一种基于无人技术的环境数据采集系统及方法

技术领域

本发明属于计算机与信息安全技术领域，主要涉及的是一种基于无人技术的环境数据采集系统及方法。

背景技术

环境数据包括电磁数据、气象数据、地理数据等，这些数据具有数据量大、更新快、价值高等特点，通过专业技术设备获取这些数据，再利用大数据分析挖掘技术进行处理，能够在多个行业领域进行应用，比如气象预报、电磁信号监测、地理规划、灾害预警等。

当前环境数据采集技术、方式很多，比如电磁数据主要通过固定、车载、手持等的电磁监测仪采集，气象数据主要根据分布在各地的气象站采集，地理数据主要通过卫星、飞机等的专用航拍相机采集。环境数据采集也面临着诸多问题，比如电磁监测仪存在着监测范围小、分布密度低、通信能力弱等不足，气象站存在着的移动性差、分布密度低、垂直空间采集能力弱等不足，航拍技术存在着成本高、更新慢、分辨率低等不足。

发明内容

为了克服上述的不足，本发明提供了一种基于无人技术的环境数据采集系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种基于无人技术的环境数据采集系统，包括：控制中心、至少一辆无人载车、若干无人机、若干数据采集载荷和通信系统；

所述控制中心通过通信系统与所述无人载车进行双向信息交互，并控制无人载车的行动和状态；

所述无人载车用于容纳多架无人机，通过通信系统与无人机进行双向信息交互，并对交互信息进行处理存储；且，能够在数据采集区域规划路线、自由移动到控制中心指定位置；

所述无人机通过通信系统与数据采集载荷进行双向信息交互，且，能够在数据采集区域规划航线、自由移动到无人载车指定位置；

所述的无人机上，每一架都至少挂载一个数据采集载荷，用于采集区域内的电磁数据、气象数据和地理数据，并将该数据通过通信系统传递给所挂载的无人机。

所述无人机与无人载车的双向信息交互包括：无人机能接收无人载车发出的控制指令，同时无人机上报自身工作状态参数、数据采集载荷的工作状态参数和数据采集载荷采集到的数据到无人载车。

所述无人载车与控制中心的信息交互包括：无人载车能接收控制中心的控制指令，同时上报自身工作状态参数、无人机及数据采集载荷的工作状态参数和无人机采集的数据到控制中心。

所述无人载车能够实现无人机的自动放飞、回收任务，在无人机电量不足时能够提供充电或更换电池服务。

所述采集的电磁数据包括频率、脉宽、重复周期、到达时间、到达角、脉内调制参数；采集的气象数据包括风速、温度、湿度、大气压；采集的地理数据包括高度、高程、影像、倾斜摄影、植被指数、地物分类。

所述控制中心与无人载车、无人载车与无人机之间通过无线方式进行通信，无人机与数据采集载荷之间通过有线方式进行通信。

一种基于无人技术的环境数据采集方法，包括环境数据采集系统，具体步骤如下：

（1）控制中心规划环境数据采集区域大小和采集数据内容；

（2）控制中心通过通讯系统给无人载车下发采集任务；

（3）无人载车收到任务后，移动到所负责数据采集区域的指定位置，准备开展数据采集任务；

（4）无人载车对无人机进行数据初始化后放飞无人机，初始化内容包括采集区域、采集数据内容；

（5）无人机飞行到所负责数据采集区域起始位置，准备开始数据采集任务；

（6）启动数据采集载荷，开始数据采集，采集过程中根据任务需要调整姿态、工作状态参数；

（7）数据采集载荷将数据回传给无人机；

（8）无人机将数据采集载荷及自身的数据回传到无人载车；

（9）无人载车收到无人机回传数据后，将数据整理后回传给控制中心；

（10）控制中心发送任务结束指令，无人载车向无人机发送任务结束指令，无人机停止数据采集载荷工作，无人载车发送回收无人机指令，无人载车回收完所有无人机后，返回初始位置。

