基于雙目視覺的橋梁檢測(cè)無人機(jī)兩軸云臺(tái)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(cè)輔助常規(guī)檢測(cè)，可有效提高橋梁檢測(cè)效率，并保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和持久性。本文針對(duì)橋梁檢測(cè)的特殊需求，采用雙目視覺技術(shù)替代傳統(tǒng)單目測(cè)量，提高測(cè)量精度；設(shè)計(jì)兩種新型云臺(tái)，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(duì)比兩種云臺(tái)的綜合性能。

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

中圖分類號(hào)：TP49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)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(cè)是橋梁管理的基本工作，常規(guī)的檢測(cè)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(duì)橋梁主要構(gòu)件進(jìn)行檢查，以便及時(shí)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(cè)、電網(wǎng)巡視、高速公路巡查、氣象檢測(cè)、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(jià)比高等優(yōu)勢(shì)成為無人機(jī)橋梁檢測(cè)的首選。采用無人機(jī)橋梁檢測(cè)，不僅解決了傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)費(fèi)錢耗時(shí)、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高等難題，而且保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和持久性，提高橋梁檢測(cè)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(cè)中需要測(cè)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(cè)量外，基于機(jī)器視覺的測(cè)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(tái)限制，只能向下或側(cè)面拍攝。而實(shí)際檢測(cè)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(cè)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(cè)中0.1mm的精度要求，基于雙目視覺技術(shù)測(cè)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(cè)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(gè)攝像頭，從不同角度同時(shí)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(gè)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(duì)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(gè)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(cè)量系統(tǒng)組成

基于雙目視覺技術(shù)的橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)由圖像采集、處理和計(jì)算組成，利用兩個(gè)CCD相機(jī)獲取橋梁底部圖片，運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理自動(dòng)識(shí)別出裂紋圖像，并對(duì)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(cè)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(gè)700線高清攝像頭，以中心距10cm固定在云臺(tái)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(shí)采集兩個(gè)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(duì)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(tái)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(dòng)以及外界氣流擾動(dòng)都會(huì)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(tái)，以穩(wěn)定視軸、隔離干擾，保證橋梁檢測(cè)精度。

2.1 云臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖2所示，云臺(tái)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(gè)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(dòng)器組成執(zhí)行元件。

如圖3和圖4所示，根據(jù)橋梁檢測(cè)特殊需求，設(shè)計(jì)了伺服舵機(jī)云臺(tái)和無刷電機(jī)云臺(tái)。云臺(tái)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(dòng)對(duì)云臺(tái)的影響；相機(jī)平臺(tái)以中心距10cm固定兩個(gè)高清攝像頭，同時(shí)固連姿態(tài)反饋元件。

2.2 驅(qū)動(dòng)選擇

根據(jù)云臺(tái)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(dòng)簡單、質(zhì)量輕、體積小、驅(qū)動(dòng)力矩大，是普通云臺(tái)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(tái)。

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(dòng)慣量小的優(yōu)點(diǎn)，即傳動(dòng)順滑，可保障云臺(tái)穩(wěn)定過程中精確控制；而減速器由于齒輪間存在間隙，會(huì)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(tái)控制，以提高控制頻率。endprint

2204無刷電機(jī)型號(hào)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(gè)磁場(chǎng)矢量與轉(zhuǎn)子空間位置對(duì)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(chǎng)矢量，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子隨機(jī)體的運(yùn)動(dòng)，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(tái)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(shì)，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(shí)間和成本。此外，3D打印技術(shù)為云臺(tái)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(tái)，提高穩(wěn)定性，保證測(cè)量精度。

2.4 云臺(tái)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償控制器

無人機(jī)在飛行中不可避免對(duì)云臺(tái)造成影響，因此需運(yùn)用運(yùn)動(dòng)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(tái)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(tái)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(tái)系統(tǒng)滿足橋梁檢測(cè)的要求，可作俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)，故當(dāng)目標(biāo)相對(duì)兩圖像中心位置偏差 時(shí)，為了使其處于兩圖像中心位置，云臺(tái)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(tái)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(tái)控制器的輸入，引入PID云臺(tái)穩(wěn)定控制器。通過 PID 控制算法得到控制量驅(qū)動(dòng)相應(yīng)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定云臺(tái)，為目標(biāo)標(biāo)定和拍攝提供可靠的保證。

3.實(shí)驗(yàn)對(duì)比

通過模擬橋梁檢測(cè)的飛行實(shí)驗(yàn)，兩種云臺(tái)設(shè)計(jì)方案均能較好地滿足工程需求，從云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、載重、環(huán)境指標(biāo)、回差和可靠性等方面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1，可知伺服舵機(jī)云臺(tái)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(tái)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(tái)性能對(duì)比

類型 伺服舵機(jī)云臺(tái) 無刷電機(jī)云臺(tái)

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

轉(zhuǎn)動(dòng)角度 滿足飛行中調(diào)節(jié)的需要，但受限于相機(jī)云臺(tái)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(dòng)或停止時(shí)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(cè)系統(tǒng)提高了測(cè)量精度，同時(shí)新的云臺(tái)設(shè)計(jì)滿足橋梁底部垂直向上拍攝的需求，通過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償保障了云臺(tái)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)和圖像采集的清晰。因此，無人機(jī)將會(huì)越來越多的應(yīng)用于橋梁檢測(cè)，成為未來橋梁管理重要補(bǔ)充手段，極大提高橋梁檢測(cè)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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