基于雙目視覺的橋梁檢測無人機兩軸云臺設計與實現(xiàn)

王雨峰

摘 要：隨著航拍和遙感技術的發(fā)展，無人機應用技術得到快速發(fā)展，并在眾多領域取得廣泛應用。采用無人機橋梁檢測輔助常規(guī)檢測，可有效提高橋梁檢測效率，并保證檢測數(shù)據(jù)的準確性和持久性。本文針對橋梁檢測的特殊需求，采用雙目視覺技術替代傳統(tǒng)單目測量，提高測量精度；設計兩種新型云臺，實現(xiàn)無人機懸停橋梁底部，垂直向上拍攝的工程需求，并實驗對比兩種云臺的綜合性能。

關鍵詞：雙目視覺；橋梁檢測；無人機；云臺設計

中圖分類號：TP49 文獻標識碼：A

0.引言

橋梁是我國交通重要的基礎建設工程，關乎社會與經(jīng)濟的和諧發(fā)展。橋梁建設的投入巨大，因此保障橋梁安全耐用至關重要。橋梁檢測是橋梁管理的基本工作，常規(guī)的檢測手段主要是依靠肉眼觀察或橋檢車、望遠鏡等輔助工具，對橋梁主要構件進行檢查，以便及時發(fā)現(xiàn)橋梁開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。

隨著航拍技術、遙感技術的不斷發(fā)展，無人機應用技術作為一門新興的綜合性技術，在我國國防建設、地質(zhì)勘測、電網(wǎng)巡視、高速公路巡查、氣象檢測、森林防火、海事巡邏等軍用與民用技術領域獲得廣泛應用，成為提高效率和提升產(chǎn)業(yè)規(guī)模水平發(fā)展的重要工具。無人機根據(jù)其結構分為固定翼、直升機和多旋翼三大類。多旋翼無人機因平穩(wěn)性好、結構簡單及性價比高等優(yōu)勢成為無人機橋梁檢測的首選。采用無人機橋梁檢測，不僅解決了傳統(tǒng)橋梁檢測費錢耗時、難度大、危險系數(shù)高等難題，而且保證了檢測數(shù)據(jù)的準確性和持久性，提高橋梁檢測效率。

橋梁底部由于受力不均、風雨侵蝕，最容易發(fā)生破損開裂的病害，因此橋梁檢測中需要測量破損開裂的面積和裂縫長度寬度等，涉及不規(guī)則形狀的精確計算，且精度需達到0.1mm。除了人工測量外，基于機器視覺的測量技術得到研究與應用。目前無人機搭載單目高清攝像頭，受云臺限制，只能向下或側面拍攝。而實際檢測中，需要無人機懸停于橋梁下方，垂直向上拍攝橋梁底部大面積病害情況，以便做到精確計算。

1.基于雙目視覺技術的橋梁裂縫測量系統(tǒng)

傳統(tǒng)單目拍攝及圖像處理是基于二維平面的計算方法，而攝像頭拍攝的圖像僅僅是真實物體的平面投影，存在較大的誤差。為滿足橋梁檢測中0.1mm的精度要求，基于雙目視覺技術測量系統(tǒng)，通過模擬人眼觀察，還原物體的空間真實尺寸，進而有效保證測量的精度。

1.1 雙目視覺技術工作原理

雙目視覺技術是仿照人眼觀察原理、利用兩個攝像頭，從不同角度同時獲取同一目標圖像，通過計算目標在圖像的視差獲取目標的準確三維坐標值。

平行放置的雙目視覺模型是最理想的，如圖1所示。其中，OL、OR分別是左右兩個攝像頭的坐標系原點，又稱光心，ZL、 ZR是光軸；光心之間連線為基線，長度為b；攝像頭成像平面的原點與其光心距離為焦距。理想模式中，兩攝像頭完全相同，焦距為f，光軸平行。由此建立三角幾何對應關系為：

