站场的存在，使得能源供应链能够顺畅地运转，可以为国家和地区的工业、交通、生活等各个领域提供足够的能源供给。因此，保障站场安全尤为重要，任何问题都可能造成经济民生上重大事故。
3.保障站场环境、设备仪器、消防安全符合相关生产和安全标准才能实现站场在石油产业中的作用，而日常巡检是及时发现并清除安全隐患的重要手段。目前，大部分站场为有人值守站场，通过人工日常巡检来维护站场的运行。部分无人值守的站场采用定期人工巡检，或者无人机进行日常巡检。
4.现阶段使用无人机进行站场巡检的方案主要通过人工操作无人机在站场内飞行，对固定目标进行定向拍照，然后把航线录制并保存下来，后续通过反复执行录制的航线对站场内的固定目标拍照，最后通过照片分析来对站场进行巡检。
5.但是，使用无人机进行站场巡检需要飞手人工操控无人机在站场内飞行并录制航线，这个过程耗时耗力，还需要专人操作，不利于推广使用。此外，站场在维护过程中需要更新设备，设备一旦变动，就需要重新人工录制航线，且由于无人机通常需要在站场内穿梭，这要求无人机的定位精度至少要达到亚米级。但是无人机定位通常依赖gps，很可能受天气影响导致定位精度下降，有可能会碰撞站场内的设备造成坠机等安全事故，而且，定位精度下降还会造成拍照的位置和角度不合适从而难以准确获取巡检目标，导致巡检失败。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法，该方法能够实现待巡检目标区域内无人机航线的自动规划和巡检。
7.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
8.一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法，包括以下步骤：
9.s1：获取站场内待巡检目标区域的至少3个顶点坐标，旋转顶点坐标使得待巡检目标区域的正视角度指向正北方向；遍历指向正北方向的待巡检目标区域的顶点坐标，得到横坐标和纵坐标的最大值以及最小值，根据所述最大值和最小值作为矩形的边界坐标建立呈矩形的包围盒；
10.s2：计算无人机的拍摄位置，并基于无人机的拍摄位置计算用于分割包围盒的单元格大小，以及基于单元格大小对包围盒进行分割；
11.s3：基于分割后的包围盒获取无人机航点位置，并基于航点位置获得无人机航线，
其中，分割包围盒的每个单元格中心的坐标作为地面主点以用于计算航点的位置和相机参数；
12.s4：无人机按照航线对待巡检目标区域进行拍摄，获得待巡检目标区域的图像矩阵集，以完成待巡检目标区域巡检。
13.优选的，步骤s3包括以下步骤：
14.s301：获取无人机的航线轨迹；
15.s302：基于无人机的航线轨迹获取无人机航点位置；
16.s303：计算每个航点的拍摄动作；
17.s304：将航点按顺序连接以获得无人机航线。
18.优选的，步骤s303中，所述拍摄动作包括相机俯仰角和相机焦距。
19.优选的，当航点与目标点的纵坐标相等时，相机俯仰角通过下式计算：
[0020][0021]
当航点与目标点的横坐标相等时，相机俯仰角通过下式计算：
[0022][0023]
其中，x
航
表示航点的横坐标，x
目
表示目标点的横坐标，y
航
表示航点的纵坐标，y
目
表示目标点的纵坐标，表示无人机相对地面高度。
[0024]
优选的，所述相机焦距通过下式计算：
[0025][0026]
其中，表示ccd相机的长边投影在地面的长度大于等于单元格边长时的焦距，表示ccd相机的短边投影在地面的长度大于等于单元格边长时的焦距。
[0027]
优选的，步骤s400包括以下步骤：
[0028]
s401：无人机按照航线拍摄获得正视、后视、左视和右视图；
[0029]
s402：将正视、后视、左视和右视图按照矩阵组织，以获得待巡检目标区域的图像集。
[0030]
本发明还提供一种计算机介质，包括：
[0031]
存储器，用于存储多条计算机指令；
[0032]
处理器，用于执行所述计算机指令以实现如前任一所述的方法。
[0033]
与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：本发明本质上只需要根据待巡检目标区域坐标、航线相对高度和相机参数即可实现无人机航线的自动规划，相对于常规的无人机巡检方法，尤其不需要专人现场生成航线。
附图说明
[0034]
图1是本发明一个实施例提供的一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法的流程图；
[0035]
图2是本发明另一个实施例提供的站场内巡检区域的顶点坐标图；
[0036]
图3是将图2旋转α角度前的坐标图；
[0037]
图4是将图2旋转α角度后的坐标图；
[0038]
图5是图4所示坐标图的包围盒示意图；
[0039]
图6是图5所示包围盒的矩形示意图；
[0040]
图7是无人机的拍摄位置示意图；
[0041]
图8是无人机相机在地面的投影图；
[0042]
图9是图6分割后的网格示意图；
[0043]
图10是无人机的航点示意图；
[0044]
图11是无人机的航线示意图；
[0045]
图12是无人机所拍摄的图像矩阵示意图。
具体实施方式
[0046]
下面将参照附图1至图12详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以通过各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0047]
