基于無(wú)人機(jī)航攝影像技術(shù)的工業(yè)堆狀體測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江熾

摘要：近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使其具備有操作靈活、性能優(yōu)越等特點(diǎn)，飛行距離得到大幅提升，同時(shí)還能搭載高清相機(jī)模塊，這都為無(wú)人機(jī)航攝影像技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文主要設(shè)計(jì)一套基于多旋翼無(wú)人機(jī)的工業(yè)堆狀原料測(cè)量系統(tǒng)，并體積計(jì)算的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可行性分析為工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);堆狀測(cè)量;航空攝影;三維建模

中圖分類(lèi)號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）11-0148-02

0 引言

隨著無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量技術(shù)高速發(fā)展和日益完善，其在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到較大范圍的普及和應(yīng)用。工業(yè)堆狀原料的體積測(cè)量一直以來(lái)都是火力發(fā)電、鋼鐵等企業(yè)的重要任務(wù)，利用無(wú)人機(jī)航攝影像技術(shù)對(duì)工業(yè)堆狀原料進(jìn)行盤(pán)存也成為一個(gè)減少成本、提高效率的有效途徑。

1 無(wú)人機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機(jī)。從某種角度來(lái)看，無(wú)人機(jī)可以在無(wú)人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和多種負(fù)載任務(wù)，可以被看作是“空中機(jī)器人”。

從1908年世界上第一架無(wú)人機(jī)問(wèn)世，至今已有一百多年的歷史。無(wú)人機(jī)具有設(shè)計(jì)靈活、體積小、重量輕;續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，空間利用率高，載荷能力強(qiáng);安全系數(shù)高，自主控制能力強(qiáng);無(wú)人員傷亡，可在高風(fēng)險(xiǎn)空域飛行等優(yōu)點(diǎn)，在軍民領(lǐng)域均得到了廣泛的發(fā)展。

無(wú)人機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域可分軍用、民用專(zhuān)業(yè)級(jí)和民用消費(fèi)級(jí)三類(lèi)。其中民用專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)是以民事用途為目的而研發(fā)生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)，由于無(wú)人機(jī)成本相對(duì)較低、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等的優(yōu)勢(shì)，使得無(wú)人機(jī)在高壓輸電線路巡視、油田管路檢查、高速公路管理、森林防火巡查、地質(zhì)測(cè)量、毒氣勘察、緝毒和應(yīng)急救援、救護(hù)安防（公安、武警、消防、海事等政府部門(mén)應(yīng)用）、航空拍照、等民用領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊[1]。

2 工業(yè)堆狀原料盤(pán)存測(cè)量技術(shù)

（1）堆狀體測(cè)量的技術(shù)難點(diǎn)。在火力發(fā)電和鋼鐵等企業(yè)，大多有著面積大、廠區(qū)多、人員多、設(shè)備多、工作環(huán)節(jié)多等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得其管理難度也非常大。比如料場(chǎng)管理，就包括煤場(chǎng)、原料場(chǎng)（雜礦、精粉、混勻料、球團(tuán)等）等，并分布在煉鐵廠、焦化廠、原料廠等多個(gè)廠區(qū)，地理位置不夠集中，相距較遠(yuǎn)。工業(yè)堆狀原料的體積測(cè)量，在火電、鋼鐵冶金等行業(yè)是一項(xiàng)非常重要的工作，行業(yè)內(nèi)也一直在不斷嘗試新技術(shù)新方式來(lái)解決該問(wèn)題。

