本发明属于水上交通运输工具领域，具体涉及一种海陆两用自供能无人机航保基站。
背景技术：
目前，类似森林、大型水库、湖泊及近海等事故易发且难以监管的大型区域一般采用管理人员轮班巡逻的方式进行监管，随着科学技术的发展，直升机、大型无人机及各种载具越来越多地投入应用，但上述监控管理措施仍普遍存在工作效率低下，信息获取周期长，事故应急能力低等问题。为应对监管面积大、监管难度高并且事故多发区域日益严峻的安全形势，目前迫切需要一种灵活机动、迅速有效的方案以提高巡航监管效率及事故应急能力以减少经济财产损失。
近年来，无人机在民用领域有着长足的发展，因其具有视角广阔、高效快速、精细准确、作业成本低、成果直观、适用范围广、生产周期短等优点而被广泛地运用到生产和生活的各个领域。然而，现有的无人机巡航监管方式仍然存在众多弊端，并且极大的制约了无人机在相关领域的应用发展。
1、续航能力限制巡航半径：无人机的巡航半径往往根据其最大续航里程的一半来划定，由于无人机需要母载体和维护基站的支持，因此无人机的巡航范围往往受到较大的限制，无人机的巡航效果不能达到最大化；
2、自主化程度低：当无人机需要充电或进行故障检测时，往往由工作人员进行回收再做后续处理，限制了无人机的自主化程度的提升；
3、信息获取不够及时、全面：目前应用于大型区域的无人机巡航一般选用尺寸大、造价贵、能耗高的固定翼或单旋翼无人机，由于数量等限制，无法构成巡航网络以对目标区域进行全面的监管。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种海陆两用自供能无人机航保基站，延长无人机的续航时间，扩大巡航范围。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种海陆两用自供能无人机航保基站，其特征在于：它包括从上到下依次设置的风光互补发电层、无人机补给层、核心组件层和支座；其中，
风光互补发电层包括太阳能发电装置和风能发电装置；太阳能发电装置包括作为无人机补给层舱门的太阳能板；风能发电装置包括垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机包括叶片，叶片的底部固定在钢圈上，钢圈穿过防护罩与位于核心组件层的直角旋转杆连接，直角旋转杆与位于基站中心的转子连接，风力带动整个结构以位于基站中轴线的转子为旋转中心转动以产生电力；
无人机补给层包括充电平台，和位于充电平台上的引导模块和充电模块；引导模块由无人机引导装置、扫描检测装置组成，引导装置包括垂直引导杆和辅助引导导孔，垂直引导杆位于充电平台上，无人机降落充电时插入无人机引导导轨内并固定无人机；辅助引导导孔位于无人机几何中心，成漏斗状，在无人机降落充电时与垂直引导杆耦合，将无人机引入位于充电平台的充电机位；扫描检测装置位于无人机引导机位上，包括四个对称分布的扫描探头，在无人机引入充电机位并固定后，对无人机进行扫描检测，并将结果发送到岸基管理中心；充电模块由发射端、接收端、充电电池及充电管理系统组成；发射端为两个伸缩式电极，位于垂直引导杆上，正极位于上表面，负极位于下表面，当无人机引入充电机位后，两电极弹出，为无人机充电；接收端位于辅助引导导孔内上部，呈环形凹槽状，当无人机引入充电机位后，与发射端连接，为无人机供电；
核心组件层包括储能单元、控制线路和信息中继模块；储能单元用于将风光互补发电层产生的电力进行存储；控制线路用于控制作为无人机补给层舱门的太阳能板的开闭，以及太阳能发电装置、风能发电装置、储能单元的电能供能切换；信息中继模块用于将信号范围内无人机采集的信号进行加强和中继，传输至岸基管理中心；
所述的支座固定在巡航区域内。
按上述方案，所述的太阳能发电装置还包括三块追日太阳能板构成，每块太阳能板为长2米、宽0.6米的长方形，采用单晶硅电池制成；每块追日太阳能板通过充电平台底面设置的支柱连接进行固定，并可以绕接触点轴线进行旋转控制，追日太阳能板通过感光自动调节旋转角度。
一种集群式无人机网络监测巡航系统，其特征在于：包括岸基管理中心，以及分布在巡航区域内的若干个所述的海陆两用自供能无人机航保基站，岸基管理中心与距离最近的海陆两用自供能无人机航保基站网络连接；
所述的岸基管理中心中设有存储单元和处理器，存储单元中存有计算机程序供处理器调用，从而完成对集群式无人机的巡航控制，具体包括：
