基于無人機航拍技術的地面施工設備質量遠程控制系統設計

(山東大學 工程訓練中心，濟南 250001)

0 引言

無人機航拍技術具有很強的智能性，自動化水平高，拍攝到的實際更改信息能夠同步更新到中心系統中，為企業提供有力的資料，在環境保護領域、土地資源管理領域以及資料分析領域都有著廣泛的應用。由于近年來科學家在無人機航拍技術中投入了大量的人力、物力和財力，所以無人機航拍技術進步更加顯著，將無人機航拍技術應用到勘查工作中，可以大大縮小勘察時花費的時間，加快信息反饋速度，即使在復雜的工作環境下，無人機航拍技術也可以快速靈活地適應。無人機具有體積小，結構簡單，工作時不會受到自然環境影響等優點，因此工作人員可以隨時利用無人機控制各類設備[1]。

地面施工設備是保證地面施工工作正常運行的重要物質基礎，其質量好壞直接影響施工效率，控制地面施工設備質量一直是地面施工的重要任務之一[1]。目前的地面施工設備質量控制方法多是采用日常檢修的方法，雖然設計了質量控制系統，但是過于依賴人工操控，在外界因素影響下，控制工作很難正常運行，得到的質量信息準確度很低，且各類質量參數描述不夠詳細。隨著科技的進步，地面施工設備越來越復雜，對設備進行質量控制越來越困難，嚴重影響施工工作的正常運行[3]。

綜上所述，本文設計了一種新的地面施工設備質量遠程控制系統，利用無人機航拍技術對系統的硬件和軟件進行設計，系統通過接入層、管理層和應用層完成硬件結構，利用實驗對系統的有效性進行驗證[4]。所設計的系統能夠有效控制地面施工設備質量，管理施工設備信息，優化生產過程，提高地面施工工作效率。本文研究的控制系統對于地面施工工作的正常開展有一定的促進意義。

1 地面施工設備質量遠程控制系統硬件設計

通過現有網絡連接無人機，在確保施工工作正常運行的情況下，對質量控制結構進行優化[5]。以傳統控制系統為基礎，利用開放性接口設計地面施工設備質量遠程控制系統硬件結構：

圖1 地面施工設備質量遠程控制系統硬件結構

如圖1所示，系統硬件具有三層結構，分別是接入層、管理層和應用層，通過這三層連接，使系統更加開放靈活，兼容性更高[6]。接入層能夠很好地接收到無人機航拍傳來的信息，由于B/S結構的加入，即使系統終端環境不同，也可正常運行，避免客戶端配置受限的問題。數據管理層會將數據庫中的所有信息提取出來庫中的所有信息提取出來，再接入到應用數據庫，可實現數據的快速追蹤和查找。應用端使用手持設備和PC端，通過內部網絡上傳采集的數據，從而配置出有效的控制方案，實現地面施工設備質量遠程控制工作。通過本文設計的地面施工設備控制系統可以加強信息可視化和共享化[7]。

系統硬件結構包括的硬件設備有：底座、固定支撐設備、移動支撐設備、水平測量儀、上升機構和下降機構。為了使系統運行更加平穩，精度更高，所有的系統硬件設備都應該采用伺服系統，在減速器中控制輸出的動力，加快質量控制的速度[8]。

1.1 控制主機設計

本文設計的施工設備質量控制系統要同時滿足安全控制、自由度控制等條件。系統的控制主機為HT500主機，該主機內部設置了2路能夠獨立運動的支撐鏈，這2路支撐鏈在三維坐標下沿著不同的方向運行，第一路沿著Y軸方向運行，針對不同長度的地面施工設備質量進行控制，控制時不斷調整支撐距離，提高控制效率，第二路沿著Z軸方向運行，主要負責與被控設備進行承接工作，確保被控制的設備在工作過程足夠安全，與傳感器不會產生沖擊。為了加強控制主機運行的穩定性和安全性，系統利用PLC實現主機的控制工作[9]?？刂浦鳈C的工作原理如圖2所示。

圖2 控制主機工作原理

控制主機主要負責連接子系統和中心系統，確保提供的指令正常運行，將得到的各個信號信息發送給傳感器。控制主機針對地面施工設備質量測量平臺、PLC 控制系統和計算系統進行工作。

1.2 傳感器設計

傳感器是控制系統的核心設備，本文選用的傳感器為光纖傳感器，通過分析送至調制器中的光源信號的光學性質，確定地面施工設備工作性質。主要分析內容有光強、波長、頻率、相位和偏振態。光纖傳感器十分靈敏、精確，對于環境的適應能力很強，具備很多傳統傳感器不具備的優勢，能夠檢測到很多人類難以檢測區域的信息。光纖傳感器采用石英玻璃作為核心結構，光纖的中心為纖芯，外層和護套選用尼龍料，即使外界有強磁場干擾，光纖傳感器也不會受到影響。傳感器結構圖如圖3所示。