（1）

其中， （xw，yw，zw）為目標P點的坐標。記 d=xl-xr，即為 P點的雙目視差。由此可知，只要得到空間任意點在左右兩個攝像頭成像平面上的圖像坐標、焦距和基線，即可求得目標點的三維空間坐標。

1.2 橋梁裂縫測量系統(tǒng)組成

基于雙目視覺技術的橋梁裂縫測量系統(tǒng)由圖像采集、處理和計算組成，利用兩個CCD相機獲取橋梁底部圖片，運用計算機處理自動識別出裂紋圖像，并對分離出來的裂紋進行計算獲取三維點坐標，從而實現(xiàn)更加精確的計算。相比傳統(tǒng)人工測量，具有更加快捷安全、直觀精確、靈活性高、成本低廉等優(yōu)點，具有較好應用前景。

方案選用CC3D飛控操作QAV250機架的小型無人機，將兩個700線高清攝像頭，以中心距10cm固定在云臺上，攝像頭垂直向上，滿足橋梁底部拍攝要求；搭載兩套5.8G圖傳和RC832接收機同時采集兩個攝像頭拍攝的圖像。雙目相機需經(jīng)過標定才能保證精度，其標定過程就是確定三維空間點到二維平面點的映射矩陣的過程。

所采集圖像需進行預處理，包括圖像壓縮、圖像去噪、圖像增強。經(jīng)過處理后的圖像，可清晰呈現(xiàn)裂縫。通過對同一組圖像中裂紋寬邊或左右像素點進行匹配，可計算空間兩點的三維坐標（X，Y，Z）和（U，V，W） 。進而根據(jù)三維歐氏距離公式：

（2）

計算兩點之間距離。

2.無人機兩軸云臺設計

無人機的安全性、穩(wěn)定性、可操作性是航拍基礎；相機的畫質(zhì)直接影響航拍的作品，兩者缺一不可。由于無人機飛行姿態(tài)變化、自身的震動以及外界氣流擾動都會影響到成像質(zhì)量，又受限于無人機的載重與功耗，因此必須選用重量輕、結構簡單的云臺，以穩(wěn)定視軸、隔離干擾，保證橋梁檢測精度。

2.1 云臺系統(tǒng)總體設計

如圖2所示，云臺系統(tǒng)由控制器、姿態(tài)反饋元件、執(zhí)行元件以及框架結構4個部分組成，采用64引腳LQPF封裝的TMS320F28035作為主控芯片，集成有三軸陀螺儀、三軸加速度計的慣性傳感器MPU6050作為姿態(tài)反饋，分別選用伺服舵機和2204無刷電機，與L6234電機驅動器組成執(zhí)行元件。

如圖3和圖4所示，根據(jù)橋梁檢測特殊需求，設計了伺服舵機云臺和無刷電機云臺。云臺由俯仰和橫滾兩軸組成，整體重點較低，具有一定自穩(wěn)特性；底座采用減震球與機身相連，減少機身震動對云臺的影響；相機平臺以中心距10cm固定兩個高清攝像頭，同時固連姿態(tài)反饋元件。

2.2 驅動選擇

根據(jù)云臺功能實現(xiàn)需要可選擇伺服舵機、步進電機、直流無刷電機，其中伺服舵機驅動簡單、質(zhì)量輕、體積小、驅動力矩大，是普通云臺的首選；而相同質(zhì)量的進步電機由于力矩太小，較少使用；直流無刷電機隨著技術發(fā)展，體積越來越小，逐漸應用于新型云臺。

舵機由電子控制電路板、空心杯電機、減速齒輪組和旋轉電位計組成，其中空心杯電機具有轉動慣量小的優(yōu)點，即傳動順滑，可保障云臺穩(wěn)定過程中精確控制；而減速器由于齒輪間存在間隙，會造成回差影響穩(wěn)定效果，因此需選用精度較高的減速齒輪。此外可將舵機控制電路隔離，直接連接至云臺控制，以提高控制頻率。endprint