对巡航区域的分割：对目标区域网格化处理，对各单元格区域的重要程度进行评价分级；将相同重要级别的单元格整合成子区域；将子区域根据形状分割为狭长区域、宽阔区域与复杂区块；
对航保基站进行布置：所述的海陆两用自供能无人机航保基站的分布密度根据所在子区域的重要级别确定；布置模式根据所在子区域的分割形状确定；
无人机工作路径的规划：按照平行搜索方式，依据无人机的探测半径计算无人机的转弯次数；
设计无人机工作应急方案：无人机按照规划的工作路径不断收集所在子区域内的视频影像，同时经由最近的海陆两用自供能无人机航保基站发送影像信息和自身状态信息到岸基管理中心；当岸基管理中心发现应急事件时，发送应急指令给距离目标地点最近的海陆两用自供能无人机航保基站，由海陆两用自供能无人机航保基站指定特定的无人机前往应急事件所在地获取影像信息，而其它无人机继续进行预设的常规巡航。
按上述系统，对航保基站具体按以下方式进行布置：
对于狭长区域使用接龙式：依据距离长度与区域重要程度将航保基站线形分布在巡航区域内，无人机以航保基站为节点进行单行单侧不回转式巡航；
对于宽阔区域使用循环式：依据区域面积与区域重要程度将航保基站点状分布在巡航区域内，无人机以航保基站为节点进行循环式巡航；
对于复杂区域采用混合式：依据区域重要程度将航保基站特殊分布在巡航区域内，无人机以航保基站为节点进行单行单侧不回转式及循环式混合巡航。
按上述系统，无人机的转弯次数按以下公式计算：
l为无人机所在子区域的宽度，r为无人机在水平方向的探测半径，nturn为无人机的转弯次数；计算无人机所在子区域的最小宽度lmin，保证无人机搜索过程中拥有最少转弯次数。
本发明的有益效果为：通过设计充电机位，降低了无人机降落对定位精度的要求，提高了无人机在基站的停泊稳性，同时设计了特殊的充电结构解决了无人机的自主有线充电问题，采用太阳能发电为主，风力发电为辅的发电模式，能够为无人机存储足够的电能，大幅提升无人机的巡航能力；以无人机航保基站为节点，对无人机运行轨迹进行规划，构建无人机集群监控网络，实现了对巡航区域的可视化监管、常态化维护和持续化监测。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为无人机引导机位图。
图3为图2的局部放大图。
图4为航保基站能量收集存储供应流程图。
图5为锂离子电池充电控制系统。
图6为航保基站通信控制模块。
图7为应急事件处理流程。
图中：1叶片，2无人机引导机位，3钢圈，4蓄能单元，5控制线路，6防护罩，7地面基座，8支持柱，9基站外壳，10充电机位，11太阳能板，12接收端，13辅助引导导孔，14发射端、15垂直引导杆。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种海陆两用自供能无人机航保基站，如图1至图6所示，它包括从上到下依次设置的风光互补发电层、无人机补给层、核心组件层和支座，其中风光互补发电层、无人机补给层、核心组件层设置在基站外壳9中，支座包括支持柱8和地面基座7，固定在巡航区域内。
风光互补发电层包括太阳能发电装置和风能发电装置；太阳能发电装置包括作为无人机补给层舱门的太阳能板11；风能发电装置包括垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机包括叶片1，叶片1的底部固定在钢圈3上，钢圈3穿过防护罩6与位于核心组件层的直角旋转杆连接，直角旋转杆与位于基站中心的转子连接，风力带动整个结构以位于基站中轴线的转子为旋转中心转动以产生电力。
无人机补给层包括充电平台，和位于充电平台上的引导模块和充电模块。引导模块由无人机引导装置、扫描检测装置组成。引导装置包括垂直引导杆15和辅助引导导孔13，垂直引导杆15位于充电平台上，无人机降落充电时插入无人机引导导轨内并固定无人机；辅助引导导孔13位于无人机几何中心，成漏斗状，在无人机降落充电时与垂直引导杆耦合，将无人机引入位于充电平台的充电机位10。扫描检测装置位于无人机引导机位2上，包括四个对称分布的扫描探头，在无人机引入充电机位10并固定后，对无人机进行扫描检测，并将结果发送到岸基管理中心，岸基管理中心根据无人机状态进行适当的维护保养。充电模块由发射端14、接收端12、充电电池及充电管理系统组成；发射端14为两个伸缩式电极，位于垂直引导杆15上，正极位于上表面，负极位于下表面，当无人机引入充电机位后，两电极弹出，为无人机充电；接收端12位于辅助引导导孔13内上部，呈环形凹槽状，当无人机引入充电机位后，与发射端14连接，为无人机供电。充电电池为锂离子电池，充电管理系统为锂离子电池充电管理系统，包括主控部分、充电模块、整流滤波模块、电池组，其中主控部分与充电模块之间使用can总线进行通信、控制。