圖3 處理器結構

傳感器能夠利用多種物理量控制地面施工設備的各項物理參數。當傳感器內部采用的光纖為SM和PM光纖時，利用磁致伸縮現象，可以很好地控制地面施工設備的電流和磁場；利用電致伸縮現象，可以控制設備周圍電場和電壓；通過Sagnac效應可以控制設備的角速度；根據光彈效應能夠控制設備的振動、所受壓力、加速度；使用干涉能夠控制設備溫度。當傳感器內部光纖為MM光纖時，通過分析半導體透射率的變化情況、熒光輻射和黑體輻射，可以控制地面施工設備的溫度；利用振動膜和液晶反射原理改變設備的振動情況、所受壓力以及產生的位移；根據氣體分子吸收原理，控制設備周圍環境氣體濃度。當傳感器內部光纖為SM光纖時，利用法拉第效應，改變施工設備的電流和磁場；使用雙折射變化，控制設備溫度；通過泡克爾斯效應控制的設備電場和電壓。本文設計的光纖傳感器還具備很強的絕緣能力，防爆性能好，抗腐蝕能力強。

1.3 處理器設計

本文選用的處理器為DSP信號處理器，能夠處理所有信號和波形，利用AD采樣將反饋到的信息上傳給DSP，各個單元與主控板CPU的通信方式為光纖通信，在可編程邏輯器中編碼單元信息，調控系統控制狀態。處理器結構如圖4所示。

圖4 處理器結構

對于傳感器反饋的信息以運算的方式處理，處理器內部使用M/T模式，大大提高處理速度。在完成處理工作后，傳感器會將得到的有效值上報給主控CPU，通過主控CPU進行一系列調整。為了強化處理效果，本文利用磁場補償原理在處理結構中加入了電流互感器，對所有處理的電流信息進行實時監控。模擬電壓信號在AD轉換芯片中實現采樣工作和轉換工作，本文設計的AD轉換芯片能夠同時上傳三相數據。處理其內部的通信模式為RS485通訊模式，能夠確保上位機實時接收到各類參數值，根據給定的控制要求實行命令。本文研究的處理器是一種微處理器，其最大的特點為處理速度快，相較于傳統處理器，本文研究的處理器運算速度提高了2倍以上，滿足實時控制地面施工設備的要求。通過加入現代化控制策略，提高控制性能，完善處理器各項功能。

2 地面施工設備質量遠程控制系統軟件設計

針對系統主要硬件結構進行設計后，引用無人機航拍技術對系統的軟件進行開發，軟件流程如圖5所示。

圖5 地面施工設備質量遠程控制系統軟件流程

第一步：利用無人機航拍技術獲取地面施工設備信息，以航空攝影的方式拍攝圖片，并將得到的信息在遙感平臺上處理。由于地面設施所處環境復雜，所以要合理布設拍攝點和測量點，拍攝時必須要全方位拍攝，確保得到的信息真實性和準確性。通過無人機航拍技術獲取的地面施工設備信息需要加密，便于之后的處理工作。本文同時設計了無人機遙感平臺、飛機控制系統、地面監控系統，通過這三個系統聯合工作，獲取施工設備質量信息，這樣的獲取方式快速準確。定位系統加入了加速度計，實現地面施工設備質量信息的定點采集。通過數字化監控的方式監控整個采集過程，將所有的采集模式緊密地連接到一起，包括模式選擇、軟件設置、相機設定、數據上傳，得到的采集信息可以隨時隨地上傳，使操作變得更加方便。

第二步：地面施工設備質量信息處理。在無人機航拍技術下，采集到的地面施工質量信息以遙感相片的方式儲存，所有的參數記錄在文件中，統一處理。利用空中三角將信息三維化，形成立體模型，利用核線影像提高處理效率。為了加強控制質量，必須要找到被控設備的初始位置和旋轉后的位置，通過四點法則控制設備質量信息。針對不同長度和形狀的設備采取的控制方法也不同，選擇的最優控制距離也不同，平臺內部的支撐距離應該是可以調節的。地面設施的控制端面并非地面，而是被測對象的端面，系統沿著水平運動端面處理信息，使信息處理工作更加便于調整。航拍得到的大量信息都要按照制定的要求進行處理，在經過航帶評定、質量設定、照片預處理、信息更正等。

第三步：地面施工設備質量信息遠程控制。使用空中三角控制系統遠程操控地面施工設備質量，由于空中三角有著很好的控制位置，所以在遠程控制地面施工設備質量信息中發揮著關鍵性的作用。在科學融合航帶列表后，確定設備質量信息之間的關系，通過定向的方式將影像之間的連接點連接到一起，利用平差計算得到自動空間加密，使用三維立體模型生成核線影像。三維立體模型對地圖有著很強的推斷能力，所有的相關信息都可以在三維虛擬地形地物中以可視化的方式呈現出來。數據庫會以圖像和表格的方式展示所有的數據，工作人員再根據得到的數據設定具體的控制方案?？刂茣r，會建立一個與被控制設備信息相符的規模網，在網絡中劃分各種GPS坐標點，并找出坐標點在三維坐標系中的位置，從而進行具體的控制。

