一种可搭载无人机的通感算控一体化智能灯船控制系统

1.本发明属于全自动化产品领域，涉及一种可搭载无人机的通感算控一体化智能灯船控制系统。


背景技术：

2.目前灯船的研究现状主要是基于某一种通信网的海上灯光系统，并没有与无人机进行结合，灯船是指形状如船、能发光的一种特殊浮标。一般锚碇于重要而宽广的江河入口处或重要航段，以引导船舶进出港或转向。船身一般漆以红色，两侧标注醒目的船名或号码。发光设备装于甲板高处；灯具一般安装在平衡架上,使船体摆动时仍水平发光；灯光射程较远。有的装有音响或雾号设备。目前灯船的研究现状主要是非智能化的灯船，只有给过往船舶提供灯光助航的功能，并没有与当前的科技与无人设备相结合。
3.目前针对海上智能灯船系统主要是将收集的数据发送给服务器进行处理和分析。这种信息处理的方案有两种明显的缺陷，一是因为需要长距离的信息运输，而且大多数灯船都布置在离岸边较远的浅滩附近，所以信息传输有很大的延迟，尤其如果在天气环境较恶劣的情况下，数据传输延时非常明显，并不能给过往船只提供很好的服务；二是由于各种信息众多复杂，用服务器或云计算会造成很大的处理负担。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种可搭载无人机的通感算控一体化智能灯船控制系统，包括：多个无人机、
5.对灯船周围的海上水文信息和天气信息进行采集的水文及天气信息采集模块；
6.获取灯船本身的位置信息的北斗定位模块i；
7.用于无人机和灯船所在海域的船舶进行信息传送的北斗通信卫星模块；
8.所述无人机包括对灯船所在海域的船只航行信息进行视频拍摄的视频采集模块、
9.采集无人机位置信息的北斗定位模块ii；
10.用于无人机与无人机之间以及无人机与岸基管理中间进行信息传送的通信模块；
11.接收所述水文及天气信息采集装置传送的灯船周围的海上水文信息和天气信息以、所述北斗定位模块i传送的灯船周围船舶的位置信息以及所述视频采集模块传送船只航行信息视频的边缘计算模块；所述边缘计算模块确定灯船所在海域的航行船舶的实际位置信息，对比海洋深度图，判断出航行船舶是否存在运行风险，当航行船舶存在运行风险，所述边缘计算模块将风险信息通过北斗通信卫星模块传送给所述无人机的所述通信模块；多个所述无人机互信进行信息传送，由距离岸基管理中心最近的无人机通过所述通信模块将风险信息或已经发生事故的视频信息传送给所述距离岸基管理中心。
12.进一步地：所述边缘计算模块确定灯船所在海域的航行船舶的实际位置信息，通过图像识别算法、线性回归算法与神经网络算法,得到船舶与无人机相距的距离与方位，再通过无人机自身的经纬度确定出过往船舶的准确位置，将其与海洋深度图进行对比，来判
断出航行船舶是否存在运行风险。
13.进一步地：所述通信模块包括4g/5g通信子模块和lora/zigbee通信子模块。
14.进一步地：所述运行风险包括搁浅风险与碰撞风险。
15.进一步地：该控制系统还包括用于所述无人机进行充电的无线充电平台。
16.进一步地：该控制系统还包括实时监控智能灯船系统的运行状态的故障检测电路。
17.而本发明是一种可搭载无人机的通感算控一体化智能灯船系统，该智能灯船系统所布置的无人机，不仅可以解决与岸基控制中心较远的距离，其智能灯船上搭载的边缘计算模块可以通过将数据处理和计算进行集成，将计算的结果进行发送，大大减少了信息众多复杂的问题，即可以解决上述现有技术存在的问题；
18.本发明提供的一种可搭载无人机的通感算控一体化智能灯船控制系统，具有以下优点：
19.(1)该系统可以根据水文、天气变化自动为过往船舶提供灯光引航与警告。并且该智能灯船可以在边缘计算的基础上，通过无人机中继通信将相关传感器感知到的实时的天气和水文信息、危险点的视频信息传递给过往船只，为过往船只提供相关航行的辅助决策。当智能灯船或所搭载的无人机出现故障时，可以通过北斗卫星导航系统获取实时位置，便于维修和管理。本发明可以在一定条件上实现海上船舶引航系统的智能化、管理化、网络化。
