本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)巡檢，具體地說(shuō)，涉及一種基于無(wú)人機(jī)輔助的機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)巡檢系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要；傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)巡檢主要依靠人工進(jìn)行，存在諸多局限性。

2、一方面，人工巡檢效率低下，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力；機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多，人工巡檢難以在短時(shí)間內(nèi)全面覆蓋所有區(qū)域，容易出現(xiàn)疏漏；而且，人工巡檢速度相對(duì)較慢，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)突發(fā)情況；另一方面，人工巡檢存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)通常處于較高位置，工作人員在進(jìn)行巡檢時(shí)可能面臨高空作業(yè)的危險(xiǎn)，此外，在惡劣天氣條件下，如大風(fēng)、暴雨等，人工巡檢更是難以進(jìn)行。

3、隨著科技的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)技術(shù)日益成熟，無(wú)人機(jī)具有靈活、高效、可遠(yuǎn)程操控等特點(diǎn)，可以在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)巡檢，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工巡檢的不足，提高巡檢的效率和準(zhǔn)確性，保障機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于無(wú)人機(jī)輔助的機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)巡檢系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)問(wèn)題的解決，本發(fā)明的目的在于，提供了一種基于無(wú)人機(jī)輔助的機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)巡檢系統(tǒng)，包括無(wú)人機(jī)模塊、遠(yuǎn)程控制模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，所述無(wú)人機(jī)模塊包括數(shù)據(jù)獲取模塊、驅(qū)離模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和第一通訊模塊，所述遠(yuǎn)程控制模塊包括第二通訊模塊、路徑規(guī)劃模塊、顯示模塊和存儲(chǔ)模塊，所述數(shù)據(jù)分析模塊包括控制優(yōu)化模塊和目標(biāo)檢測(cè)模塊；

3、所述路徑規(guī)劃模塊規(guī)劃路徑的具體步驟為：

4、s1、以無(wú)人機(jī)尺寸確定單元格大小，以單元格為基礎(chǔ)劃分機(jī)場(chǎng)，并建立柵格地圖；

5、s2、在建立的柵格地圖上，區(qū)分工作區(qū)域和障礙區(qū)域；

6、s3、將柵格地圖的工作區(qū)域再次劃分成多個(gè)矩形子區(qū)域，并給每個(gè)矩形子區(qū)域編號(hào)；

7、s4、基于改進(jìn)a星算法獲取兩個(gè)矩形子區(qū)域之間的最短路徑；

8、s5、基于改進(jìn)遺傳算法獲取遍歷所有矩形子區(qū)域的最優(yōu)順序。

9、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s4中獲取兩個(gè)矩形子區(qū)域之間的最短路徑的步驟為：

10、s4.1、將兩個(gè)矩形子區(qū)域的中心點(diǎn)分別作為起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，使用雙向搜索，分別從起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)搜索最短路徑；

11、s4.2、初始化開(kāi)放列表和封閉列表，開(kāi)放列表用于存儲(chǔ)待檢查的節(jié)點(diǎn)，關(guān)閉列表用于存儲(chǔ)已檢查過(guò)的節(jié)點(diǎn)，開(kāi)放列表包括正向開(kāi)放列表和反向開(kāi)放列表，封閉列表包括正向封閉列表和反向封閉列表，障礙區(qū)域歸于封閉列表；

12、s4.3、將起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)分別放入正向開(kāi)放列表和反向開(kāi)放列表，分別遍歷起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的相鄰24個(gè)節(jié)點(diǎn)，優(yōu)先拓展綜合代價(jià)較低的節(jié)點(diǎn)，設(shè)起始點(diǎn)為p(x1,y1)和目標(biāo)點(diǎn)為q(x2,y2)，計(jì)算公式為：

13、f(n)＝g(n)+αh(n)