（2）常用的傳統(tǒng)堆狀體測(cè)量技術(shù)。常用的堆狀體測(cè)量技術(shù)包括：卷尺丈量法、皮帶稱(chēng)量法、自動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)量、激光掃煤儀測(cè)量等方法[2]。卷尺丈量法即傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法。該方法主要是把堆狀體推成規(guī)則便于測(cè)量的形狀，通過(guò)卷尺進(jìn)行，誤差大，效率低;皮帶稱(chēng)量法，通過(guò)在皮帶上安裝稱(chēng)重傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，通常只是在進(jìn)、出貨過(guò)程中采用，且周期長(zhǎng)，需要較大場(chǎng)地，也是目前最為常見(jiàn)的測(cè)量方法;自動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀、脈沖超聲測(cè)距傳感器和計(jì)算機(jī)是該系統(tǒng)主要的三個(gè)組成部分組成，主要是對(duì)堆狀體存儲(chǔ)量的計(jì)算、數(shù)據(jù)的處理和堆狀體堆積形狀的測(cè)繪，成本高且具有不確定因素干擾;激光掃煤儀，利用了超聲波或激光通過(guò)不通介質(zhì)的時(shí)候具有不同反射這一特性，通過(guò)對(duì)堆狀體每一小段斷面的掃描，得出掃描該斷面的成果，最后，將所有測(cè)量數(shù)據(jù)傳到微機(jī)中進(jìn)行分析、平滑等方式，再通過(guò)積分的方式算出該堆狀物的體積。

3 基于多旋翼無(wú)人機(jī)的堆狀體測(cè)量系統(tǒng)

本文主要研究設(shè)計(jì)基于多旋翼無(wú)人機(jī)的堆狀體測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)航線規(guī)劃，對(duì)無(wú)人機(jī)所采集的廠區(qū)航攝影像進(jìn)行處理，從而形成廠區(qū)正射影像圖和三維模型圖，按照相應(yīng)算法，對(duì)堆狀體的體積進(jìn)行估算。如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)由六旋翼無(wú)人機(jī)飛行器、三軸自穩(wěn)云臺(tái)、測(cè)繪相機(jī)載荷、高精度GPS定位單元、專(zhuān)用圖像傳輸單元、地面工作站、地面顯示單元、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

（1）空中部分。主要由飛行器和相機(jī)模塊組成。

飛行器采用六旋翼無(wú)人機(jī)，在無(wú)人機(jī)飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考量其總體尺寸、自重以及載荷重量，搭配經(jīng)過(guò)槳效測(cè)試的最適合的電機(jī)和螺旋槳，保證將無(wú)人機(jī)整體的動(dòng)力效能發(fā)揮到最大。無(wú)人機(jī)上同時(shí)配備自主研發(fā)的飛控系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確地控制無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)。

相機(jī)模塊采用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪高清微單相機(jī)，省去了采集圖片矯正、校準(zhǔn)等過(guò)程，能夠用于廠區(qū)白天時(shí)段的巡視巡檢，通過(guò)高空視角將廠區(qū)內(nèi)實(shí)景畫(huà)面實(shí)時(shí)傳輸至地面工作站，供管理人員及時(shí)獲取各處的情況，并可以拍攝廠整體影像，經(jīng)過(guò)業(yè)內(nèi)拼接軟件和三維建模軟件后，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量區(qū)域全貌的實(shí)景整體拼接以及實(shí)景三維建模。

（2）地面部分。地面控制站由計(jì)算機(jī)和地面監(jiān)視屏組成，主要分為發(fā)送和接收兩個(gè)部分功能。

在發(fā)送功能方面，地面站具備航線規(guī)劃（最大航點(diǎn)數(shù)250）、飛行控制、載荷控制等功能，可以實(shí)時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、飛行路線、相機(jī)采集等任務(wù)進(jìn)行操控;

在接收功能方面，地面站具備飛行數(shù)據(jù)記錄分析、飛行狀態(tài)顯示等各種功能，可以實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)飛行高度、飛行速度、經(jīng)緯度坐標(biāo)、電池電量等內(nèi)容，并可以遠(yuǎn)程接收影像。

（3）軟件部分。主要分為飛控軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。

飛控軟件具備一鍵起飛、航線規(guī)劃、一鍵懸停、一鍵返航、一鍵降落、低電自動(dòng)返航、控制信號(hào)丟失返航、飛行器狀態(tài)顯示等基本功能，同時(shí)為測(cè)量應(yīng)用設(shè)置了自動(dòng)拍照和斷點(diǎn)繼續(xù)等功能。