20.同时，该发明突破了常规感知者与目标对象之间无线通信单一方式，在与目标通信的同时传递环境信息，实现了海上灯船系统的通感算控一体化应用，使灯船、卫星、无人机、用户之间的无线通信更为便捷，信息交互更为自由、流畅。
21.(2)采用北斗卫星通信系统以及lora/zigbee通信系统，避免4g/5g通信网络在海上无法应用的情况。
22.(3)采用边缘计算的方式，通过边缘计算将数据处理中心下移到数据的无人机中继计算端，从而可以避免众多的数据处理给服务器和云计算带来沉重的压力。
23.(4)采用边缘计算的方式，通过边缘计算将大量数据直接在无人机中继计算端处理好，从而降低数据在发送给服务器或云端时产生的时延，从而提高了整个系统的效率。
24.(5)该系统嵌入了人工智能算法，通过这种方式将整个数据的处理和计算下移到数据收集处，即边缘计算。通过这种方式过滤各种错误的海上数据，处理和分析海上的大量的数据。嵌入人工智能算法的智能灯船设备可以精确的分析本水域的天气、水文的变化信息，然后生成相关水域的航道流场态势感知图。不仅如此，海上的智能灯船设备可以通过组网互享各个水域的信息，并通过嵌入的人工智能算法为各个边缘计算无人机分配任务，完成对整个航行水域水文、天气的实时分析，从而为船只航行提供航行辅助决策。
25.(6)该系统在各个节点之间或者系统与周边船只之间的信息传输在传输相关必要信息的同时，携带各种传感器所感知到的环境信息，便于在通信过程中合理配置无人机位置以及信道信息，实现了通感算控一体化在海上通信领域的应用，采用通感算控一体化的思想，避免了过去灯船系统通信方式单一，通信效率低的问题。使用户与装置、装置与装置之间的联络更加高速便利，大大节约了通信成本。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为智能灯船系统的装置结构图；
28.图2为智能灯船系统的海上网络架构图；
29.图3为智能灯船系统的边缘计算工作架构图；
30.图4为智能灯船系统的程序流程图。
31.附图标记：1、无人机，2、水文及天气信息采集模块，3、北斗定位模块i，4、通信模块，5、边缘计算模块，101、太阳能充电模块，102、风力发电模块，103、电池模块，104、温湿度传感器模块，105、光照传感器模块、106、水深传感器模块，107、风向传感器模块，108、风速传感器模块，109、流速传感器模块，110、北斗定位模块，111、灯船灯器模块ii，112、雷达采集模块，113、视频采集模块，114、无人机无线充电平台模块，115、六旋翼无人机本体，116、mcu模块，117、储存器，118、灯光控制模块，119、故障检测电路，120、北斗卫星通信模块，121、4g/5g子通信模块,122、lora/zigbee子通信模块。
具体实施方式
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
34.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发明的示例性实施方式。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。
35.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、
垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
37.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
38.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
39.图1为智能灯船系统的装置结构图；
40.图2为智能灯船系统的海上网络架构图；