14、

15、其中，n表示節(jié)點(diǎn)n(xn,yn)，f(n)表示節(jié)點(diǎn)n的綜合代價(jià)，g(n)表示節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際代價(jià)，h(n)表示節(jié)點(diǎn)n的估計(jì)代價(jià)，α為局部障礙率，m為節(jié)點(diǎn)n周圍所在的24個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)障礙區(qū)域所占的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；

16、正向搜索時(shí)：

17、h(n)＝∣x2-xn∣+∣y2-yn∣

18、此時(shí)，g(n)表示起始點(diǎn)移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)n時(shí)所需的代價(jià)；

19、反向搜索時(shí)：

20、h(n)＝∣x1-xn∣+∣y1-yn∣

21、此時(shí)，g(n)表示目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)n時(shí)所需的代價(jià)；

22、s4.4、設(shè)置安全緩沖區(qū)，將安全緩沖區(qū)視為不可通過(guò)區(qū)域，確保無(wú)人機(jī)與實(shí)際障礙物之間保持一定的安全距離；

23、s4.5、若雙向搜索中正向開(kāi)放列表和反向開(kāi)放列表存在重復(fù)節(jié)點(diǎn)，則停止搜索。

24、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s5中基于改進(jìn)遺傳算法獲取遍歷所有矩形子區(qū)域順序的步驟為：

25、s5.1、將多個(gè)矩形子區(qū)域的順序編碼為一個(gè)染色體，設(shè)有m個(gè)矩形子區(qū)域，用一個(gè)長(zhǎng)度為m的整數(shù)序列來(lái)表示，每個(gè)整數(shù)代表一個(gè)矩形子區(qū)域的編號(hào)；

26、s5.2、隨機(jī)生成一定數(shù)量的染色體，作為初始種群，每個(gè)染色體代表一種可能的矩形子區(qū)域工作順序；

27、s5.3、以無(wú)人機(jī)遍歷整個(gè)工作區(qū)域的總距離作為適應(yīng)度值；

28、s5.4、選擇，使用精英保留策略，保留每一代中適應(yīng)度最高的個(gè)體，使用輪盤(pán)賭選擇個(gè)體作為父代繁殖下一代；

29、s5.5、對(duì)選擇出來(lái)的父代染色體進(jìn)行交叉、變異和修復(fù)產(chǎn)生子代，采用順序交叉，產(chǎn)生兩個(gè)隨機(jī)數(shù)作為交叉操作的節(jié)點(diǎn)，將兩節(jié)點(diǎn)之間的基因片段進(jìn)行交換，變異同樣產(chǎn)生兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，將兩節(jié)點(diǎn)基因互換，引入自適應(yīng)調(diào)整交叉和變異的概率，則有：

30、

31、

32、其中，pc表示交叉概率，表示設(shè)定的初始交叉概率，pm表示變異概率，表示設(shè)定的初始變異概率，k1、k2、k3和k4均為調(diào)整系數(shù)，u表示種群多樣性衡量值，v表示種群收斂性衡量值，pi表示染色體中第i個(gè)基因出現(xiàn)的概率，n表示種群個(gè)數(shù)，fe表示種群中的第e個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，表示種群的平均適應(yīng)度值；

33、s5.6、將新產(chǎn)生子代組成新的種群，重復(fù)s5.3、s5.4和s5.5，達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)停止。

34、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s5.3中適應(yīng)度計(jì)算步驟為：根據(jù)所述s4中獲取兩個(gè)矩形子區(qū)域之間的最短路徑，建立距離矩陣d，則

35、

36、其中，d1,1表示第一個(gè)矩形子區(qū)域和第一個(gè)矩形子區(qū)域之間的最短路徑距離，d1,m表示第一個(gè)矩形子區(qū)域和第m個(gè)矩形子區(qū)域之間的最短路徑距離，dm,1表示第m個(gè)矩形子區(qū)域和第一個(gè)矩形子區(qū)域之間的最短路徑距離，dm,m表示第m個(gè)矩形子區(qū)域和第m個(gè)矩形子區(qū)域之間的最短路徑距離，d1,1＝…＝dm,m＝0。

