無人機無人船協(xié)同測量作業(yè)技術(shù)研究

孫愛國，熊榮軍，唐正濤，何小麗

（1.長江航道勘察設(shè)計院（武漢）有限公司，湖北 武漢 430040；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430040）

1 前言

《交通強國建設(shè)綱要》提出要推動交通發(fā)展由“依靠傳統(tǒng)要素驅(qū)動向更加注重創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變”，對照高質(zhì)量發(fā)展的根本要求，切實落實推動先進技術(shù)同長江航道測量作業(yè)的深度融合，緊跟無人技術(shù)裝備進展，加快推進無人機、無人船技術(shù)在航道測量中的應(yīng)用非常重要。近年來，無人機行業(yè)快速發(fā)展。傳統(tǒng)的地形測量工作難度大，對人力物力的要求比較高，而選用無人機進行測量不但測量速度快，而且適應(yīng)于許多復(fù)雜地形，所以當(dāng)前地形測量開始由傳統(tǒng)測量轉(zhuǎn)為無人機測量；而無人船作為一個運載平臺，可以在水域測量中承擔(dān)很多高風(fēng)險的任務(wù)，具有非常顯著的安全及成本優(yōu)勢。隨著無人機無人船一體化數(shù)據(jù)采集及融合的關(guān)鍵技術(shù)突破和應(yīng)用案例逐漸成熟，無人機無人船協(xié)同測量作業(yè)、無人船集群協(xié)同引導(dǎo)、航道地物要素信息自動化提取等研究成為新的發(fā)展趨勢。目前長江航道無人機、無人船整體應(yīng)用水平仍處于起步摸索階段，尚未形成體系，與國內(nèi)外先進應(yīng)用水平仍存在差距，應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式有待進一步拓展，為更好地發(fā)揮無人技術(shù)在航道測量中的應(yīng)用效能，進一步深入研究無人機無人船的協(xié)同測量作業(yè)機制和作業(yè)模式具有較強的應(yīng)用和推廣價值，具有重要的現(xiàn)實意義和顯著的經(jīng)濟社會效益。

2 無人機無人船協(xié)同測量的含義

本文研究的“無人機無人船協(xié)同測量”主要包括了3 個方面的協(xié)同內(nèi)涵：

（1）利用無人機遙感數(shù)據(jù)提取的水沫線及臨河建筑物邊線為無人船快速規(guī)劃測量計劃線提供輔助邊界條件，實現(xiàn)無人機與無人船測量作業(yè)之間的協(xié)同；

（2）利用無人船測量作業(yè)控制平臺向多艘無人船進行測量任務(wù)的分配及調(diào)配，使多艘無人船按照指令各自同時開展測量作業(yè)，實現(xiàn)多艘無人船之間的協(xié)同測量；

（3）利用無人機的遙感數(shù)據(jù)和無人船的水深數(shù)據(jù)進行水陸一體化的成圖，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)之間的協(xié)同。

3 研究內(nèi)容

（1）應(yīng)用基于無人機遙感數(shù)據(jù)的水沫線、臨河建筑物等地物要素信息的自動識別和提取技術(shù)，開發(fā)數(shù)字航道條件下內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理插件，提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率。

（2）研究利用無人機技術(shù)輔助無人船規(guī)劃航線，包括測區(qū)水沫線、障礙物等標(biāo)注，規(guī)劃精準(zhǔn)、安全的航線。

（3）研究無人船內(nèi)河航道協(xié)同作業(yè)控制技術(shù)，在一個平臺上同時控制多艘無人船的操作，包括任務(wù)統(tǒng)一分配、航線統(tǒng)一規(guī)劃等。

4 研究手段

4.1 地物要素信息的自動識別和提取技術(shù)

4.1.1 無人機遙感數(shù)據(jù)樣本庫構(gòu)建

樣本庫制作通過對收集到的多源、多尺度的不同區(qū)域的無人機遙感數(shù)據(jù)進行分析處理，經(jīng)過一系列的圖像處理步驟制作多尺度標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集和遙感數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，最終制作標(biāo)準(zhǔn)遙感數(shù)據(jù)樣本庫，并將其分為樣本訓(xùn)練集和樣本測試集兩部分。無人機遙感數(shù)據(jù)樣本庫構(gòu)建基于無人機正射影像和無人機傾斜影像實現(xiàn)，將目標(biāo)地物要素按照水沫線和臨河建筑物進行分類。正射影像作為一種數(shù)字測繪產(chǎn)品，同時具有幾何精度、數(shù)學(xué)精度和影像特征信息量大，內(nèi)容豐富，直觀真實。無人機傾斜攝影技術(shù)通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個側(cè)視等不同角度采集影像。相較于正射技術(shù)多了四個傾斜拍攝角度，從而能夠獲取更加豐富的側(cè)面紋理等信息。

