既有建筑外墻無人機檢測技術應用

■ 王俊偉 WANG Junwei 周 云 ZHOU Yun 趙 鴻 ZHAO Hong 楊 陽 YANG Yang

0 前言

紅外熱像法是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形，再反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得與物體表面熱分布場相對應的紅外熱像圖。通俗地講，紅外熱像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像。熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度，進而分析外墻的空鼓情況。

紅外熱像儀作為一種高效技術手段，近年來普遍應用于建筑外墻檢測中，取得了良好效果，為處理建筑外墻缺陷提供了重要的檢測分析報告。但在工程實踐中，由于儀器設備的精度、拍攝人員的專業程度、拍攝的角度、拍攝的距離、天氣的影響、缺陷本身的大小、深度、材料的特性等，可能會影響到基于紅外圖像分析識別建筑外墻缺陷的準確性和可靠性，造成局部識別的誤判、漏判等。如張德芳研究了不同紅外儀器、不同人員、不同拍攝距離和角度等對可靠性的影響（表1），得到“拍攝紅外熱像儀視準軸應盡可能垂直于被檢測面，可提高檢測質量的可靠性（準確率）”的結論[1]。

近年來，隨著無人機技術、設備的飛速發展，利用無人機搭載紅外熱像儀器拍攝建筑外墻，消除因拍攝角度、距離對缺陷識別的影響，成為可能。

表1 不同角度拍攝識別可靠性對比

1 無人機搭載紅外熱像儀的技術研究

為實現無人機搭載紅外熱像儀對建筑外墻缺陷的檢測，特別是高層建筑外墻的檢測，需要選擇合適的無人機平臺（需要考慮無人機自身及可搭載的重量、飛行高度、飛行時間）可供搭載的紅外熱像儀（傳統手持式的熱像儀重量較大，且無實現遠程控制的接口等無法直接安裝在無人機上使用），以及對無人機和紅外熱像儀器實現遠程控制的模塊。

1.1 無人機平臺的選擇

根據重量，無人機通常分為4種，即：微型（7 kg以下）、輕型（7～116 kg）、中型（116～5 700 kg）、大型（5 700 kg以上）。目前，民用無人機多為輕型或微型。針對高層外墻的檢測，擬采用微型無人機搭載紅外相機進行表面拍攝。為提高視頻處理的準確性，降低后期處理的難度，獲取的視頻圖像應穩定、清晰、無抖動。

市面上的無人機型號眾多，大疆無人機是其中較為穩定的一類。基于現有條件，選取大疆經緯M100無人機作為圖像采集平臺（圖1），其軸距650 mm，最大起飛重量3.6 kg，搭載FlirVue Pro相機時，可懸停20 min，滿足建筑外墻信息采集的時長需求。遙控器的信號有效距離為5 km，最大飛行高度為120 m，可滿足建筑外墻信息采集的低空飛行要求。

圖1 大疆經緯M100系列無人機平臺照片

1.2 紅外熱像儀的選擇

基于實際檢測要求，通過對市面上的紅外攝像儀性能比選，擬采用某品牌紅外相機（圖2）。該相機體積小，可輕易搭載在無人機上，其詳細參數見表2。

紅外相機搭配專用的三軸云臺連接（圖3）。使用時，需接好云臺的供電、視頻輸出、航向pwm、俯仰pwm 通道。云臺供電為12 V/DC、GND，通電后要保持水平姿態，直到云臺自穩定。

紅外熱成像機芯是定焦鏡頭，這樣就需要按照無人機與目標的平均距離進行對焦，使紅外圖像清晰、溫度信息準確。

1.3 無人機的安全控制

無人機在進行外墻檢測等相關作業時，存在一定安全隱患。在不排除極端特殊情況下，意外因素會造成無人機突然失控而從高空墜落，雖然有緊急安全處理模塊，但仍會具有一定危險性，可能對行人或過往車輛造成傷害。此時，需要被動安全模塊發揮相應作用，在其與桿和墻面相撞時，能夠有相應的防護模塊對無人機本身及其機載設備進行保護。

圖2 FlirVue Pro紅外相機

表2 某品牌紅外熱像相機的技術參數

此外，無人機在飛行作業時，遇風可能會改變無人機位置，使其偏離預設飛行軌跡，雖有自穩功能，但或多或少都需要調整。這時，加入主動安全控制模塊，可以提高飛行安全性，對無人機自身和設備實現主動安全防護。