37、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)據(jù)獲取模塊包括攝像頭、紅外熱像儀和激光雷達(dá)。

38、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述驅(qū)離模塊包括喊話器、聲光報(bào)警器和電磁驅(qū)趕設(shè)備。

39、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一通訊模塊和所述第二通訊模塊之間通過(guò)無(wú)線通訊信號(hào)連接，所述驅(qū)動(dòng)模塊接收所述第一通訊模塊發(fā)送的路線數(shù)據(jù)并基于pid控制算法控制所述無(wú)人機(jī)模塊運(yùn)動(dòng)。

40、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述控制優(yōu)化模塊基于改進(jìn)鯨魚(yú)算法優(yōu)化所述驅(qū)動(dòng)模塊中使用的pid參數(shù)，具體步驟為：

41、a1、初始化參數(shù)，設(shè)置種群規(guī)模，空間維度為三，迭代次數(shù)，鯨魚(yú)初始種群和最優(yōu)鯨魚(yú)的位置和適應(yīng)度初值，鯨魚(yú)的位置向量分別代表比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間；

42、a2、邊界條件處理，對(duì)種群中的個(gè)體分別進(jìn)行處理，計(jì)算系數(shù)向量和產(chǎn)生均勻分布決策隨機(jī)數(shù)ρ，

43、

44、其中，為控制向量，且在整個(gè)迭代周期內(nèi)隨迭代次數(shù)的增加從2下降到0，為[0,1]上的隨機(jī)向量；

45、a3、計(jì)算適應(yīng)度值，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算適應(yīng)度值；

46、a4、捕食尋找最優(yōu)解：

47、隨機(jī)搜索獵物：當(dāng)ρ<0.5且時(shí)，

48、

49、其中，t為當(dāng)前迭代次數(shù)，為當(dāng)前種群中隨機(jī)選擇個(gè)體的位置向量，為當(dāng)前鯨魚(yú)個(gè)體在第t代的位置向量，為當(dāng)前鯨魚(yú)個(gè)體在第(t+1)代的位置向量；

50、收縮包圍獵物：當(dāng)ρ<0.5且時(shí)，

51、

52、其中，為當(dāng)前群體中最優(yōu)個(gè)體的位置向量；

53、螺旋更新位置：當(dāng)ρ≥0.5時(shí)，

54、

55、其中，s為用于定義對(duì)數(shù)螺旋形狀的常數(shù)，l為[-1,1]之間的均勻分布隨機(jī)數(shù)；

56、a5、迭代搜索，直至達(dá)到最大迭代次數(shù)。

57、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述a3中適應(yīng)度函數(shù)為：

58、j＝∫0∞k∣e(k)∣dk

59、其中，j表示適應(yīng)度函數(shù)，k表示時(shí)間，e(k)表示系統(tǒng)誤差，即期望輸出與實(shí)際輸出之差。

60、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)據(jù)獲取模塊拍攝圖像后依次傳輸給所述遠(yuǎn)程控制模塊和所述目標(biāo)檢測(cè)模塊，所述目標(biāo)檢測(cè)模塊使用已訓(xùn)練的faster?r-cnn網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)異常，faster?r-cnn網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)圖像中的人和動(dòng)物，并判斷異常情況。

61、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：該一種基于無(wú)人機(jī)輔助的機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)巡檢系統(tǒng)中，使用無(wú)人機(jī)提高巡檢效率，增強(qiáng)巡檢安全性，通過(guò)尋找遍歷工作區(qū)域的最優(yōu)順序，降低巡檢成本，再通過(guò)檢測(cè)圖像中是否出現(xiàn)異常情況，再通過(guò)驅(qū)離模塊及時(shí)驅(qū)離人和動(dòng)物，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)及周邊區(qū)域的全面巡檢、應(yīng)急處置和實(shí)時(shí)監(jiān)控。