核心组件层包括储能单元4、控制线路5和信息中继模块。储能单元用于将风光互补发电层产生的电力进行存储，本实施例中，储能单元4采用tn12-200ah铅酸蓄电池，电池电压12v，电量200ah，可供给设备长时间供能。控制线路用于控制作为无人机补给层舱门的太阳能板的开闭，以及太阳能发电装置、风能发电装置、储能单元的电能供能切换。将太阳能板、风力发电机产生的交变电经升压整流滤波后，与太阳能板、垂直轴风力发电机输出相串联，采用降压通路为储能单元4充电。控制线路5根据实际情况选择储能单元4充电、放电模式。信息中继模块用于将信号范围内无人机采集的信号进行加强和中继，传输至岸基管理中心。信息中继模块分为输入变换装置、发射机、传输信道、接收机和输出变换装置三部分。输入变换装置实现信号到系统端的输入；发射机将要传输的信号变成电信号,然后对电信号进行调制,使其适合在无线信道中传播，最后变成射频已调信号由天线发射出去；传输信道实现对信号在通信系统中的传输；接收机把射频信号接收到,进行相关处理后变成电信号(解调)，最后还原成原始信号；输出变换装置实现信号从系统端的输出。
所述的太阳能发电装置还包括三块追日太阳能板构成，每块追日太阳能板为长2米、宽0.6米的长方形，采用单晶硅电池制成；每块追日太阳能板通过充电平台底面设置的支柱连接进行固定，并可以绕接触点轴线进行旋转控制，追日太阳能板通过感光自动调节旋转角度。
一种集群式无人机网络监测巡航系统包括岸基管理中心，以及分布在巡航区域内的若干个所述的海陆两用自供能无人机航保基站，岸基管理中心与距离最近的海陆两用自供能无人机航保基站网络连接。
所述的岸基管理中心中设有存储单元和处理器，存储单元中存有计算机程序供处理器调用，从而完成对集群式无人机的巡航控制，具体包括：
对巡航区域的分割：对目标区域网格化处理，对各单元格区域的重要程度进行评价分级；将相同重要级别的单元格整合成子区域；将子区域根据形状分割为狭长区域、宽阔区域与复杂区块。
对航保基站进行布置：所述的海陆两用自供能无人机航保基站的分布密度根据所在子区域的重要级别确定；布置模式根据所在子区域的分割形状确定。具体按以下方式进行布置：
对于狭长区域使用接龙式：依据距离长度与区域重要程度将航保基站线形分布在巡航区域内，无人机以航保基站为节点进行单行单侧不回转式巡航。
对于宽阔区域使用循环式：依据区域面积与区域重要程度将航保基站点状分布在巡航区域内，无人机以航保基站为节点进行循环式巡航。
对于复杂区域采用混合式：依据区域重要程度将航保基站特殊分布在巡航区域内，无人机以航保基站为节点进行单行单侧不回转式及循环式混合巡航。
无人机工作路径的规划：按照平行搜索方式，依据无人机的探测半径计算无人机的转弯次数。无人机搜索传感器探测区域，不考虑无人机姿态角变化，传感器高度h处的探测范围是一半径为r的圆，本方案选择覆盖搜索中的平行搜索方式，由于无人机的探测范围半径r在飞行高度和探测器角度恒定时为定值，若搜索区域的宽度是l，转弯次数的计算方法为：
l为无人机所在子区域的宽度，r为无人机在水平方向的探测半径，nturn为无人机的转弯次数；计算无人机所在子区域的最小宽度lmin，保证无人机搜索过程中拥有最少转弯次数。
设计无人机工作应急方案：如图7所示，无人机按照规划的工作路径不断收集所在子区域内的视频影像，同时经由最近的海陆两用自供能无人机航保基站发送影像信息和自身状态信息到岸基管理中心；当岸基管理中心发现应急事件时，发送应急指令给距离目标地点最近的海陆两用自供能无人机航保基站，由海陆两用自供能无人机航保基站指定特定的无人机前往应急事件所在地获取影像信息，而其它无人机继续进行预设的常规巡航。
无人机引导起降及充电过程：