所述无人机在数据采集过程中电量不足则自动返回无人载车，经过充电或更换电池后再返回工作区域。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明提供的一种基于无人技术的环境数据采集系统及方法，综合利用了5G、卫星通信等无线通信技术，以及无人载车、无人机等无人技术，集成了电磁、气象、地理等多种数据采集传感器技术，采用信息技术将各个部分组合成一个相互协作的整体，共同完成环境数据采集任务。通过无线通信技术能够实时获取数据采集传感器的环境数据，可以实现整个数据采集区域环境数据的实时采集分析。通过无人技术能够适应地域、时效、位置等的采集特殊性，可以快速实现在不同空间维度、不同地形、不同动态条件下环境数据的采集。通过指挥控制、无线通信、无人技术的组合使用，可对采集区域进行动态规划、快速机动，可对环境信息快速感知、实时响应，具有很好的适应性、可靠性和有效性。

本发明具有很强的可扩展性，体现在地域可扩展、装备可扩展、数据可扩展，地域可扩展为数据采集区域可以随着需求变化而变化，区域可以连续扩展也可非连续扩展；装备可扩展为无人载车、无人机等装备可以动态变化，能够适应装备故障、更新、补充的需求；数据可扩展为环境数据采集传感器，可随需求开启或关闭、增加或减少，能适应不同的数据采集内容、速度、质量要求。

附图说明

图1是数据采集系统部署图；

图 2是数据采集系统信息交互图；

图3是系统工作序列图；

图4是实施例中数据采集区域划分；

图5是相邻两层“之”字型走位路线。

其中，六边形指代的是控制中心，长方形指代的是无人载车，五角星指代的是无人机，三角形指代的是无线通信站，圆形指代的是数据采集传感器，方形指代的是数据采集区域。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

根据附图1-3所示的一种基于无人技术的环境数据采集系统，包括：控制中心、至少一辆无人载车、若干无人机、若干数据采集载荷和通信系统；

控制中心是一个固定式或移动式的构筑物，含有计算机设备，能够运行信息控制系统，能够与无人载车进行双向信息交互并控制，控制中心能够完成任务规划、状态监控、发送指令、应急处置功能，一套数据采集系统只有一个控制中心。

无人载车是厢式货柜车，可容纳多架无人机；能够在数据采集区域规划路线、自由移动到控制中心指定位置；对上能够与控制中心进行信息交互，接收控制指令、上报自身工作状态参数、上报无人机及载荷工作状态参数、上报采集数据，对下能够与无人机进行信息交互，对无人机发送控制指令、接收无人机及载荷工作状态参数、接收无人机采集数据，并且能够对交互信息进行处理存储；能够执行无人机的自动放飞、回收任务，在无人机电量不足时能够提供充电或更换电池服务。环境数据采集系统根据采集区域大小，可以部署多辆无人载车。

无人机采用旋转翼或固定翼小型无人驾驶飞机，具备良好的机动、滞空等能力；能够在数据采集区域规划航线、自由移动到无人载车指定位置；对上能够与无人载车进行信息交互，接收控制指令、上报自身工作状态参数、上报载荷工作状态参数、上报采集数据，对下能够与数据采集载荷进行信息交互，对载荷发送控制指令、接收载荷工作状态参数、接收载荷采集的数据；具有应急、声光报警等功能。一架无人机可以挂载多个数据采集载荷。

数据采集载荷是环境数据采集的传感器，包括电磁数据采集载荷、气象数据采集载荷和地理数据采集载荷等；采集的电磁数据包括频率、脉宽、重复周期、到达时间、到达角、脉内调制参数，采集的气象数据包括风速、温度、湿度、大气压，采集的地理数据包括高度、高程、影像、倾斜摄影、植被指数、地物分类。

