無人機在工程爆破現場中的應用研究

陳金德

廣東振聲科技股份有限公司 廣東梅州 514700

1 技術背景

工程爆破的前景正朝著精細化、科學化、數字化方向發展[1]。對工程爆破項目進行信息化管理，整個系統主要包括中心服務器單元、倉庫服務器單元、車輛運輸視頻監控系統單元、爆破現場視頻監控系統單元、爆破現場管理單元、爆破環境數據采集單元、爆破警戒人員定位確認單元等[2-4]，系統拓撲圖如圖1所示。此外，爆破現場視頻也可采用工程車系統[5]。

當前爆破現場主要采用便攜式設備進行視頻監控，雖然可以通過云臺控制攝像頭進行拍攝角度、遠近的調整，但存在以下缺點。

(1) 現場需要有人員兼職進行云臺控制，爆破作業一旦工作量比較飽滿，兼職人員可能會忘記對云臺進行控制。

(2) 當爆破工程巨大、設備需要遠離爆破中心點時，隨著距離的增大，對設備的要求提高，成本也隨之增高，同時設備的質量、體積也隨之增大，造成工作量、工作強度增加。

(3) 對某些特殊場合，如炸藥卸車等，人、物可能會產生遮擋，導致無法完整清晰地監控爆破作業。

針對以上存在的缺點，筆者設計了一種無人機自動飛行程序[6-9]，并搭建工程爆破信息化智能管控系統。無人機監控方案流程如圖2所示。

系統后臺編程，通過發送指令控制無人機在具體的時間點，對設定的爆破作業點進行盤旋，尋找目標后靜止航拍。

若無航拍作業，則無人機在三腳架上進行靜止全景監控拍攝和充電，此時的功能相當于便攜式設備。

通過后臺控制程序，視頻信息實時傳輸至系統后臺。

圖1 工程爆破項目信息化系統拓撲圖

圖2 無人機監控方案流程圖

2 技術要點

2.1 關鍵參數確認

在地圖勘察方面，可采用無人機進行1∶1000地形圖勘察測繪[10]，也可采用人工攜帶全球定位系統(GPS)設備進行勘察?？辈旌蟮牡貓D采集流程如圖3所示。

在項目勘察階段時，對爆破地點的地理位置、地理環境進行詳細勘察，得出爆破現場的詳細地圖S1。

在設計項目爆破方案時，確定民爆物品卸車的位置、警戒線范圍、警戒范圍，并在地圖S1上標識，輸出地圖S2。

在設計項目分次爆破方案時，確定每次爆破的作業中心點、人員簽到位置、無人機放置位置，在地圖S2上標識，輸出地圖S3。

圖3 地圖采集流程圖

將分次爆破的地圖S3、項目作業起止時間t、人員簽到時間t1、民爆物品卸車時間t2、裝藥時間t3、聯網時間t4、警戒時間t5、爆破時間t6等數據輸入無人機。

2.2 關鍵參數與無人機動作

無人機在充電期間監控的范圍為S1，在時間t內全程監控。

在時間t1內，無人機需飛至地圖S3上標識的人員簽到位置上空，對人員簽到進行視頻監控。

在時間t2內，無人機需飛至地圖S2上標識的民爆物品卸車位置上空，對民爆物品卸車過程進行視頻監控。

在時間t3～t4內，無人機需在一定時間間隔內飛至地圖S2上標識的警戒線上空或在三腳架上，對地圖S3上標識的作業中心點裝藥、雷管聯網過程進行視頻監控。

在時間t5內，無人機飛行至地圖S2上標識的警戒線上空進行盤旋視頻監控。

在時間t6內，無人機可在三腳架上或飛行至地圖S2上標識的警戒線上空，對地圖S3上標識的作業中心點爆破過程進行視頻監控。

無人機所有的飛行范圍應在地圖S2上標識的警戒范圍外，且在地圖S1范圍內。

2.3 自動充電

如圖4所示，兩個圓形導軌分別與電池的正負極連接。無人機的充電口與導軌之間采用微電機控制可伸縮導桿，當無人機處于飛行狀態和飛落至三腳架充電前，伸縮導桿處于收縮狀態；當無人機停穩至三腳架后，伸縮導桿伸展，分別接觸導軌，使無人機自動充電。

圖4 無人機自動充電示意圖

如圖5所示，無人機尋找三腳架過程如下：① 無人機記憶當前三腳架的地理位置信息；② 無人機通過當前已記憶的三腳架地理位置信息，確定大致位置，飛回；③ 當無人機在三腳架上空時，接收到由導軌中間紅外感應發出的信號，確定具體位置；④ 當無人機已觸碰底盤時，無人機停止下降；⑤ 伸縮導桿伸展，無人機自動充電。

無人機在三腳架上充電時，攝像頭需自動對準作業中心點。

圖5 無人機尋找三腳架流程圖

2.4 警戒人員定位及地圖更新

警戒人員佩戴GPS定位對講機，對警戒信息進行語音和GPS雙向定位。當警戒人員就位后，GPS信息上傳至平臺，需要對S2的范圍進行修改，以確定警戒線外圍監控范圍，S2地圖更新，便于無人機對各個點進行重點監控。警戒位置示意圖如圖6所示。