机群在执行巡航任务时，无人机电量不足，此时无人机需要返回到航保基站上进行充电。通过北斗定位系统，巡航无人机按照预设的轨迹接近航保基站在地图上的标注位置。但是，由于航保基站定位系统的误差，操作人员再采用航保基站启动降落引导程序和远程指令控制结合方式，使无人机准确降落到航保基站上的无人机补给充电平台上。当该巡航无人机充足合适电量后，信息管理中心控制无人机离开航保基站，继续巡航的作业。
根据锂电池的特性，设计出电源管理模块，在无人机电池电量降低至5％左右时停止执行任务，降落至其他平台进行充电，此时充电系统可以根据锂电池的阶段特性对电池进行充电，当电池电量充至100％时，自动停止充电，且在接收下次充电命令前不再激活充电，避免电池过充，保证电池的寿命。
航保基站系统通信与控制：
无人机通过搭载摄像云台、水质监测模块、定位模块可以实现对设施状态、水质影像、自身位置/电量等信息的采集，并将信息通过航保基站的中继传输作用将信号远距离传输至信息管理系统，使用电脑与服务器通信，电脑接收、运行基于qt设计的远程监测软件处理并分析航保基站上传感器回传的各项数据，之后由信息管理中心操作人员发出相关控制平航保基站及无人机的运行指令，实现系统的远距离控制与管理及信息的双向传输。
用软件集成的方法将无人机控制器、图像采集卡、摄像机、4g无线网卡、传感器和驱动电机集中在一起。当无人机处理程序启动之后，利用wifi进行联网，建立socket客户端连接到服务器。当无人机在空中探测时，摄像头将采集得到的图像传送给远程控制端，实现无人机的在线远程实时控制。
本系统使用电脑与服务器通信，电脑接收航保基站上传感器回传的各项数据后，运行基于qt设计的远程监测软件进行处理和分析，之后由信息管理中心操作人员发出相关控制航保基站及无人机的运行指令。
集群式无人机巡航方案：
为实现对目标区域的全覆盖式搜索，将特定区域按照其监测巡航需求、地理特征进行分割，确定航保基站的数量及位置，以航保基站为节点构建巡航监测网络。再依照各个分割后子区域的环境复杂程度，对无人机的配置及巡航方案进行设计。
狭长区域，为增加监测区域距离，区域走向等距设定三座及以上的自发电平台，无人机的数量可适当多于平台数量，无人机巡航采用单行单侧不回转式巡航轨迹，位于轨迹两端的a、b平台无人机同时起飞，沿内外航线对向巡航到达中部c平台，由c平台满电无人机接替原无人机继续按照规划路线进行巡航监测工作，从而实现整条狭长区域的巡航工作。
宽阔区域，为了满足巡航系统的能量供应，自发电平台设置密度相对较大，将区域分割为多个矩形，无人机按照航迹在a、b、c、d四个平台轮班工作，无人机的航迹采用相互交错的方波形状进行设计，用以将转弯处区域进行监控覆盖，实现无盲点式监控。
不规则复杂区域：对于复杂区域，可以按照实际情况，对无人机工作方案进行特殊设计。
应急事件处理：
在实现无人机集群巡航的基础上，通过在无人机上搭载相关监测系统，实时获取目标水域相关数据，当发现监测区域内存在事故或潜在事故等，系统即时向信息管理中心工作人员发出预警，相关部门应立即进入应急状态，由信息管理中心调用应急机动无人机编队迅速启动并抵达该区域进行现场取证以及确定事故状况，同时对事故的类别、程度、范围等信息进行及时反馈，针对事故具体情况，分别开展相应的应急措施，包括划定好需要隔离的区域，从而有效避免事故的蔓延和扩大等。
无人机补给引导机位设计：降低了无人机降落对定位精度的要求，提高了无人机在基站的停泊稳性，同时设计了特殊的充电结构解决了无人机的自主有线充电问题。
无人机能量收集存储模块设计：采用太阳能发电为主，风力发电为辅的发电模式，能够为无人机存储足够的电能，大幅提升无人机的巡航能力。
构建无人机集群网络监测巡航系统：以无人机航保基站为节点，对无人机运行轨迹进行规划，构建无人机集群监控网络，实现了对巡航区域的可视化监管、常态化维护和持续化监测。
本发明提出的一种新型海陆两用自供能无人机航保基站，以航保基站为基点，在巡航区域进行合理布置，设计配套的无人机工作方案构成集群无人监控网络，可大大延长无人机的巡航时间，提高无人机的巡航能力、巡航频率及自主化程度，能够快速有效地监管相关区域，并且信息传输更加及时，对搜救、执法工作的开展提供更加详细准确的信息，具有一定的实用价值和重要的社会意义。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。