圖1 無人機影像數(shù)據(jù)示意圖

表1 航道地物要素主要類型

4.1.2 深度學(xué)習(xí)建成區(qū)自動解譯提取

首先，利用高分辨率和對應(yīng)的標(biāo)記數(shù)據(jù)生成規(guī)定格式的樣本訓(xùn)練集。然后，針對無人機遙感數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計深度學(xué)習(xí)分割網(wǎng)絡(luò)模型。利用第一步構(gòu)建好的樣本，對模型進行訓(xùn)練。利用樣本測試集對完成訓(xùn)練后的模型進行測試，若測試不通過，則返回第二步修改網(wǎng)絡(luò)模型，若通過測試則模型訓(xùn)練完畢，可以進行地物自動分割，提取地物要素邊緣信息，具體流程如圖2 所示。

圖2 自動提取流程示意圖

圖3 測區(qū)邊界線生成

圖4 由導(dǎo)入的邊界線生成無人船自動規(guī)劃作業(yè)計劃線

4.2 利用無人機遙感數(shù)據(jù)規(guī)劃無人船作業(yè)計劃線技術(shù)

4.2.1 導(dǎo)入通過遙感數(shù)據(jù)提取的KML 數(shù)據(jù)

通過無人機無人船綜合管理平臺，將KML 文件加載到無人船作業(yè)計劃線規(guī)劃軟件中，生成水域測量邊界線，再由邊界線生成無人船自動規(guī)劃作業(yè)計劃線。

4.2.2 在控制軟件上實現(xiàn)水岸線、障礙物標(biāo)注，優(yōu)化作業(yè)計劃線

軟件通過算法判斷障礙物是靜態(tài)障礙物或動態(tài)障礙物，并在地圖上標(biāo)注，為避障決策提供依據(jù)。

4.2.3 無人船智能避障技術(shù)輔助作業(yè)計劃線優(yōu)化

在無人船規(guī)劃好作業(yè)計劃線后，由于受到水位變化、臨時障礙物等影響，給無人船協(xié)同控制調(diào)度帶來難度。本項目將通過無人船集成毫米波雷達，為協(xié)同軟件提供障礙物識別途徑。

如圖5，將多邊形測區(qū)范圍覆蓋測量水域、水中島嶼及其他障礙物。在無人船下水后切換自動模式，例如船從Home 位置下水朝“1 號航點”位置航行，在毫米波檢測到障礙物后，無人船向后面作業(yè)計劃線方向轉(zhuǎn)向繞過障礙物（此案例是向右轉(zhuǎn)向試圖繞過），當(dāng)船連續(xù)遇到障礙物并到達下一條測線則判斷為岸邊，拋棄1 號航點去2 號航點，見圖6。

圖5 障礙物標(biāo)注

圖6 作業(yè)計劃線切換

若航向2 號航點遇到連續(xù)障礙物，且3 號也在障礙物測，則拋棄2、3 航點去4 號航點（如圖5）。后續(xù)航行邏輯同上，無人船按照圖6 跑作業(yè)計劃線。若障礙物未覆蓋到下一條測線，則繞過障礙物繼續(xù)作業(yè)計劃線，具體見圖7 所示。

圖7 作業(yè)計劃線控制

圖8 無人船協(xié)同測量作業(yè)控制平臺

4.3 無人船協(xié)同測量作業(yè)技術(shù)

平臺基于無人機影像提取的水域岸邊線，根據(jù)協(xié)同無人船數(shù)量將區(qū)域劃分成多個小測區(qū)，分別將作業(yè)計劃線分配給多條無人船。各區(qū)域無人船獨自作業(yè)并將數(shù)據(jù)上傳給管理平臺。如有一艘無人船因故障等原因不能完成作業(yè)，重新將其區(qū)域內(nèi)剩余任務(wù)劃分給其他無人船繼續(xù)完成作業(yè)。為保障協(xié)同服務(wù)器兼容多廠家的無人船數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)管理，后續(xù)將制定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議，具體內(nèi)容包括：Sn 唯一識別號、無人船狀態(tài)數(shù)據(jù)、無人船作業(yè)計劃線規(guī)劃、無人船指令控制數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)透明傳輸通道等，通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)不同品牌的無人船協(xié)同控制。

5 結(jié)論及建議

（1）在地物要素信息的自動識別和提取方面，目前基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別和提取水沫線，但精度有待確認。下一步建議對洲灘、碼頭、航道整治建筑物、航標(biāo)燈等的臨河建筑物的信息提取增加樣本學(xué)習(xí)數(shù)量，進一步測試和驗證提取的效率和精度。

（2）在利用無人機正射影像數(shù)據(jù)規(guī)劃無人船測量作業(yè)計劃線方面，目前基本能夠?qū)崿F(xiàn)利用無人機正射影像數(shù)據(jù)提取水沫線，然后再利用水沫線規(guī)劃無人船的作業(yè)計劃線。下一步建議在水沫線提取的精度和速度方面進行進一步優(yōu)化。

（3）在無人船協(xié)同測量作業(yè)方面，目前具備了多艘無人船分組測量功能。下一步建議進一步測試驗證無人船之間的協(xié)同測量作業(yè)功能和智能再分配任務(wù)功能。