無人機在黃河工程建設中的應用

周萬軍 ，馬曉靜 ，馬 強

（1.山東黃河河務局，山東 濟南 250011；2.山東大學工程管理與控制學院，山東 濟南 250000；3.山東黃河河務局工程建設中心，山東 濟南 250000）

當前國家正大力提倡支持科技創新，并在各行各業推進信息化以及智能化的發展。隨著無人機技術的不斷發展，其在不同行業的應用也不斷增多，通過將無人機應用于黃河防洪工程建設監管，可以方便監管者對工程建設全過程有更加直觀的掌握，從而實現對工程現場的全方位監管，可以最大程度地提高監管效率，減少人力物力財力的浪費。

1 無人機監管系統概述

近年來，隨著無人機技術逐漸成熟，且考慮到其安全性、高性價比以及機動性等優點，越來越多的專業項目開始采用無人機來代替人力完成，其最大的作用就是實現對地面信息的空中采集。通過無人機攜帶的高清攝像頭以及GPS定位系統等設備，可以實現對地面信息的實時采集并回傳至地面站，再配以相應的影像數據處理軟件，可以實現對所采集影像數據的數字化處理，從而實現數字化、智能化監管。

黃河防洪工程建設監管的主要任務有：一是保證工程現場施工設備等的安全運行；二是保證施工人員按照各項規章制度和技術標準來實現工程的正常實施；三是保證施工現場施工進度。為了實現以上3項主要任務，在黃河防洪工程建設中采用了無人機監管系統來替代人力完成部分工作，本系統所采用的無人機監管方式，主要流程如下：

1）人工提前對待監管地區進行航跡規劃，并將無人機巡檢路線提前載入到無人機飛控。

2）無人機按照預設的時間定時起飛，并按照預設航線和作業方式自主導航進行作業，作業過程中可實現智能避障。

3）無人機將采集的影像實時傳輸至智能起落站中轉，最終至控制室操作中心并上傳至云端。

4）巡檢任務完成或電池續航能力不足時無人機自動返回智能起落站并更換電池。

5）回傳影像至上位機經軟件處理后可得到工程管理所需數據，監管人員也可直接觀看無人機采集的影像信息實現遠程臨場監管。

6）作業過程中可由人工更改飛行路徑，比如可以實時進行感興趣區域的補拍、興趣點環繞等。

2 無人機監管系統設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊是整個系統的核心模塊，主要由無人機及其搭載的數據采集裝置及相關設備組成，其主要功能是通過搭載的高清攝像頭等設備對施工現場進行影像數據采集，并通過無線圖傳數傳等數據傳輸模塊將采集的數據實時傳輸至地面站及控制中心。

本系統選用大疆創新公司生產的經緯M100無人機作為開發平臺，該無人機向開發者開放軟件開發工具包 （Software Development Kit，SDK），通過其提供的開放式硬件接口以及軟件應用編程接口，可以自己設計無人機的外接硬件并通過編寫程序調用SDK實現對無人機的二次開發，從而實現不同功能。通過M100無人機，可以不必在無人機的飛行姿態等基礎技術上耗費過多的時間和精力，將更多的精力放在系統所需功能的實現上。本系統要求無人機具有自主導航、智能避障、實時信息采集及傳輸等功能，通過對M100無人機的二次開發，可以實現以上功能。

2.2 數據傳輸與存儲模塊

數據的傳輸與存儲模塊是連接數據采集模塊和數據處理模塊的橋梁，高效穩定的數據傳輸可以保證系統工作的實時性和高效性，而可靠的數據存儲則可以為數據處理提供數據支持。

本系統選用大疆的Lightbridge高清圖像傳輸系統作為無人機與地面站之間的圖像傳輸模塊，其圖像傳輸距離可以達到5.0 km，再加以分布在工地附近的數據傳輸中繼模塊，可以將數據通過分級傳輸的方式實時傳輸至地面站。

數據的存儲可以分為實時數據存儲和歷史數據存儲：實時數據存儲是指無人機攜帶的高清攝像頭采集的現場信息可以存儲在自帶的存儲卡內部，但這樣的存儲方式存儲容量有限，只能存儲短時間的數據；歷史數據存儲是指將無人機實時回傳至地面站的數據上傳至云空間，這樣既可以實現數據的安全存儲，也可以為將來形成黃河防洪工程建設大數據打下一定的數據基礎。

本系統還搭配有無人機智能起落站，可以為無人機自動起落、無人機保護等功能提供地面支持，從而真正實現監管系統的無人值守。對于無人機的自動起飛，選用STM32嵌入式開發板作為機載設備與無人機飛控進行通訊，在預設時間實現對無人機自動起飛SDK的調用。而當無人機飛行任務結束時，通過GPS定位和視覺定位相結合的方式實現無人機的二級定位，從而保證無人機能夠精準降落至起落站預設區域。

為了保證無人機的長時間無人化作業，智能起落站還具有無人機自動續航功能。目前常見的無人機自動續航方法主要有自動更換電池和自動充電2種方式，考慮到自動充電的技術難度以及充電時間成本，最終選用自動更換電池的方法實現自動續航。本系統選用的無人機電池采用卡扣式固定在無人機電池倉內，當無人機精準降落至智能起落站之后，通過相應的機械裝置將其固定防止出現位移，進而通過機械抓手實現對饋電電池的取出并放至充電插板上，然后將充滿電的電池插入無人機電池倉，完成電池的自動更換。

2.3 數據處理模塊

數據處理模塊是整個系統的大腦，主要是應用遙感數據處理軟件來實現對無人機所采集的影像數據的處理，從而得到施工現場的二維數據及三維數據，進而對相關數據進行分析，得到黃河防洪工程建設相關的工程數據，真正實現黃河防洪工程建設的數字化監管。

為了保障本系統的長期穩定運行，并且便于系統后期對遙感影像數據處理軟件的二次開發以生成專門針對黃河遙感信息處理的軟件平臺，本系統選用航天宏圖公司研發的遙感數據處理軟件PIE作為數據處理軟件。

數據處理功能主要是通過對無人機所采集的影像數據進行畸變差糾正及拼接處理，進而通過空三加密，生成數字正射影像圖、數字高程模型等，從而供使用者進行數據分析與處理。

目前已經將該數據處理軟件應用于影像去霧霾、三維地形景觀構建、影像數據拼接等不同方面，通過這些不同功能，可以進一步生成監管者所需的地形面積、體積等現場數據，有利于實現監管的智能化、數字化。

3 結語

將無人機應用于黃河防洪工程建設監管過程中，是一項極具創新性的課題，該系統集自動化與智能化于一體，可以極大程度上提高監管者的工作效率，降低工程監管中的人力物力財力支出，提高工程實施人員的工作質量。

[1] 劉向陽.山東黃河水利工程管理機制研究[D].山東師范大學,2015.

[2] 張鳳,孫哲,孟彬.一種基于特征點的移動機器人路徑規劃算法 [J].Journal of Shenyang Jianzhu University Naturalence,2009,25(6)：1212-1216.