多旋翼無人機在尾礦壩壩體變形監測中的應用研究

余浙科

（象山縣土地勘測有限公司，浙江 寧波 315000）

尾礦壩是礦石經過萃取、提煉、選別出精礦后，剩下的廢物構成了一座特殊的礦山工業構筑物，一般位于山谷之中。當尾礦壩的穩定性較差時，容易發生潰壩事故，對于企業來說會產生巨大的經濟損失，周邊的居民生命財產安全也會受到威脅。而穩定性不足的前期表現就是壩體變形。因此對尾礦壩壩體變形進行檢測是保證礦區安全生產最重要的內容[1]。

傳統的尾礦壩壩體變形監測方法中，采用的固定翼無人機在這種不確定、非線性系統上的控制效果不理想，因此本文對多旋翼無人機在尾礦壩壩體變形監測中的應用進行研究。多翼無人機相對比與固定翼無人機，可以垂直起降，頂點盤旋，對于尾礦壩壩體的監測拍照更加穩定。

1 多旋翼無人機在尾礦壩壩體變形監測中的應用研究

1.1 設計多旋翼無人機圖像采集模塊

本文使用多旋翼無人機對尾礦壩壩體進行監測，監測環境相對復雜，飛行空間有限，多旋翼無人機具有垂直起降和懸停功能，其機動性和穩定性較好。在多旋翼無人機中，主要分為兩部分，一部分為機載控制部分，另一部分為地面遙測監控。在機載控制部分中，包括視覺模塊與飛行控制模塊，飛行控制模塊通過電調與DC電機相連，除此之外，接收機、無線數據傳輸、超聲波高度計都與控制模塊相連；視覺模塊由云臺、攝像頭、圖像處理器等構成，與飛行控制模塊之間通過圖像處理器相連接。其中攝像頭是多旋翼無人機中最重要的傳感器，為了精準的實現尾礦壩壩體變形監測，攝像頭選擇的是CMOS型號150°廣角攝像頭，其分辨力為1920＊1080，配備USB2.0接口，幀速最大能夠達到1080P，焦距最小為10mm，畸變指數最大為2%，其結構相對簡單，應用在無人機上比較輕便。攝像頭要與圖像處理器連接，方便讀取視頻。利用云臺固定攝像頭，使其保證無論無人機處于何種飛行姿態時，攝像頭始終保持垂直向下。本文選擇的云臺為TAROT Gopro二軸無刷云臺，能夠分別控制滾轉通道和俯仰通道，滾轉角的控制范圍為-45°～45°，俯仰角的控制范圍為-135°～90°，這兩通道的控制精度均可達到0.1°[2]。圖像處理器主要負責將視頻圖像轉化為需要的數據信息并經過串口發送給飛行控制模塊，在選型上也要考慮重量和大小的問題。

1.2 數據建模

尾礦壩壩體的變形是一種不確定的非線性的動力系統，涉及到水土力學、流體力學等方面的知識，其影響因素包括水位、干灘長度、壩體高度等，造成尾礦壩壩體不均勻沉降等，發生變形。要實現對壩體的監測，就要對壩體的形變數據進行處理，深度挖掘數據之間的內在聯系，并建立壩體預測模型。伴隨著自動控制工程和材料領域的發展，多旋翼無人機具備實施性強、成本低、機動靈活、幾乎不受場地限制等有優勢，成為快速獲得地理數據的有效平臺。通過無人機搭載多臺傾斜攝影傳感器，從垂直和多個傾斜角度同時獲取影像，突破傳統航測從垂直角度拍攝的局限，尾礦壩壩體的數據主要由多旋翼無人機測量獲得，工作原理是利用相同的飛行軌跡KML文件，在相同天氣、風速條件下，多時段觀測點進行數據采集。機載傳感器測量讀數時，每距離0.24m測讀一次，直至測斜管的管口頂部，把這組讀數記作L，為使測量過程簡化，在電纜0.24m作有一個標記。取出測斜管中的探頭，旋轉180°后再測得到另組記作L'讀數。通過（L,L'）的兩組讀數，計算出垂直位置各點的水平偏移量，土體變形動態變化，從而使得無人機測得的偏移量不斷積累，本文采用支持向量機對其進行預測建模，這是一類以結構風險最小化原理為基礎的機器學習方法，最初是用來解決模式識別，目前已經擴展到各行各業非線性問題的解決應用中。該方法更容易訓練，并不需要預先鋪設拓撲結構，因此在圖像識別領域的應用比較多。支持向量機是通過非線性映射將樣本映射帶高維特征空間。通過非線性映射函數將訓練樣本映射到更高維的特征空間，并進行線性回歸，構建出超平面或逼近函數，如下式所示：

上式中，N為測量中監測點的個數，b表示偏置值，wi表示權向量，xi表示輸入樣本，經過映射變換，能夠求出不敏感損失函數，并引入大于0的正則化參數。

非線性映射函數挖掘過程中，需要對尾礦壩體變形測量點進行適應度評價，利用計算公式得到模型的預測值和實測值，如下所示：

尾礦壩體變形監測中出現的各種實際問題，預測函數表示方式有所差異，有針對性的監理預測模型，才可以反映出尾礦壩壩體變形測量的精確度。

2 實驗

2.1 實驗區概況

本文實驗中選擇某地一處上游式尾礦筑壩山谷型尾礦壩壩體，堆積高度約為67.33m，壩體長約586m，尾礦壩的整體容積達到590萬立方米，尾礦壩周圍均是山坡，下游有大型水庫重要設施和居民區，為三等尾礦庫。在該尾礦中布設壩體變形監測點，數量為10，監測點之間的間距設定在40m～160m之間，并在穩定區內布設3個基準點，可以選擇比較牢固的土基上，并安裝保護設施。本次實驗中航測采用的是多旋翼無人機，其航測性能指標及相關參數如下表所示：

2.2 實驗結果對比與分析

在上述實驗條件下，將兩種監測方法得到的監測結果進行對比，如下表所示：

表2 實驗結果對比

圖1 不同方法對尾礦壩壩體變形量進行測量結果圖

從上表中的實驗結果可以看出，在布設的10個監測點中，均出現了不同程度的壩體形變。將兩種監控方法測到的監控結果與實際人工測量得到的形變值進行對比，發現本文方法得到的監測形變量更加接近人工測量的真實值，說明本文設計的方法在對尾礦壩壩體變形監測法過程中具有一定的可靠性。

3 結束語

我國的尾礦壩數量多，穩定性差，尾礦壩的穩定情況關系著周圍居民的生命財產安全和企業經濟的發展，當壩體出現面部位變形位移時，存在著很大的安全隱患，因此需要對其進行精準的壩體位移監測。本文將多旋翼無人機和監測手段進行有機結合，通過無人機測得數據進行建模，有利于即使了解尾礦壩壩體的運行情況。通過實驗結果表明，本文設計的監控方法的監測精度更高。但由于技術等方面原因的限制，本文方法還有很多不足之處，本文的技術能夠對變形進行監測，但是無法通過數據綜合分析出尾礦壩的穩定性，因此在之后的工作中，還需要加強對尾礦壩的位移規律和穩定性之間的探究。