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原文传递一种基于无人机的船舶尾气跟随监测方法

专利名称：	一种基于无人机的船舶尾气跟随监测方法
摘要：	本发明公开了一种基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，该方法通过依次进行地启动无人机并自动监测飞行任务相关参数，无人机飞向指定的被测船舶并提前达到预计交汇位置，微调无人机高度位置与相对于船舶的水平位置，以及追踪船舶尾气多次后返航多个步骤实现；该基于无人机的船舶尾气跟随监测方法成本低、风险小、操作灵活，能够实现在不干扰被测船舶正常航行的前提下进行实施追踪和监测其船舶尾气是否存在排放超标问题的跟踪监测方法。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	交通运输部天津水运工程科学研究所
发明人：	彭士涛;胡健波;赵宏鑫;叶寅
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-26T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-09T00:00:00+0800
申请号：	CN201910232637.6
公开号：	CN109991371A
代理机构：	天津才智专利商标代理有限公司
代理人：	王梦
分类号：	G01N33/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	300456 天津市滨海新区塘沽新港二号路2618号
主权项：	1.一种基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，步骤如下： S1、无人机启动，并利用其上搭载的GPS装置实时获取无人机的位置，利用其上搭载的CO2浓度传感器实时获取空气背景下的背景CO2浓度，利用其上搭载的SO2浓度传感器实时获取空气背景下的SO2浓度，利用其上搭载的风速风向传感器获取实时的风速和风向，利用其上搭载的船舶AIS接收天线实时获取周边船舶的位置、航速、航向和船舶名称，并将全部接收结果通过无人机的控制系统发送至地面控制系统； S2、地面人员通过无人机地面控制系统指定其中一艘船舶作为被测船舶，并将该船舶信息发送回无人机的控制系统； S3、无人机升空至安全飞行高度，同时根据无人机的位置和预设的飞行速度、以及被测船舶的位置、航速、航向在被测船舶的航线上设定预计交汇位置和无人机的飞行方向，使无人机较船舶提早△t到达预计交汇位置处； S4、在△t的时间内，根据船舶航向以及实时风速和风向沿垂直于被测船舶航向调整无人机移动至偏离预计交汇位置的垂直距离为L的位置处，其中，L为被测船舶的尾气自尾气排放烟囱端口飘散t1时间后所在位置至被测船舶航线的垂直距离；同时，降低无人机的飞行高度至无人机高于被测船舶尾气排放烟囱端口5～10m；其中，t1＝5～15s； S5、当无人机根据其上搭载的CO2浓度传感器判断出无人机处于被测船舶的尾气带中，启动无人机上搭载的SO2浓度传感器并与CO2浓度传感器连续地收集周围空气中的CO2浓度和SO2浓度数据，直至无人机脱离被测船舶的尾气带，得到第一组被测船舶的尾气监测数据； S6、无人机保持飞行高度不变，沿被测船舶的航行方向飞行并完全穿越被测船舶的尾气带，悬停在被测船舶前方；重复步骤S5，得到第二组被测船舶的尾气监测数据； S7、重复步骤S6至少一次以获取足够的尾气监测数据，然后无人机上升至步骤S3的安全飞行高度，返航。 2.根据权利要求1所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，在步骤S1中，无人机的控制系统根据其上搭载风速风向传感器自启动起1min内连续获取的多个实时风速以判断无人机是否能够安全飞行：当平均风速≤最大飞行速率/2时，无人机进入步骤S2；当平均风速＞最大飞行速率/2时，无人机的控制系统向无人机地面监控系统报警，并自动锁死，拒绝执行飞行任务。 3.根据权利要求1所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，在步骤S3中，无人机的安全飞行高度为距离起飞时地面的垂直高度≥100m。 4.根据权利要求1所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，在步骤S3中，△t≥30s。 5.