2204無刷電機型號為MY-2813C，其定子直徑22mm，定子厚度4mm，槽數(shù)12，極數(shù)14，重量22g。無刷電機中定子繞組產(chǎn)生的每個磁場矢量與轉子空間位置對應，因此根據(jù)轉子空間位置，控制相應繞組相電流大小和方向，產(chǎn)生磁場矢量，以補償轉子隨機體的運動，從而使其空間位置固定。

2.3 框架結構的3D打印

本文設計的云臺框架結構是目前市面無法購買的，為了實現(xiàn)質(zhì)量輕、結構合理、強度適宜的要求，所以采用3D打印進行定制。3D打印實現(xiàn)周期短、成本低、柔性制造、所見所得和高度集成化等優(yōu)勢，讓三維設計模型直接到樣件的原型產(chǎn)品，大大縮短制造時間和成本。此外，3D打印技術為云臺造型優(yōu)化和尺寸變化、攝像頭及電機的更換提供了無限可能，根據(jù)無人機尺寸和載荷變化，設計更合理的云臺，提高穩(wěn)定性，保證測量精度。

2.4 云臺運動補償控制器

無人機在飛行中不可避免對云臺造成影響，因此需運用運動補償控制器加以補償。

定義機體坐標系 obxbybzb，相機云臺中心坐標系ocxcyczc，兩圖像平面中心坐標系oiyizi。無人機機體角速度 與引起的云臺姿態(tài)角速度 間的關系為：

根據(jù)工程需要，二自由度云臺系統(tǒng)滿足橋梁檢測的要求，可作俯仰和橫滾運動，故當目標相對兩圖像中心位置偏差 時，為了使其處于兩圖像中心位置，云臺應該調(diào)節(jié)的角度：

利用無人機自身的姿態(tài)感應裝置感知機體角速度，設采樣間隔為 Δti，可得云臺控制系統(tǒng)誤差為：

最后把無人機的速度和角速度作為云臺控制器的輸入，引入PID云臺穩(wěn)定控制器。通過 PID 控制算法得到控制量驅動相應軸的電機轉動，隔離載體的角運動，穩(wěn)定云臺，為目標標定和拍攝提供可靠的保證。

3.實驗對比

通過模擬橋梁檢測的飛行實驗，兩種云臺設計方案均能較好地滿足工程需求，從云臺的轉動速度、轉動角度、載重、環(huán)境指標、回差和可靠性等方面進行對比，結果見表1，可知伺服舵機云臺結構強度好、力矩大，適用于大中型無人機，以承載更重的高清相機；而無刷電機云臺結構簡單、無機械回差，適合于小型無人機，搭載微型高清攝像頭。

表1 兩種云臺性能對比

類型 伺服舵機云臺 無刷電機云臺

轉動速度 力矩大，轉動速度快 轉動速度固定，較穩(wěn)定

轉動角度 滿足飛行中調(diào)節(jié)的需要，但受限于相機云臺尺寸和距機身的距離

載重 載重大，受限舵機齒輪連接處 載重小，受限電機螺栓連接處

環(huán)境指標 電機內(nèi)置，可防塵防水 電機外露，需謹防雨霧侵蝕

回差 回差在啟動或停止時較大 無機械回差

可靠性 可靠性良好，均能滿足實驗需要

結語

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，基于雙目視覺的無人機橋梁檢測系統(tǒng)提高了測量精度，同時新的云臺設計滿足橋梁底部垂直向上拍攝的需求，通過運動補償保障了云臺平穩(wěn)轉動和圖像采集的清晰。因此，無人機將會越來越多的應用于橋梁檢測，成為未來橋梁管理重要補充手段，極大提高橋梁檢測的效率，維護橋梁結構安全，確保橋梁經(jīng)久耐用。

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