圖6 警戒位置示意圖

第一步：確定A、B、C、D四點位置。

(1) 采集各個警戒點的經緯度坐標。

(2) 通過各個數據對比得到A(緯度最大)、B(經度最小)、C(緯度最小)、D(經度最大)四點坐標。

第二步：確定區域。

假設除A、B、C、D四點外的各點坐標為xn(mxn,nxn)，則可以劃分出以下5大區域。

(1)mmin≤mxn≤mA，且nB≤nxn≤nmax，則處于區域AB，即圖6中藍色虛線區域。

(2)mmin≤mxn≤mC，且nmin≤nxn≤nB，則處于區域BC，即圖6中黃色虛線區域。

(3)mC≤mxn≤mmax，且nmin≤nxn≤nD，則處于區域CD，即圖6中紫色虛線區域。

(4)mA≤mxn≤mmax，且nD≤nxn≤nmax，則處于區域DA，即圖6中綠色虛線區域。

(5) 其余的點在區域IN中。

第三步：確定斜率kAB及直線l(mn,nn)方程。

(1) 確定區域AB的斜率和直線lAB方程：kAB=(nmax-nB)/(mA-mmin)，nn=nB+kAB(mn-mmin)。

(2) 確定區域BC的斜率kBC和直線lBC方程：kBC=(nB-nmin)/(mmin-mC)，nn=nmin+kBC(mn-mC)。

(3) 確定區域CD的斜率kCD和直線lCD方程：kCD=(nD-nmin)/(mmax-mC)，nn=nmin+kCD(mn-mC)。

(4) 確定區域DA的斜率kDA和直線lDA方程：kDA=(nmax-nD)/(mA-mmax)，nn=nD+kDA(mn-mmax)。

第四步：判斷警戒點細分區域。

(1) 在區域AB中的點，經度數據分別代入lAB方程，得出直線上的緯度信息nxAB，若nxAB

(2) 在區域BC中的點，經度數據分別代入lBC方程，得出直線上的緯度信息nxBC，若nxBC>nn，則該點屬于區域B_C，需要進一步處理；若nxBC≤nn，則該點屬于區域C_B，無需進一步處理，放棄該點。

(3) 在區域CD中的點，經度數據分別代入lCD方程，得出直線上的緯度信息nxCD，若nxCD>nn，則該點屬于區域C_D，需要進一步處理；若nxCD≤nn，則該點屬于區域D_C，無需進一步處理，放棄該點。

(4) 在區域DA中的點，經度數據分別代入lDA方程，得出直線上的緯度信息nxDA，若nxDA

第五步：確認需要連線點。

(1) 在區域A_B內，點xn(mxn,nxn)和點A取斜率，斜率最小的點確認需要與點A連接。點xn’(mxn’,nxn’) 和點B取斜率，斜率最大的點確認需要與點B連接。點xn(mxn,nxn)和點xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點，則兩點連接，否則完成區域A_B的連線。

(2) 在區域B_C內，點xn(mxn,nxn)和點B取斜率，斜率最小的點確認需要與點B連接。點xn’(mxn’,nxn’) 和點C取斜率，斜率最大的點確認需要與點C連接。點xn(mxn,nxn)和點xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點，則兩點連接，否則完成區域B_C的連線。

(3) 在區域C_D內，點xn(mxn,nxn)和點C取斜率，斜率最小的點確認需要與點C連接。點xn’(mxn’,nxn’) 和點D取斜率，斜率最大的點確認需要與點D連接。點xn(mxn,nxn)和點xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點，則兩點連接，否則完成區域C_D的連線。

(4) 在區域D_A區域內，點xn(mxn,nxn)和點D取斜率，斜率最小的點確認需要與點D連接。點xn’(mxn’,nxn’)和點A取斜率，斜率最大的點確認需要與點A連接。點xn(mxn,nxn)和點xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點，則兩點連接，否則完成區域D_A的連線。

(5) 在區域IN內無需連線。

3 應用效果

如圖7、圖8所示，基于無人機的工程爆破信息化智能管控系統在爆破工程中使用，取得了良好的應用效果。

4 結論

無人機與信息化技術相結合，搭建工程爆破信息化智能管控系統，采用后臺系統預編程與警戒點實時位置變化指令控制無人機飛行范圍，實現爆破現場作業面的監控。同時，系統設計的自動充電功能，保證了無人機能夠在爆破作業過程中連續工作。這一系統實現了爆破現場視頻監控的無人化操作，保證了數據的準確性和唯一性，為監管部門對爆破現場的有效監管提供了管理依據。

圖7 系統應用效果界面

圖 8 工程現場爆破視頻截圖

[1] 汪旭光.爆破設計與施工[M].北京：冶金工業出版社，2011.

[2] 曲廣建，朱振海，汪旭光，等.遠程視頻監控技術研究及在工程爆破中的應用[J].工程爆破，2012，18(3)：81- 84.

[3] 陳金德，董桂林，饒志勇.信息化智能管控系統在爆破工程的應用[J].煤礦機電,2016(6)：109-112.

[4] 陳金德，張常壽，李波，等.監管部門對爆破現場信息化的管理系統及其使用方法：CN201610689604.0[P].2017-01-04.

[5] 陳金德,黃志平,鄧水朋，等.工程爆破信息化智能管控系統：CN201520394567.1[P].2015-09-16.

[6] 張軼,陳欣琳.無人機起飛重量設計及估算研究[J].機械制造,2011，49(3)：23-26.

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