41.一种可搭载无人机的通感算控一体化智能灯船控制系统，包括：多个无人机1、水文及天气信息采集模块2、北斗定位模块i3、电池模块103、北斗通信卫星模块120、所述边缘计算模块5、灯船灯器模块111、雷达采集模块112、故障检测电路119和灯光控制模块118；
42.所述水文及天气信息采集模块2对灯船周围的海上水文信息和天气信息进行采集的；
43.所述水文及天气信息采集模块2包括温湿度传感器模块104、光照传感器模块105、水深传感器模块106、风向传感器模块107、风速传感器模块108、流速传感器模块109；
44.所述温湿度传感器104采集海上温度与空气湿度信息；
45.所述光照传感器105采集海上光照信息；
46.所述风向传感器107采集海上风向信息；
47.所述风速传感器108采集海上风速信息；
48.所述水深传感器106采集水深信息；
49.所述流速传感器109采集海水流速信息；
50.所述北斗定位模块i 3获取灯船本身的位置信息；
51.所述北斗通信卫星模块120用于无人机和灯船所在海域的船舶进行信息传送；也可以采用gps通信卫星模块进行无人机和灯船所在海域的船舶进行信息传送；
52.所述电池模块103供电通过太阳能充电模块101与风力发电模块102为从而为整个系统供电，并且可以在环境恶劣时使用其中具有电压转换模块，可为系统各个模块提供准确的电压；
53.所述太阳能充电模块101收集光能，并将光能转化为电能；通过所述风力发电模块102收集风能，并将风能转化为电能；
54.所述灯船灯器111可实现传统灯船的灯光效果；
55.所述雷达采集模块112可在能见度不高或光线较弱的情况下监测周围海域并绘制图像；
56.所述灯光控制模块118可控制灯船上的灯光，为海上航行提供灯光导航；
57.所述故障检测电路119可以实时监控智能灯船系统的运行状态；
58.所述无人机1包括六旋翼无人机本体115、无人机充电平台114、北斗定位模块ii110和通信模块4；
59.所述无人机充电平台114可对无人机本体115进行充电；
60.所述视频采集模块113对灯船所在海域的船只航行信息进行视频拍摄；
61.所述北斗定位模块ii110采集无人机位置信息的；
62.所述通信模块4用于无人机与无人机之间以及无人机与岸基管理中间进行信息传送；
63.所述通信模块4包括4g/5g通信模块121与lora/zigbee通信模块122；可将处理好的数据，包括灯船上所搭载的传感器所采集的环境数据以及通过算法分析出的过往船舶的准确经纬度的数据。发送给岸基指挥中心；采用北斗卫星通信模块120与4g/5g通信模块121将边缘计算模块5处理好的数据发送给服务器，从而避免了4g/5g通信模块无法很好的用到海上通信环境中的问题。
64.所述lora/zigbee通信模块122将智能灯船与无人机进行组网，实时收集各传感器的数据；
65.所述六旋翼无人机本体115可降落在智能灯船上部署的无人机充电平台114上，在需要时起飞并负责中继通信任务；
66.所述边缘计算模块5接收所述水文及天气信息采集模块1传送的灯船周围的海上水文信息和天气信息、所述北斗定位模块i3传送的灯船位置信息以及所述视频采集模块113传送船只航行信息视频；所述边缘计算模块5确定灯船所在海域的航行船舶的实际位置信息，对比海洋深度图，判断出航行船舶是否存在运行风险，当航行船舶存在运行风险，所述边缘计算模块5将风险信息通过北斗通信卫星模块120传送给所述无人机的所述通信模块4；多个所述无人机互进行信息传送，由距离岸基管理中心最近的无人机通过所述通信模块4将风险信息或已经发生事故的视频信息传送给所述距离岸基管理中心；
67.所述边缘计算模块5包括mcu模块116和存储器117；
68.所述mcu模块116进行边缘计算；将无人机回传的过往船舶图片传入mcu模块并根据图像识别算法、线性回归算法与神经网络算法进行边缘计算，可以计算出船舶与无人机相距的距离与方位。再通过无人机自身的经纬度确定出过往船舶的准确位置，将其与海洋深度图进行对比，来判断出航行船舶是否存在运行风险。
