無人機在黃河工程建設(shè)中的應(yīng)用

周萬軍 ，馬曉靜 ，馬 強

（1.山東黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250011；2.山東大學(xué)工程管理與控制學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；3.山東黃河河務(wù)局工程建設(shè)中心，山東 濟(jì)南 250000）

當(dāng)前國家正大力提倡支持科技創(chuàng)新，并在各行各業(yè)推進(jìn)信息化以及智能化的發(fā)展。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，其在不同行業(yè)的應(yīng)用也不斷增多，通過將無人機應(yīng)用于黃河防洪工程建設(shè)監(jiān)管，可以方便監(jiān)管者對工程建設(shè)全過程有更加直觀的掌握，從而實現(xiàn)對工程現(xiàn)場的全方位監(jiān)管，可以最大程度地提高監(jiān)管效率，減少人力物力財力的浪費。

1 無人機監(jiān)管系統(tǒng)概述

近年來，隨著無人機技術(shù)逐漸成熟，且考慮到其安全性、高性價比以及機動性等優(yōu)點，越來越多的專業(yè)項目開始采用無人機來代替人力完成，其最大的作用就是實現(xiàn)對地面信息的空中采集。通過無人機攜帶的高清攝像頭以及GPS定位系統(tǒng)等設(shè)備，可以實現(xiàn)對地面信息的實時采集并回傳至地面站，再配以相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)處理軟件，可以實現(xiàn)對所采集影像數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理，從而實現(xiàn)數(shù)字化、智能化監(jiān)管。

黃河防洪工程建設(shè)監(jiān)管的主要任務(wù)有：一是保證工程現(xiàn)場施工設(shè)備等的安全運行；二是保證施工人員按照各項規(guī)章制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)工程的正常實施；三是保證施工現(xiàn)場施工進(jìn)度。為了實現(xiàn)以上3項主要任務(wù)，在黃河防洪工程建設(shè)中采用了無人機監(jiān)管系統(tǒng)來替代人力完成部分工作，本系統(tǒng)所采用的無人機監(jiān)管方式，主要流程如下：

1）人工提前對待監(jiān)管地區(qū)進(jìn)行航跡規(guī)劃，并將無人機巡檢路線提前載入到無人機飛控。

2）無人機按照預(yù)設(shè)的時間定時起飛，并按照預(yù)設(shè)航線和作業(yè)方式自主導(dǎo)航進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)過程中可實現(xiàn)智能避障。

3）無人機將采集的影像實時傳輸至智能起落站中轉(zhuǎn)，最終至控制室操作中心并上傳至云端。

4）巡檢任務(wù)完成或電池續(xù)航能力不足時無人機自動返回智能起落站并更換電池。

5）回傳影像至上位機經(jīng)軟件處理后可得到工程管理所需數(shù)據(jù)，監(jiān)管人員也可直接觀看無人機采集的影像信息實現(xiàn)遠(yuǎn)程臨場監(jiān)管。

6）作業(yè)過程中可由人工更改飛行路徑，比如可以實時進(jìn)行感興趣區(qū)域的補拍、興趣點環(huán)繞等。

2 無人機監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，主要由無人機及其搭載的數(shù)據(jù)采集裝置及相關(guān)設(shè)備組成，其主要功能是通過搭載的高清攝像頭等設(shè)備對施工現(xiàn)場進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，并通過無線圖傳數(shù)傳等數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至地面站及控制中心。

本系統(tǒng)選用大疆創(chuàng)新公司生產(chǎn)的經(jīng)緯M100無人機作為開發(fā)平臺，該無人機向開發(fā)者開放軟件開發(fā)工具包 （Software Development Kit，SDK），通過其提供的開放式硬件接口以及軟件應(yīng)用編程接口，可以自己設(shè)計無人機的外接硬件并通過編寫程序調(diào)用SDK實現(xiàn)對無人機的二次開發(fā)，從而實現(xiàn)不同功能。通過M100無人機，可以不必在無人機的飛行姿態(tài)等基礎(chǔ)技術(shù)上耗費過多的時間和精力，將更多的精力放在系統(tǒng)所需功能的實現(xiàn)上。本系統(tǒng)要求無人機具有自主導(dǎo)航、智能避障、實時信息采集及傳輸?shù)裙δ?，通過對M100無人機的二次開發(fā)，可以實現(xiàn)以上功能。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與存儲模塊

