基于雙目視覺的橋梁檢測無人機(jī)兩軸云臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王雨峰

摘 要：隨著航拍和遙感技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)得到快速發(fā)展，并在眾多領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。采用無人機(jī)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(zhǔn)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(shù)替代傳統(tǒng)單目測量，提高測量精度；設(shè)計(jì)兩種新型云臺，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)懸停橋梁底部，垂直向上拍攝的工程需求，并實(shí)驗(yàn)對比兩種云臺的綜合性能。

關(guān)鍵詞：雙目視覺；橋梁檢測；無人機(jī)；云臺設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

橋梁是我國交通重要的基礎(chǔ)建設(shè)工程，關(guān)乎社會與經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展。橋梁建設(shè)的投入巨大，因此保障橋梁安全耐用至關(guān)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(yuǎn)鏡等輔助工具，對橋梁主要構(gòu)件進(jìn)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(shù)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)作為一門新興的綜合性技術(shù)，在我國國防建設(shè)、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(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)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(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為固定翼、直升機(jī)和多旋翼三大類。多旋翼無人機(jī)因平穩(wěn)性好、結(jié)構(gòu)簡單及性價比高等優(yōu)勢成為無人機(jī)橋梁檢測的首選。采用無人機(jī)橋梁檢測，不僅解決了傳統(tǒng)橋梁檢測費(fèi)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(zhǔn)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(fēng)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(jì)算，且精度需達(dá)到0.1mm。除了人工測量外，基于機(jī)器視覺的測量技術(shù)得到研究與應(yīng)用。目前無人機(jī)搭載單目高清攝像頭，受云臺限制，只能向下或側(cè)面拍攝。而實(shí)際檢測中，需要無人機(jī)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(jì)算。

1.基于雙目視覺技術(shù)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(jì)算方法，而攝像頭拍攝的圖像僅僅是真實(shí)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(shù)測量系統(tǒng)，通過模擬人眼觀察，還原物體的空間真實(shí)尺寸，進(jìn)而有效保證測量的精度。

1.1 雙目視覺技術(shù)工作原理

雙目視覺技術(shù)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(biāo)圖像，通過計(jì)算目標(biāo)在圖像的視差獲取目標(biāo)的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)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(biāo)系原點(diǎn)，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(diǎn)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(yīng)關(guān)系為：

（1）

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

1.2 橋梁裂縫測量系統(tǒng)組成

基于雙目視覺技術(shù)的橋梁裂縫測量系統(tǒng)由圖像采集、處理和計(jì)算組成，利用兩個CCD相機(jī)獲取橋梁底部圖片，運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理自動識別出裂紋圖像，并對分離出來的裂紋進(jìn)行計(jì)算獲取三維點(diǎn)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)更加精確的計(jì)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(diǎn)，具有較好應(yīng)用前景。

方案選用CC3D飛控操作QAV250機(jī)架的小型無人機(jī)，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(jī)同時采集兩個攝像頭拍攝的圖像。雙目相機(jī)需經(jīng)過標(biāo)定才能保證精度，其標(biāo)定過程就是確定三維空間點(diǎn)到二維平面點(diǎn)的映射矩陣的過程。

所采集圖像需進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像壓縮、圖像去噪、圖像增強(qiáng)。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(diǎn)進(jìn)行匹配，可計(jì)算空間兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）和（U，V，W） 。進(jìn)而根據(jù)三維歐氏距離公式：

（2）

計(jì)算兩點(diǎn)之間距離。

2.無人機(jī)兩軸云臺設(shè)計(jì)

無人機(jī)的安全性、穩(wěn)定性、可操作性是航拍基礎(chǔ)；相機(jī)的畫質(zhì)直接影響航拍的作品，兩者缺一不可。由于無人機(jī)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(jī)的載重與功耗，因此必須選用重量輕、結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)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(jì)的慣性傳感器MPU6050作為姿態(tài)反饋，分別選用伺服舵機(jī)和2204無刷電機(jī)，與L6234電機(jī)驅(qū)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(shè)計(jì)了伺服舵機(jī)云臺和無刷電機(jī)云臺。云臺由俯仰和橫滾兩軸組成，整體重點(diǎn)較低，具有一定自穩(wěn)特性；底座采用減震球與機(jī)身相連，減少機(jī)身震動對云臺的影響；相機(jī)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(qū)動選擇