69.所述储存器117将采集到的数据，包括灯船上所搭载的传感器所采集的环境数据以及通过算法分析出的过往船舶的准确经纬度的数据，进行存储并整理；
70.在该边缘计算模5中嵌入任务合理化分配算法，实现任务的智能分配，更加高效的管理数据并实时的分析数据，最终将处理完成的结果通过gps/北斗卫星通信模块120和4g/5g通信模块121分别发给岸基指挥中心和过往船舶，可通过无人机增大通信距离并缩短通信时间，该边缘计算模块5主要为减轻服务器和云计算的计算压力，通过将计算和处理数据的中心下放到数据收集端。
71.该人工智能算法可以根据该水域的水文、天气的变，实时分析该水域的水文、天气的变化，并且可以预测未来一段时间内的天气、水文的变化情况，并生成相关水域的航道态势感知图，从而可以为海上船舶航行提供航行辅助决策；嵌入人工智能算法的智能灯船可以根据自身运算能力同周围无人机分配计算资源，以此来达到更好的整体运算能力。不仅如此，基于边缘计算的智能灯船与无人机设备之间通过lora/zigbee的mesh组网可以实现重要的水文、天气数据之间交换并且联合分析，不仅可以降低对云计算的依赖还可以避免重要数据在上传至云端时数据泄露的问题。通过这种将数据处理能力下移的边缘计算的方式，不仅可以避免云端处理数据时给云端造成的压力，并且还可以提高数据传云时的安全性，降低数据传云过程中产生的不必要的时延，为海上航行提供了可靠的技术手段。
72.该系统主要将整个智能灯船分成两类，一类属于智能灯船，是整个系统的网关部分，另一类属于无人机部分，是整个系统的节点部分，节点部分和网关部分的主要不同是网关部分是周围节点部分的数据汇总中心，并且网关部分的智能灯船集成北斗卫星通信模块120以及4g/5g通信模块121。整个系统的工作模式是节点无人机收集来自过往船舶的一些信息，节点通过lora/zigbee通信模块122将收集到的信息发送给网关，网关将数据发送给mcu模块进行处理和分析。另一方面，网关也可以将自己所收集的水文信息进行整理与制图后，通过无人机节点的边缘计算(通过无人机的数据采集与图像采集并发送到边缘计算模块进行边缘计算)发送给过往的岸基管理中心。
73.该可搭载无人机的通感算控一体化智能灯船控制系统安装在传统的海上灯船上；
74.海上的数据采集网络和通信网络主要包括基于边缘计算的智能灯船与无人机设备、搭载lora/zigbee通信模块122的各种船舶、设置有卫星通信终端的岸上骨干网。当智能灯船设备开机运行时，智能灯船上的主机会根据所要处理的任务量来为无人机工作，无人机收到起飞指令后会悬停到指定的位置并为过往的船只进行无人机中继通信服务，通过lora/zigbee通信模块122完成组网，并且各个无人机节点以及智能灯船设备采集自己位置的数据信息。之后通过安置在智能灯船上的智能灯船设备收集这些数据并通过人工智能算法处理形成天气和水文信息并实时的进行分析，得出准确的天气、水文信息，并且可进一步处理形成相关水域的航道流场态势感知图，从而可以为海上船舶航行提供航行辅助决策。mcu模块116对水文、天气信息进行分析是否达到设定的某一阙值来对灯光控制模块118进行实时控制。北斗卫星定位模块110定位灯船以及船载无人机的位置，智能灯船设备将所有的水文、天气、位置信息通过lora/zigbee模块122分配给附近所部署的无人机，经过边缘计算后，通过离岸基管理中心最近的无人机，将计算信息发送给岸基管理中心或过往船舶。岸基管理中心通过上位机查看航道的水文、天气、位置信息。如果岸基管理中心想对智能灯船或某个无人机进行控制，也可以通过gps/北斗卫星通信模块发送控制信息。
75.图3为智能灯船系统的边缘计算工作架构图；此发明的边缘计算模块5架构如框图所示。所述边缘计算模块5主要分为5个基本的架构，数据采集子模块、数据处理子模块、计算卸载子模块、服务管理子模块、通信资源管理子模块。