根据权利要求1所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，在步骤S3中， 1)当无人机起飞时，被测船舶位于无人机后方，则通过下式(1)计算得到无人机的飞行方向和预计交汇位置： 2)当无人机起飞时，被测船舶位于无人前方，则通过下式(2)计算得到无人机的飞行方向和预计交汇位置：其中，在式(1)和式(2)中，VS为被测船舶的航行速率，VU为无人机的飞行速度，VUv为VU在垂直于船舶航行方向的速度分量的速率值，VUh为VU在被测船舶航行方向一致的速度分量的速率值，Dv为无人机起飞位置与船舶航向之间的垂直距离，Dh为无人机起飞位置与船舶在航向上的间距，Δt为无人机较被测船舶提早到达预计交汇处的时间变化量。 6.根据权利要求5所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，在步骤S4中，调整无人机垂直高度的具体操作步骤为：无人机自转机头至朝向被测船舶，然后转动无人机上搭载的相机镜头至镜头以水平角度获取远处被测船舶图像；无人机下降至被测船舶的烟囱顶端进入相机镜头并位于图像下方时，且位于无人机根据烟囱端口在画面中显示出的尺寸降低其飞行高度，使无人机距离烟囱端口的垂直高度为5～10m。 7.根据权利要求5所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，在步骤S4中，无人机飞行至被测船舶的尾气飘散t1时间后的位置处的具体操作步骤为：根据被测船舶航行方向和风速VW，计算VW在垂直于被测船舶航向的风速分量VWv和VW在被测船舶航向上的风速分量VWh；然后根据垂直于被测船舶航向的风速分量VWv计算出被测船舶的尾气自烟囱端口飘散t1时间后距离被测船舶的垂直距离L＝t1×VWv；进而根据风向调整无人机机头方向，使无人机沿垂直于被测船舶航向的方向飞行至偏离预计交汇位置的距离L处，悬停在被测船舶的尾气飘散t1时间后的位置处。 8.根据权利要求5所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，步骤S5的具体操作步骤为： S501、无人机上搭载的CO2浓度传感器监测周围空气中CO2浓度，当周围空气的CO2浓度≥(背景CO2浓度+ΔC)时，则无人机进入被测船舶的尾气带中； S502、无人机上搭载的CO2浓度传感器和SO2浓度传感器连续地收集周围空气中的CO2浓度和SO2浓度数据，并实时传送回地面控制系统； S503、当无人机上搭载的CO2浓度传感器监测到周围空气中CO2浓度不断下降，且周围空气的CO2浓度≤(背景CO2浓度+ΔC)时，则无人机已脱离被测船舶的尾气带，一组被测船舶尾气的监测数据收集完成；其中，在步骤S501和步骤S503中，ΔC＝10ppm。 9.根据权利要求8所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，在步骤S5中，当无人机与被测船舶处于如下四种情况中的任一种时，CO2传感器依然没有检测到CO2浓度发生较大变化时，则应立即调整无人机的飞行高度，以保证其处于尾气带中： (1)当风向在被测船舶航向上的分量方向与被测船舶的航向相同，风速VW在被测船舶航向上的风速分量VWh大于被测船舶的航行速率VS，且无人机位于被测船舶前方，其与被测船舶在航向上的间距Dh≤t1×(VWh－VS)时； (2)当风向在被测船舶航向上的分量方向与被测船舶的航向相同，风速VW在被测船舶航向上的风速分量VWh小于被测船舶的航行速率VS，且无人机位于被测船舶后方，其与被测船舶在航向上的间距Dh≤t1×(VWh－VS)时； (3)当风向在被测船舶航向上的分量方向与被测船舶的航向相同，风速VW在被测船舶航向上的风速分量VWh等于被测船舶的航行速率VS，且无人机与被测船舶的烟囱在航向上的间距Dh＝0时； (4)当风向在被测船舶航向上的分量方向与被测船舶的航向相反，且无人机位于被测船舶前方，其与被测船舶在航向上的间距Dh≤t1×(VWh+VS)时。 10.根据权利要求1所述的基于无人机的船舶尾气跟随监测方法，其特征在于，步骤S6的具体操作步骤为：无人机保持飞行高度不变，沿被测船舶的航行方向以飞行速率≥被测船舶的航行速率VS×2飞行，当无人机上搭载的CO2浓度传感器监测得到的CO2浓度数据经过处理呈一个完整的CO2浓度波峰时，无人机完全穿越被测船舶的尾气带；无人机继续飞行△t的时间，然后悬停在空中并利用无人机上搭载的CO2浓度传感器和SO2浓度传感器连续地收集周围空气中的CO2浓度和SO2浓度数据，得到第二组被测船舶尾气的监测数据。
所属类别：	发明专利