1.4 紅外熱像儀器的遠程控制

選擇IR-H控制線路模塊為本系統機載相機控制模塊。IR-H是一款體積小巧、功能豐富的控制產品，適用于移動、聯通、電信4G 等網絡制式，以“透傳”及雙相機同步控制為功能核心，高度易用，不僅可應用于大疆經緯M100的外設雙相機遠程控制，也可用于其他機載設備的遠程控制。其支持大部分的外設接口，對于基本的遠程雙相機控制，用戶只需要通過簡單的設置，即可實現手機端或網頁端的遠程雙相機控制，若需要控制其他外設，需通過keil等單片機軟件編寫程序，進行開發。

圖3 無人機搭載的紅外照片拍攝模塊

圖4 控制模塊測試數據拓撲圖

IR-H實現機載雙相機與地面站，進行遠距離（運營商網絡）同步控制而開發的產品，通過簡單的設備號查找，即可輕松使用本產品實現機載雙相機的同步控制。IR-H及其專用的相機FlirVue Pro與Firefly 5s等配件的測試數據拓撲圖見圖4。

2 無人機搭載紅外熱像儀的應用實踐

2.1 現場測試

利用購置的無人機及電池組、紅外相機、控制模塊等組裝完成了整套設備，并現場進行飛行測試，初步實現了無人機搭載紅外熱像儀對外墻進行檢測的目標（圖5）。

利用無人機搭載紅外熱像儀器、高清數碼照相機，可以實現拍攝外熱像儀垂直于被檢測面，可以調整拍攝距離，采用廣角鏡頭可以實現完整檢測面拍攝；還可以通過控制無人機近距離觀察墻面是否存在開裂、滲漏、起殼等等在較遠距離無法觀察的情況（圖6）。

目前，利用無人機搭載紅外熱像儀系統拍攝的紅外圖片尚未實現自動分析，暫時以設備自帶的存儲卡進行存儲，拍攝完成后，再經人工分析處理。

2.2 分析處理

經實際工程測試，初步實現了無人機搭載紅外熱像儀對外墻進行檢測的目標。利用無人機搭載紅外熱像儀器、高清數碼照相機，可以實現拍攝外熱像儀垂直于被檢測面，可以調整拍攝距離；同時，當采用廣角鏡頭時，可以實現完整檢測面的拍攝；此外，還可以通過控制無人機近距離觀察墻面是否存在開裂、滲漏、起殼等等在較遠距離無法觀察的情況。

對比分析手持紅外熱像儀和無人機搭載紅外相機拍攝的照片（圖7、8），結果表明，無人機搭載紅外相機、數碼相機在控制拍攝位置的高度、水平距離等方面有著明顯的優勢，可以降低因仰角過大等問題造成的漏判（如圖8藍圈所示為仰角拍攝漏判部位）或錯判的可能，提高準確性。

圖5 無人機搭載紅外相機現場檢測照片

3 結語

圖6 無人機搭載紅外相機、數碼相機拍攝的紅外、數碼照片

圖7 手持紅外熱像儀仰角拍攝的紅外照片及處理結果

圖8 無人機搭載紅外熱像儀水平拍攝的紅外照片及處理結果

綜上所述，本文利用無人機搭載紅外熱像儀、數碼相機，實現了高空下對外墻進行水平檢測的目標，可解決視角、距離等帶來的準確性降低的問題。但是，在實踐中，我們也發現無人機搭載紅外相機檢測技術尚存在一些問題，需進一步研究優化。如：①無人機本身特性，包括飛行的安全性、穩定性、持續時間、無人機載重等，需要從市場上現有的無人機設備尋找更加合適的機型；②無人機的遠程控制，主要包括無人機網格化定點巡航、懸停拍攝等，如何自動實現較為準確的定位及記錄是需要進一步解決的問題；③對于紅外熱像儀的遠程控制，目前可用于無人機搭載的紅外相機較少，FLIR紅外相機拍攝的紅外圖片分析處理效果不夠理想，且無法實現同時拍攝紅外圖片及對應的數碼照片，造成紅外圖片和數碼圖片的對應存在問題；④利用無人機搭載紅外熱像儀系統拍攝的紅外圖片尚未實現自動分析，如能進一步實現數據的采集、存儲、實時的分析處理及結果的傳輸，則能進一步提高效率。