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0048]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
[0049]
一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法，包括以下步骤：
[0050]
s100：获取站场内的待巡检目标区域；
[0051]
s200：基于所述待巡检目标区域获取包围盒；
[0052]
s300：基于所述包围盒获取无人机航点位置；
[0053]
s400：基于所述无人机航点位置获取无人机在站场内的巡检航线。
[0054]
另一个实施例中，步骤s100包括以下步骤：
[0055]
s101：获取站场内待巡检目标区域的顶点坐标；
[0056]
该步骤中，首先需要根据地图或通过rtk实地测量获取待巡检目标区域的顶点坐标，如图2所示，顶点为4个，分别记为p1、p2、p3和p4（图2所示顶点只是示例性的，顶点的数量大于3即可）。
[0057]
s102：旋转顶点坐标使得正视角度指向正北方向。
[0058]
该步骤中，如图3所示，设置正视方向的方位角为α，并计算巡检目标区域的几何中心o，并围绕几何中心o将待巡检目标区域旋转顺时针旋转α（方位角为正顺时针旋转，为负
时逆时针旋转），使得正视角度指向正北，旋转后的待巡检目标区域如图4所示。
[0059]
另一个实施例中，步骤s200包括以下步骤：
[0060]
s201：计算指向正北方向的待巡检目标区域的包围盒；
[0061]
该步骤中，如图5所示，首先遍历指向正北方向的待巡检目标区域的顶点坐标p1、p2、p3和p4，分别得到横坐标和纵坐标的最大值以及最小值，根据该最大值和最小值作为包围盒坐标，得到如图6所示的矩形abcd作为包围盒，矩形abcd的四个顶点分别为、、和，其中，矩形长边的长度为width，单位为m，短边的长度为height，单位为n。
[0062]
s202：对包围盒进行分割：设置无人机相对地面高度δh和拍摄倾角θ，其中，δh必须大于站场内最高的建筑物的地面高度。先计算拍摄位置，然后计算分割矩形的正方形单元格大小，最后分割矩阵。
[0063]
该步骤中，对包围盒进行分割具体包括以下步骤：
[0064]
s2021、计算无人机的拍摄位置：如图7所示，根据无人机相对地面高度δh和拍摄倾角θ计算无人机到中心点o的距离：，然后基于d计算该目标区域无人机拍摄的最远目标距离。无人机此时的相机主光轴指向最远点（即图7中的最远点a）时俯仰角度记为pitch，此时最远点为相机主光轴与地面的交点，即摄影测量中的地面主点。
[0065]
s2022、基于无人机的拍摄位置计算用于分割包围盒的单元格大小：根据相机ccd和最大焦距f计算视场角，计算公式如下所示：
[0066][0067]
此时，如图8所示，在俯仰角为pitch的情况下，相机ccd在地面的投影为梯形，根据下式计算梯形的上底长度：
[0068][0069]
其中，ccd.height、ccd.width表示ccd相机的短边投影、长边投影在地面的长度。
[0070]
地面主点a向投影梯形上底做垂线交点为，则a点与点之间的距离为：
[0071][0072]
对比2与的大小，为保证分割矩形的单元格被相机最大焦距在地面的投影包围，需要选择小的值作为分割矩形的单元格边长u，边长u计算公式如下：
[0073][0074]
s2023：基于单元格大小对包围盒进行分割：如图9所示，计算矩阵abcd被边长u的正方形分割成m1*n1份，m1和n1分别由矩形长边的长度width和短边的长度height除以单元
格边长u计算所得，结果以只进位的方式取整，并计算每个单元格中心的坐标，这些坐标将作为地面主点以用于计算航点的位置和相机参数。
[0075]
另一个实施例中，步骤s300包括以下步骤：
[0076]
s301：获取无人机的航线轨迹；
[0077]
该步骤中，根据o点、和获得航线轨迹：o点的坐标记为，因此确定航点轨迹在，，，组成的矩形上，即位置处的矩形，该矩形的4个顶点的x、y坐标为：，，，，不妨将该矩形记为m。
[0078]
s302：基于无人机的航线轨迹获取无人机航点位置。
[0079]
该步骤中，如图9所示的分割后的矩阵的每行每列的中间生成一条直线，直线与矩形m在平面上的交点即为航点的位置（如图10所示）。
[0080]
s303：计算航线上每个航点的拍摄动作；
[0081]
该步骤中，每个航点的拍摄动作包括相机俯仰角和相机焦距，其中，
[0082]
当航点与目标点的纵坐标相等时，相机俯仰角的计算公式表示如下：
[0083][0084]
当航点与目标点的横坐标相等时，相机俯仰角的计算公式表示如下：
[0085][0086]
其中，x
航
表示航点的横坐标，x
目
表示目标点的横坐标，y
航
表示航点的纵坐标，y
目
表示目标点的纵坐标。
[0087]
进一步的，可以根据当前相机俯仰角temppitch、单元格边长u和相对高度计算相机焦距。首先计算ccd相机的长边和短边分别投影在地面的长度大于等于单元格边长时的焦距和，比较两者并选择最小的（焦距越小，拍摄范围越大，能够保证拍摄出的图片完全覆盖网格单元）作为拍摄的焦距。
[0088]
焦距的计算公式表示如下：