數(shù)據(jù)的傳輸與存儲模塊是連接數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的橋梁，高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸可以保證系統(tǒng)工作的實時性和高效性，而可靠的數(shù)據(jù)存儲則可以為數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)支持。

本系統(tǒng)選用大疆的Lightbridge高清圖像傳輸系統(tǒng)作為無人機與地面站之間的圖像傳輸模塊，其圖像傳輸距離可以達(dá)到5.0 km，再加以分布在工地附近的數(shù)據(jù)傳輸中繼模塊，可以將數(shù)據(jù)通過分級傳輸?shù)姆绞綄崟r傳輸至地面站。

數(shù)據(jù)的存儲可以分為實時數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)存儲：實時數(shù)據(jù)存儲是指無人機攜帶的高清攝像頭采集的現(xiàn)場信息可以存儲在自帶的存儲卡內(nèi)部，但這樣的存儲方式存儲容量有限，只能存儲短時間的數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)存儲是指將無人機實時回傳至地面站的數(shù)據(jù)上傳至云空間，這樣既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲，也可以為將來形成黃河防洪工程建設(shè)大數(shù)據(jù)打下一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)還搭配有無人機智能起落站，可以為無人機自動起落、無人機保護(hù)等功能提供地面支持，從而真正實現(xiàn)監(jiān)管系統(tǒng)的無人值守。對于無人機的自動起飛，選用STM32嵌入式開發(fā)板作為機載設(shè)備與無人機飛控進(jìn)行通訊，在預(yù)設(shè)時間實現(xiàn)對無人機自動起飛SDK的調(diào)用。而當(dāng)無人機飛行任務(wù)結(jié)束時，通過GPS定位和視覺定位相結(jié)合的方式實現(xiàn)無人機的二級定位，從而保證無人機能夠精準(zhǔn)降落至起落站預(yù)設(shè)區(qū)域。

為了保證無人機的長時間無人化作業(yè)，智能起落站還具有無人機自動續(xù)航功能。目前常見的無人機自動續(xù)航方法主要有自動更換電池和自動充電2種方式，考慮到自動充電的技術(shù)難度以及充電時間成本，最終選用自動更換電池的方法實現(xiàn)自動續(xù)航。本系統(tǒng)選用的無人機電池采用卡扣式固定在無人機電池倉內(nèi)，當(dāng)無人機精準(zhǔn)降落至智能起落站之后，通過相應(yīng)的機械裝置將其固定防止出現(xiàn)位移，進(jìn)而通過機械抓手實現(xiàn)對饋電電池的取出并放至充電插板上，然后將充滿電的電池插入無人機電池倉，完成電池的自動更換。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是整個系統(tǒng)的大腦，主要是應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)處理軟件來實現(xiàn)對無人機所采集的影像數(shù)據(jù)的處理，從而得到施工現(xiàn)場的二維數(shù)據(jù)及三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到黃河防洪工程建設(shè)相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)黃河防洪工程建設(shè)的數(shù)字化監(jiān)管。

為了保障本系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，并且便于系統(tǒng)后期對遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件的二次開發(fā)以生成專門針對黃河遙感信息處理的軟件平臺，本系統(tǒng)選用航天宏圖公司研發(fā)的遙感數(shù)據(jù)處理軟件PIE作為數(shù)據(jù)處理軟件。

數(shù)據(jù)處理功能主要是通過對無人機所采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變差糾正及拼接處理，進(jìn)而通過空三加密，生成數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型等，從而供使用者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

目前已經(jīng)將該數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)用于影像去霧霾、三維地形景觀構(gòu)建、影像數(shù)據(jù)拼接等不同方面，通過這些不同功能，可以進(jìn)一步生成監(jiān)管者所需的地形面積、體積等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，有利于實現(xiàn)監(jiān)管的智能化、數(shù)字化。

3 結(jié)語

將無人機應(yīng)用于黃河防洪工程建設(shè)監(jiān)管過程中，是一項極具創(chuàng)新性的課題，該系統(tǒng)集自動化與智能化于一體，可以極大程度上提高監(jiān)管者的工作效率，降低工程監(jiān)管中的人力物力財力支出，提高工程實施人員的工作質(zhì)量。

[1] 劉向陽.山東黃河水利工程管理機制研究[D].山東師范大學(xué),2015.

[2] 張鳳,孫哲,孟彬.一種基于特征點的移動機器人路徑規(guī)劃算法 [J].Journal of Shenyang Jianzhu University Naturalence,2009,25(6)：1212-1216.