76.在数据采集子模块中主要通过各个传感器模块收集来自周围航道水域的温度、光照、湿度、风向、风速、水深、流速的各个信息，之后处理成该水域的水文、天气信息。
77.在数据处理子模块中主要通过训练好的人工算法预测水文、天气未来一段时间内的变化、并将此信息传送给岸基指挥中心或者通过其它通信模块传递给周围的过往船只。
78.在计算卸载子模块中主要通过使用存储资源管理算法和计算资源管理算法与周围边缘其它周围边缘计算模块共同决策整个航道内任务的管理、分配和计算。
79.在服务管理子模块中主要是管理智能灯船需要执行的各个任务，使整个智能灯船内的任务有序的进行、并且在其它设备需要某项或多项任务时可以有计划的调度，从而保证整个智能灯船工作的正常进行。
80.在通信资源管理子模块中主要管理无线资源的利用，因为海上通信资源稀缺，所以当有数据传输时，应尽量保证各种通信资源合理运用，从而可以保证可以实现最大的传输速率。
81.图4为智能灯船系统的程序流程图，本发明的具体程序为：
82.步骤
①
：进行整个智能灯船系统的初始化，在此部分为各个模块分配硬件资源，并初始化各个通信接口，便于之后的数据收集和数据通信的进行。
83.步骤
②
：智能灯船系统会根据所要处理的任务量，分配无人机进行起飞动作。无人机飞行到指定区域后进行无人机的通信中继任务，信息通过无人机中继发送到智能灯船后进行边缘计算。
84.步骤
③
：温度、湿度、光照、风向、风速、水深、流速传感器模块采集数据信息，无人机飞行至指定区域进行通信中继工作，北斗卫星定位模块110采集船载无人机位置信息，故障检测电路采集故障，之后将所有这些信息汇总到边缘计算模块5当中。
85.步骤
④
：边缘计算模块5由mcu模块116和存储器117构成，在此模块中将来自光照、温度、湿度、风向、风速、水深、流速传感器采集的电压或其它物理类型的信息转化为光照、温度、湿度、风向、风速、水深、流速等真实的天气或者水文信息。之后通过嵌入人工智能算法实时处理和分析该水域的水文和天气信息及其变化信息，通过人工智能算法分析整个航行水域的水文、天气的数据。除此之外，北斗卫星定位模块120准确定位智能灯船以及船载无人机的位置信息。最后，将所有的水文、天气、位置信息放在存储器中进行存储并等待下一步的操作。
86.步骤
⑤
：mcu模块116通过判断水文、天气等信息是否满足某一设定的阙值来控制灯光控制模块118。如：是否进入黑夜，是就打开灯光照明；是否天气不利于航行等，是就发送灯光报警。
87.步骤
⑥
：每个智能灯船搭载的无人机设备检测自身通信范围内是否有船只经，若智能灯船周围有船只经过时，保存的各种数据信息通过船只、智能灯船以及船载无人机组成的自组网发送给船只。如果没有船只经过，则将数据暂时保存到存储器中便接下来使用。
88.步骤
⑦
：智能灯船设备检测是否有无人机需要返航，若当工作中的无人机电量不足或其他原因无法继续工作时，系统会派出无人机进行替换，电量不足的无人机会进行返航动作，当发现有无法工作的无人机时，会向岸边基站发出信息并等待工作人员前来维修，通过系统嵌入的程序进行实现，当数据达到设定好的阈值时做出相应动作。
89.步骤
⑧
：智能灯船中的故障检测电路119和各个传感器不断收集故障信息和物理信息，实时监控并分析这些数据的变化，通过这些数据的变化可以及时预测系统的故障信息，并将这些通过北斗卫星通信模块及时的发送给岸基管理中心进行故障报备。
90.步骤
⑨
：之后将存储器117中保存的标准的光照、温度、湿度、风向、风速、水深、流速、地理位置等数据通过北斗卫星通信模块120，以短报文的形式直接发送给岸基管理中
心，岸基管理中心通过上位机直接将水文、天气、地理位置位置信息在电子海图上进行显示。
91.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。