數(shù)據(jù)處理軟件主要具備圖像拼接、三維建模、體積計(jì)算三大塊功能，將相機(jī)采集的影像導(dǎo)入拼接軟件中，自動(dòng)生成廠區(qū)并生成正射全景影像;通過(guò)正射影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)云匹配，形成廠區(qū)整體三維實(shí)景模型;根據(jù)模型的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)算法，輸出料堆體積數(shù)據(jù)、料場(chǎng)圖片標(biāo)號(hào)并將相關(guān)數(shù)據(jù)放在指定存儲(chǔ)位置，供其他系統(tǒng)進(jìn)行提取調(diào)用。

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)量

實(shí)驗(yàn)測(cè)量以某鋼廠的六條煤堆的廠區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，形成廠區(qū)整體視圖，并對(duì)其中若干子堆體積進(jìn)行測(cè)量。

4.1 規(guī)劃航線進(jìn)行拍攝

對(duì)于建筑、不規(guī)則物體的航空測(cè)量，建議采用多拼相機(jī)模塊進(jìn)行航攝，以保證側(cè)面紋理的清晰。是本次實(shí)驗(yàn)為堆狀煤堆，形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)表面紋理要求不高，因而擬采用單相機(jī)模塊進(jìn)行拍攝[4]。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)低空攝影的影像航向重疊度為60%，旁向重疊為30%，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的勘探和四周距離的測(cè)量，并集合重疊度的相關(guān)要求，規(guī)劃出往返的實(shí)際航線。當(dāng)無(wú)人機(jī)接收到起飛的指令后，即開(kāi)始根據(jù)飛行高度和飛行速度自動(dòng)計(jì)算拍照頻率，保證航向照片相鄰的兩張高度的重疊率，保證后續(xù)在對(duì)照片數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接以及生成三維數(shù)據(jù)的過(guò)程中，數(shù)據(jù)具備相當(dāng)高度的準(zhǔn)確性。此次作業(yè)共采集15個(gè)影像組的109張影像

4.2 三維重構(gòu)

在原始數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)業(yè)內(nèi)處理軟件的進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算，構(gòu)建料場(chǎng)整體的整體正射全景圖和三維實(shí)景全景圖，可定期更新，用于料場(chǎng)整體管控。進(jìn)一步通過(guò)幾何定位的原理解析出堆場(chǎng)各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，輸出高密度的點(diǎn)云文件以及高程渲染圖[5-6]。

4.3 計(jì)算體積和工程管理

通過(guò)三維建模的方式，對(duì)堆場(chǎng)進(jìn)行三維圖形繪制和體積計(jì)算，最后可針對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行可視化分割，并自動(dòng)生成盤(pán)存報(bào)表。

4.4 測(cè)量結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，圖2區(qū)域點(diǎn)云數(shù)為347192，堆1點(diǎn)云數(shù)為42420，堆2（紫色區(qū)域）點(diǎn)云數(shù)為304772。最終計(jì)算的結(jié)果為堆1體積5160.494m3，堆2體積為29850.341m3。測(cè)量數(shù)據(jù)與廠方提供數(shù)據(jù)誤差在工程允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次研究主要利用自主研發(fā)的無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)、影像技術(shù)和后期數(shù)據(jù)處理技術(shù)，高效的測(cè)量工業(yè)堆狀原料的體積，具有很好的推廣價(jià)值。后期，還可以通過(guò)對(duì)航空測(cè)量的進(jìn)一步改進(jìn)和對(duì)處理算法的進(jìn)一步優(yōu)化，提高測(cè)量精度，降低測(cè)量成本。

參考文獻(xiàn)

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Design of Industrial Heap Measurement System Based on UAV Aerial

Photography Technology

JIANG Chi

（Wuhan University of Technology，Wuhan? Hubei? 430070）

Abstract：In recent years， the rapid development of the technical of unmanned aerial vehicle （UVA）makes it has the flexibility of operation and superior performance. Not only the flying distance has been improved by a large margin， but also the high-definition camera can be carried in it， which all lay the foundation of the application and popularization of the UAV aerial photography technology in the industrial circle. This article focuses on designing the industrial reactor material measuring system based on multicopter， making the feasibility analysis of mathematic model for volume calculation， and providing reference for the application in the industrial circle.

Key words：unmanned aerial vehicle （UVA）;reactor material measuring system;aerial photograph;three-dimensional modeling