基于大頂子山庫區無人機庫區巡航應用方案研究

程為平++安小剛++王俊文

摘要： 隨著無人飛機遙感、遙控技術的成熟，無人機巡檢、應急監測應用領域的發展。本文主要是針對大頂子山航電樞紐水工建筑物、附屬建筑物、山體航道、及其附屬設施狀況的具體巡檢工作需求，對目前成熟、常用的無人機進行技術選型，綜合多旋翼無人機操作簡單、機動靈活，使用和維護成本低等特點，并結合航運樞紐庫區巡檢應用場景與需求最終形成航運樞紐庫區無人機巡檢應用方案。

關鍵詞：無人機，庫區巡航，巡檢方案

中圖分類號：S127 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

引言

交通運輸部為了加快內河水運發展，積極探索在山區河流航運樞紐同步建設水電站，規劃了江河流域的航道建設航運樞紐。松花江大頂子山航電樞紐工程是松花江航道梯級開發總體規劃中的七座樞紐之一。航電樞紐主管部門定期的巡檢工作主要是查轄區內非法捕撈、山體樹木非法砍盜、庫區岸邊山體滑坡情況、庫區水工建筑設施健康狀況安全隱患。

1. 需求分析

非法捕撈問題主要因為電廠入水口和泄洪閘下游，水流條件復雜，非法捕撈漁船存在風險較大，然而又屢禁不止，和主管部門打起“麻雀戰”；非法砍盜樹木對山體健康存在安全隱患，暴雨多發期易形成道路濕滑山體滑坡；針對水工建筑物巡檢，主要采用徒步方式，暴雨多發期是巡檢的重點，然而雨后巡檢道路濕滑，現場路況條件復雜，對于較高的水工建筑物甚至存在巡檢死角，巡檢人員工作難度大。航運樞紐庫區面積較大，巡查周邊山體滑坡情況需駕船出行，人員費用和船舶使用養護費均是大的開銷。總結出的巡檢工作的主要問題體現在巡檢范圍大，人力物力要求高，惡劣天氣道路濕滑巡檢環境惡劣，突發性山體滑坡等危險環境，人員安全隱患等。

隨著無人飛機遙感、遙控技術的成熟，無人機巡檢、應急監測應用領域很廣，包括國內主要交通干線、海事、大河、大湖等進行全面偵察等。針對航運樞紐的巡檢工作的復雜模式，科學的無人機巡航應用模式可以有效的規避大量人員巡檢工作量，突發性山體滑坡等危險環境作業可以很好的規避人員安全風險；另外，無人機巡檢航拍可以有效取證非法捕撈和非法砍盜現象，對非法捕撈船只及非法盜伐人員有很好的警示作用。

2. 無人機庫區巡航方案研究

2.1無人機機型選擇

將無人機應用與庫區巡檢，選擇性能優越、適應庫區現場實際需要的無人機至關重要。按照無人機飛行特點和機翼種類，無人機一般分為固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機三種。

固定翼無人機飛行速度快，拍攝廣距離遠，載荷大，采集到的影像信息只能提點基本概況，起飛降落都需要比較空曠的場地，適合林業和草場監測、比較適合林業和草場監測、礦山資源監測等領域的應用。因此，該機型適用于進行大范圍監測。

無人直升機相比能夠垂直起降，適應性強，不需復雜的起飛與降落輔助設備，可在狹窄的場地和艦船上垂直起降。但是無人直升機的調試、操作和控制需要相對專業的人員負責，熟悉飛行控制原理，甚至要求有直升機飛行操控經驗，以便降低無人直升機的非技術手段消耗和確保后期的保養維護。

多旋翼無人機特點在于成本低，小巧輕便，操作簡單，可代人員登打，目前均為電動，在人工遙控控制下可以現實精確穩定的懸停，而且操作簡單、機動靈活，使用和維護成本低，不需要復雜的地面保障設備。因此該機型一般用于替代人力巡航，適合于承擔精細的作業任務，完成對桿塔零部件的狀態巡航。綜上，無人機庫區巡航方案的機型選擇多旋翼無人機。

2.2 庫區巡航應用方案研究

庫區環境主要由水工建筑物、附屬建筑物、山體航道、及其附屬設施組成的，有巡檢對象多，范圍大的特點，結合多旋翼無人機性能特點。無人機巡檢系統主要設計包括地面站測控、數據傳輸、采集數據處理、缺陷診斷四大大主要模塊，另外二次開發附加無人飛行避障功能。

無人機在巡線前，操作人員在地面顯示器上標注巡檢的任務點，按照地面控制端的路徑規劃，依據續航能力和實時路徑規劃技術對所選任務點進行最優巡檢路徑分析，并在模擬庫區地圖場景基礎上展示地圖路徑；巡線中控制端實時觀看無人機實時圖像并通過圖傳地面站監測，拓展精準懸停拍照功能，巡航視頻錄制后處理，可進一步背景建模達到目標檢測的效果。

3. 方案關鍵技術

3.1路徑規劃

路徑實時規劃技術是指無人機在飛行或懸停過程中能夠實時的判斷當前所處位置與所有巡檢點和起飛點的最優飛行路徑。該項技術可以實時的向無人機操作人員傳達路徑信息，規避無人機無法返航或因擔心電量返航過早返航。

3.2 圖像數據處理

由于無人機的圖傳系統從檢測端到地面測控端的最大傳輸距離是理想范圍5千米，因此以地面測控端為中心，無人機在半徑為5千米范圍內飛行可以保障拍攝到的圖像實時傳輸到測控端。庫區非法捕撈船只大部分是漁家小船，沒有規格，外表顏色不鮮明，無法對這類船只進行檢測。庫區巡檢其中一個主要目的只是為了取證，找到非法捕撈的船只，但從萬幀級別的的圖像畫面中無法找到非法目標，消耗精力，工作效率低，而無人機測控系統擴展船舶檢測技術采用視頻圖像處理技術對畫面中的異常狀況進行搜尋。因此，本項目從圖像處理的角度出發克服這一難題。

4. 結論

該方案已經初步在大頂子山庫區實驗初步取得良好的應用效果，隨著無人機巡航技術的發展，構想進一步研究完善無人機庫區巡航模式，發展有有爭對性的實現對庫區巡檢工作中從作業任務到飛行巡航計劃到分析結果的可視化全過程。

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