通信系统是提供环境数据采集系统内控制中心、无人载车、无人机、数据采集载荷等相互通信的中介，包括4G、5G、卫星等无线通信系统，以及电缆、光纤等有线方式；控制中心与无人载车、无人载车与无人机之间通过无线方式进行通信，无人机与数据采集载荷之间通过有线方式进行通信，环境数据采集系统至少有一套通信系统。

本发明以某地域范围内电磁、气象、地理环境数据采集为例，对实施方式进行描述。

如图4和5所示，地域范围：100km*100km，高度范围：1km-10km，具体实施方式如下：

（1）控制中心规划环境数据采集任务，将采集区域划为分10km*10km的无人车负责区域，以及2km*2km的无人机负责区域，如图4所示，实线方格为10km*10km的区域，虚线方格为2km*2km的区域。

（2）分配100辆无人载车，每辆无人载车负责一个区域为10km*10km、高度范围为1km-10km的空间环境数据采集任务。

（3）每辆无人载车装载25架无人机，收到控制中心指令后，移动到所负责数据采集区域中心，并进行车辆位置、朝向标定，便于无人机的放飞与回收。

（4）无人载车准备就绪后，对无人机进行数据初始化，初始化内容包括：采集区域、飞行路线、采集内容。每架无人机负责一个区域为2km*2km、高度范围为1km-10km的空间环境数据采集任务。每架无人机加装电磁、气象、地理共三个数据采集传感器，每架无人机在一个高度层采用“之”字型走位进行数据采集，相邻两层的“之”字型走位路线如图5所示。

（5）无人机飞行到所负责数据采集区域中心，按照规定的飞行路线开始飞行。如果飞行过程中电量不足则自动返回无人载车，经过充电或更换电池后再返回工作区域继续飞行。

（6）无人机进入规定的飞行路线后，根据指控中心的指令启动数据采集载荷，开始数据采集，采集过程中根据任务需要调整姿态、工作状态参数。

（7）各类数据采集载荷将采集到的数据通过高速有线线路回传给无人机。

（8）无人机将数据采集载荷及自身的数据，如位置、姿态、电量数据，通过区域无线通信系统回传到无人载车。

（9）无人载车收到无人机回传数据后，将数据整理后通过区域光纤网回传给控制中心。

（10）环境数据采集任务完成后，控制中心通过区域无线通信系统向各无人载车发送任务结束指令，无人载车通过区域无线通信系统向无人机发送任务结束指令，无人机关闭数据采集载荷，停止数据采集载荷工作，位于原地等待回收，无人载车通过区域无线通信系统向无人机发送回收指令，无人机按序自动返回无人载车，无人载车回收完所有无人机后，返回初始位置。

本发明综合利用了5G、卫星通信等无线通信技术，以及无人载车、无人机等无人技术，集成了电磁、气象、地理等多种数据采集传感器技术，采用信息技术将各个部分组合成一个相互协作的整体，共同完成环境数据采集任务。通过无线通信技术能够实时获取数据采集传感器的环境数据，可以实现整个数据采集区域环境数据的实时采集分析。通过无人技术能够适应地域、时效、位置等的采集特殊性，可以快速实现在不同空间维度、不同地形、不同动态条件下环境数据的采集。通过指挥控制、无线通信、无人技术的组合使用，可对采集区域进行动态规划、快速机动，可对环境信息快速感知、实时响应，具有很好的适应性、可靠性和有效性。

本发明具有很强的可扩展性，体现在地域可扩展、装备可扩展、数据可扩展，地域可扩展为数据采集区域可以随着需求变化而变化，区域可以连续扩展也可非连续扩展，比如地域分散情况；装备可扩展为无人载车、无人机等装备可以动态变化，能够适应装备故障、更新、补充等需求；数据可扩展为环境数据采集传感器可随需求开启或关闭、增加或减少，能适应不同的数据采集内容、速度、质量等要求。

以上内容中未细述部份为现有技术，故未做细述。