第四步：控制結果顯示。得到的信息不能直接顯示在顯示屏中，控制圖片影像在不正常的情況下，會出現CCD畸變，要根據設備的實際比例糾正影響比例，畸變參數設置成K，非畸變參數設置成P，利用比例系數糾正信息。控制后的數據信息要利用正射影像的方式匹配，確定重疊后的柵格數據DEM點，找準切面，顯示控制結果。

3 驗證實驗

3.1 實驗目的

為了檢測本文設計的基于無人機航拍技術的地面施工設備質量遠程控制系統實際效果，與傳統系統進行對比，在串級姿態下對控制系統的控制效果進行了實驗研究。

3.2 實驗參數設置

設置實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

3.3 實驗過程

根據上述參數進行實驗，選用傳統系統和本文設定的控制系統對同一批地面施工設備質量進行控制，分析兩種系統在控制過程中產生的誤差，從而判定兩種系統的工作效果。

3.4 實驗結果與分析

沿x軸產生的控制誤差對比結果如圖6所示。

圖6 傳統系統沿x軸產生的控制誤差

觀察圖6，在沿x軸進行控制時，系統移動方向會存有一定的誤差，通過對控制過程產生的旋轉結果進行分析，判斷控制效果。分析結果可知，傳統系統在對施工設備質量信息進行控制時，產生的誤差很大，與理想的控制狀態不符，使用傳統控制系統控制質量信息時很容易出現定位誤差，尤其在5個自由度方向下，傳統系統產生的定位誤差很大。造成這一現象的主要原因是理想系統的測量裝置存在誤差，在地面進行測量，很難確保測量精度，定位結果與實際結果相差很多，工作人員根據得到的控制結果進行控制時，很容易出現問題。

傳統系統在零點定位上有著很大局限性，一旦零點定位不準確，水平調整也會不標準，一旦空間位置不平衡，系統在控制時就會出現不均勻和不穩定的結果。和遠程控制相比，地面控制更容易受到環境影響，地面的溫度、濕度、振動和氣壓等條件都會影響控制結果。

除此之外，傳統系統過于依賴人工操作，如果控制人員知識不夠充足，就會導致控制結果不準確。即使工作人員經驗豐富，也會出現大意或疏忽。為了降低人工誤差帶來的損失，必須要多次重復執行控制工作，才能得到比較好的控制結果，多次操作又導致工作成本大大提高。

圖7 本文系統沿x軸產生的控制誤差

本文研究的控制系統引入了無人機航拍技術，只需要由中心系統分析無人機航拍得到的影像即可，不需要過多的人工操作，絕大多數的操作都可以由機器設備直接執行，精準度高，控制能力強。由于不需要地面測量，整個控制過程不會受到外部環境影響，定位結果與實際結果比較吻合。本文系統強化了硬件設備和軟件設備，在設施的使用中加以強化，優良的操控系統和硬件設施，有效加強了控制結果。將傳統系統與本文系統的控制誤差結果輸入至Origin軟件中呈現如下圖像：

圖8 控制誤差對比

由圖8可知傳統方法自由度為1時，誤差值為2.31，自由為2時，誤差值為2.3自由度為3時，誤差值為2.4，自由度為4時，誤差值為2.7，自由度為5時，誤差值為3。本文系統的自由度為1時，誤差值為0.27，自由為2時，誤差值為0.25自由度為3時，誤差值為0.23，自由度為4時，誤差值為0.2自由度為5時，誤差值為0.2。

綜上所述，本文設計的地面施工設備質量遠程控制系統具有很強的控制能力，在控制過程中，產生的誤差率小，控制效果好，花費成本低，對于人力、物力和財力更小。相較于傳統控制系統，本文研究的系統在控制過程展現出極大的優勢，具有很廣闊的發展前景。

4 結束語

無人機航拍技術能夠利用無人機對地面上的施工設備進行多角度航空拍攝，從而獲得較為精準地設備信息。本文將無人機航拍技術引入到地面施工設備質量遠程控制系統的設計中，該系統能夠取代傳統的控制模式，在遠距離就可以實現地面施工設備質量的控制工作，消耗成本更低，靈活性強，同時更加安全，對于提高地面施工質量有著很強的促進意義。

雖然本文系統具備上述優點，但是在工作過程仍然會產生一定的誤差，為進一步提高地面施工設備質量信息控制工作的效果，減少誤差，未來需要在以下幾方面進行深入研究：引入神經網絡，提高控制精度；優化控制系統各項參數，擴大控制范圍；增加驅動設備，實現全自動化控制；加強軟件設備，增加審核系統，減小工作過程產生的誤差率。