[0089][0090]
焦距的计算公式表示如下：
[0091][0092][0093]
s304：将所有航点按顺序连接，如图11所示，即可获得无人机航线。
[0094]
该步骤中，以中心点o为旋转中心，旋转所有航点α角度，以抵消步骤s102旋转带来的旋转差，同时修改每一个拍照动作的相机的方位角增加α角度，将所有航点按顺序连接后即组成无人机航线。
[0095]
另一个实施例中，步骤s400包括以下步骤：
[0096]
s401：无人机按照航线拍摄获得正视、后视、左视和右视图；
[0097]
s402：将正视、后视、左视和右视图按照矩阵组织，以获得待巡检目标区域的图像集。
[0098]
本实施例中，航点将沿直线向矩形m内对应直线上的网格单元设置拍摄动作。进一步的，无人机拍摄正视、后视时将生成m个航点，每个航点拍摄n张图，拍摄左视、右视时生成n个航点，每个航点拍摄m张图，每张图对应一个网格单元，每个网格单元对应四个方向的各一张图，图像总数量为4xmxn，最后，如图12所示，将所有图像按照矩阵进行组织，即可获得待巡检目标区域的矩阵图集，通过查看图集即可完成站场巡检。
[0099]
另一个实施例中，本发明还提供一种计算机介质，包括：
[0100]
存储器，用于存储多条计算机指令；
[0101]
处理器，用于执行所述计算机指令以实现如前任一所述的方法。
[0102]
上述对本技术中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本技术的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式（包括实施例）中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本技术保护范围之内的其它的技术方案。

技术特征：
1.一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：s1：获取站场内待巡检目标区域的至少3个顶点坐标，旋转顶点坐标使得待巡检目标区域的正视角度指向正北方向；遍历指向正北方向的待巡检目标区域的顶点坐标，得到横坐标和纵坐标的最大值以及最小值，根据所述最大值和最小值作为矩形的边界坐标建立呈矩形的包围盒；s2：计算无人机的拍摄位置，并基于无人机的拍摄位置计算用于分割包围盒的单元格大小，以及基于单元格大小对包围盒进行分割；s3：基于分割后的包围盒获取无人机航点位置，并基于航点位置获得无人机航线，其中，分割包围盒的每个单元格中心的坐标作为地面主点以用于计算航点的位置和相机参数；s4：无人机按照航线对待巡检目标区域进行拍摄，获得待巡检目标区域的图像矩阵集，以完成待巡检目标区域巡检。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3包括以下步骤：s301：获取无人机的航线轨迹；s302：基于无人机的航线轨迹获取无人机航点位置；s303：计算每个航点的拍摄动作；s304：将航点按顺序连接以获得无人机航线。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s303中，所述拍摄动作包括相机俯仰角和相机焦距。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当航点与目标点的纵坐标相等时，相机俯仰角通过下式计算：5.当航点与目标点的横坐标相等时，相机俯仰角通过下式计算：6.其中，x
航
表示航点的横坐标，x
目
表示目标点的横坐标，y
航
表示航点的纵坐标，y
目
表示目标点的纵坐标，表示无人机相对地面高度。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相机焦距通过下式计算：8.其中，表示ccd相机的长边投影在地面的长度大于等于单元格边长时的焦距，表示ccd相机的短边投影在地面的长度大于等于单元格边长时的焦距。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4包括以下步骤：s401：无人机按照航线拍摄获得正视、后视、左视和右视图；s402：将正视、后视、左视和右视图按照矩阵组织，以获得待巡检目标区域的图像集。10.一种计算机介质，其特征在于，所述计算机介质包括：
存储器，用于存储多条计算机指令；处理器，用于执行所述计算机指令以实现权利要求1至6任一所述的方法。

技术总结
本发明揭示了一种基于无人机矩阵拍摄的站场巡检方法，包括：S100：获取站场内的待巡检目标区域；S200：基于所述待巡检目标区域获取包围盒；S300：基于所述包围盒获取无人机航点位置，并基于航点位置获得无人机航线；S400：无人机按照航线对待巡检目标区域进行拍摄，获得待巡检目标区域的图像矩阵集以完成目标区域巡检。本发明本质上只需要根据待巡检目标区域坐标、航线相对高度和相机参数即可实现无人机航线的自动规划，相对于常规的无人机巡检方法，尤其不需要专人现场生成航线，能够实现待巡检目标区域内无人机航线的自动规划和巡检。巡检目标区域内无人机航线的自动规划和巡检。巡检目标区域内无人机航线的自动规划和巡检。


技术研发人员：贺亮 梅华龙 马云峰 刘云川
受保护的技术使用者：重庆泓宝科技股份有限公司
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/11