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

舵機(jī)由電子控制電路板、空心杯電機(jī)、減速齒輪組和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)組成，其中空心杯電機(jī)具有轉(zhuǎn)動慣量小的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(jī)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(jī)中定子繞組產(chǎn)生的每個磁場矢量與轉(zhuǎn)子空間位置對應(yīng)，因此根據(jù)轉(zhuǎn)子空間位置，控制相應(yīng)繞組相電流大小和方向，產(chǎn)生磁場矢量，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子隨機(jī)體的運(yùn)動，從而使其空間位置固定。

2.3 框架結(jié)構(gòu)的3D打印

本文設(shè)計(jì)的云臺框架結(jié)構(gòu)是目前市面無法購買的，為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)合理、強(qiáng)度適宜的要求，所以采用3D打印進(jìn)行定制。3D打印實(shí)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(shè)計(jì)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(shù)為云臺造型優(yōu)化和尺寸變化、攝像頭及電機(jī)的更換提供了無限可能，根據(jù)無人機(jī)尺寸和載荷變化，設(shè)計(jì)更合理的云臺，提高穩(wěn)定性，保證測量精度。

2.4 云臺運(yùn)動補(bǔ)償控制器

無人機(jī)在飛行中不可避免對云臺造成影響，因此需運(yùn)用運(yùn)動補(bǔ)償控制器加以補(bǔ)償。

定義機(jī)體坐標(biāo)系 obxbybzb，相機(jī)云臺中心坐標(biāo)系ocxcyczc，兩圖像平面中心坐標(biāo)系oiyizi。無人機(jī)機(jī)體角速度 與引起的云臺姿態(tài)角速度 間的關(guān)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(yùn)動，故當(dāng)目標(biāo)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(yīng)該調(diào)節(jié)的角度：

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

最后把無人機(jī)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(qū)動相應(yīng)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動，隔離載體的角運(yùn)動，穩(wěn)定云臺，為目標(biāo)標(biāo)定和拍攝提供可靠的保證。

3.實(shí)驗(yàn)對比

通過模擬橋梁檢測的飛行實(shí)驗(yàn)，兩種云臺設(shè)計(jì)方案均能較好地滿足工程需求，從云臺的轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動角度、載重、環(huán)境指標(biāo)、回差和可靠性等方面進(jìn)行對比，結(jié)果見表1，可知伺服舵機(jī)云臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好、力矩大，適用于大中型無人機(jī)，以承載更重的高清相機(jī)；而無刷電機(jī)云臺結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械回差，適合于小型無人機(jī)，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(jī)云臺 無刷電機(jī)云臺

轉(zhuǎn)動速度 力矩大，轉(zhuǎn)動速度快 轉(zhuǎn)動速度固定，較穩(wěn)定

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

載重 載重大，受限舵機(jī)齒輪連接處 載重小，受限電機(jī)螺栓連接處

環(huán)境指標(biāo) 電機(jī)內(nèi)置，可防塵防水 電機(jī)外露，需謹(jǐn)防雨霧侵蝕

回差 回差在啟動或停止時較大 無機(jī)械回差

可靠性 可靠性良好，均能滿足實(shí)驗(yàn)需要

結(jié)語

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于雙目視覺的無人機(jī)橋梁檢測系統(tǒng)提高了測量精度，同時新的云臺設(shè)計(jì)滿足橋梁底部垂直向上拍攝的需求，通過運(yùn)動補(bǔ)償保障了云臺平穩(wěn)轉(zhuǎn)動和圖像采集的清晰。因此，無人機(jī)將會越來越多的應(yīng)用于橋梁檢測，成為未來橋梁管理重要補(bǔ)充手段，極大提高橋梁檢測的效率，維護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全，確保橋梁經(jīng)久耐用。

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