基于單目視覺導(dǎo)航的智能化岸標(biāo)巡檢技術(shù)

楊清玲 常鵬

摘 要：隨著航標(biāo)遙測(cè)遙控技術(shù)的逐漸普及，航標(biāo)巡檢及日常管理所投入的勞動(dòng)強(qiáng)度已大幅降低，但航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)巡檢依然受氣象、地形、地貌等條件的局限，如何進(jìn)一步降低航標(biāo)巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度就成為航標(biāo)工作中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文以單目視覺導(dǎo)航技術(shù)為中心，嘗試以單目視覺為依托進(jìn)行智能化岸標(biāo)巡檢的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，探討用智能化巡檢方式進(jìn)一步降低航標(biāo)日常巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度的可能性。

關(guān)鍵詞：航標(biāo)管理 巡檢 單目視覺 智能化

1.航標(biāo)巡檢工作現(xiàn)狀

航標(biāo)巡檢是航標(biāo)維護(hù)保養(yǎng)和日常管理工作中重要的組成部分，是確保航標(biāo)“位置準(zhǔn)確、燈質(zhì)正常、涂色鮮明、結(jié)構(gòu)良好”四要素的一種有效的管理方式。傳統(tǒng)的目視航標(biāo)巡檢維護(hù)主要分為兩類：一是海上浮動(dòng)標(biāo)志巡檢維護(hù)，依靠航標(biāo)工出海作業(yè)開展，這種巡檢對(duì)天氣和海況有一定要求，且風(fēng)浪過(guò)大時(shí)巡檢存在一定的危險(xiǎn)性；二是陸上固定標(biāo)志巡檢維護(hù)，依靠航標(biāo)工驅(qū)車前往固定標(biāo)志附近位置，步行到目的地開展巡檢工作，這種巡檢受地形地貌的局限性較大，經(jīng)常需要穿越山峰或渡過(guò)淺灘。本文重點(diǎn)提出對(duì)陸上固定標(biāo)志（岸標(biāo)）實(shí)現(xiàn)智能巡檢。

隨著科技進(jìn)步，遙測(cè)遙控技術(shù)在航標(biāo)巡檢維護(hù)中發(fā)揮了顯著作用，使航標(biāo)實(shí)時(shí)位置、燈器工作情況、電壓電流、溫度等參數(shù)均能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，適當(dāng)延長(zhǎng)了航標(biāo)巡檢周期，降低了一線人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。但是，現(xiàn)在的航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)巡檢維護(hù)，更多地側(cè)重于對(duì)外觀和結(jié)構(gòu)的巡檢，以及對(duì)位置、能源設(shè)備的核查。因此，同樣受到地形因素限制，在人煙稀少、地勢(shì)較高、缺少道路的地理?xiàng)l件下作業(yè)的情況依然沒有改變；航標(biāo)工仍然需要在高溫、高鹽、高濕或嚴(yán)寒、冰雪的氣象條件下作業(yè)，仍然要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力對(duì)相距較遠(yuǎn)的航標(biāo)進(jìn)行巡檢。

2.技術(shù)背景

近年來(lái)，社會(huì)產(chǎn)品向智能化方向迅速發(fā)展，并不斷代替機(jī)械式的體力勞動(dòng)和簡(jiǎn)單的腦力勞動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人作為智能時(shí)代的一個(gè)典型代表和集大成者，在人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)和加持下，已深入到電力、物流、倉(cāng)儲(chǔ)、航運(yùn)等領(lǐng)域執(zhí)行巡檢、搜索、偵查任務(wù)，甚至能進(jìn)行自主的圖形處理與分析；其高速發(fā)展對(duì)人類的進(jìn)步帶來(lái)了極大的便利，在一些危險(xiǎn)行業(yè)可以代替人力，減少人力成本，避免事故發(fā)生。視覺傳感器的研發(fā)和突破，使得移動(dòng)機(jī)器人得以自動(dòng)采集環(huán)境和道路信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理來(lái)代替人工操作，具有更強(qiáng)的可操作性和感知未知環(huán)境的能力；移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航已在美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行了長(zhǎng)期的研發(fā)，并已在汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域取得了可行的研究成果。

3.單目視覺原理

3.1視覺導(dǎo)航技術(shù)

視覺導(dǎo)航是由移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)攝像頭采集原始的道路及環(huán)境信息，對(duì)圖像進(jìn)行處理和提取后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行理解和計(jì)算，并達(dá)到導(dǎo)航的目的?，F(xiàn)有的視覺導(dǎo)航技術(shù)主要有單目、雙目和多目視覺導(dǎo)航技術(shù)。

雙目和多目視覺導(dǎo)航能夠獲取三維環(huán)境的立體信息，圖像采集內(nèi)容豐富，包括環(huán)境中各元素的相對(duì)位置、距離的關(guān)系；但其信息的獲得需要龐大的計(jì)算量，現(xiàn)有的計(jì)算速度處理這些信息需要超長(zhǎng)的時(shí)間，無(wú)法保證實(shí)時(shí)性，以目前條件還不能工程化應(yīng)用。

單目視覺導(dǎo)航能夠獲取不完全的真實(shí)環(huán)境信息，能保證獲得圖像關(guān)鍵的特征參數(shù)，但設(shè)計(jì)算法難度隨圖像復(fù)雜程度而逐漸提高；設(shè)備相對(duì)廉價(jià)，現(xiàn)有的智能化導(dǎo)航系統(tǒng)多采用此技術(shù)。

3.2單目視覺導(dǎo)航原理

單目視覺導(dǎo)航主要目標(biāo)是完成對(duì)目標(biāo)圖像中每個(gè)類別的逐像素分類。是用攝像頭得到的結(jié)果圖，將目標(biāo)圖片中所有物體進(jìn)行分類，并準(zhǔn)確描繪出每個(gè)種類物體的輪廓和所在區(qū)域，供智能移動(dòng)機(jī)器人制定行駛策略和躲避障礙物的一種導(dǎo)航方式。單目視覺導(dǎo)航在移動(dòng)機(jī)器人上的主要作用原理如下：

（1）采集圖像：通過(guò)攝像頭采集的圖像經(jīng)過(guò)提取和處理，得到道路邊緣的圖像和連線，并獲得路面上的物體距離巡檢機(jī)器人的距離和角度；道路圖像上的每一個(gè)像素點(diǎn)都唯一地對(duì)應(yīng)于道路路面上的實(shí)際的點(diǎn)。此外，提取的圖像需進(jìn)行儲(chǔ)存。該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了圖像從模擬信號(hào)到數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

（2）圖像處理：通過(guò)圖像灰度算法、圖像濾波算法、邊緣檢測(cè)算法等，對(duì)儲(chǔ)存的道路特征邊緣信息進(jìn)行提取，以獲得邊緣特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，取得特征線矩陣數(shù)據(jù)。

（3）特征提?。焊鶕?jù)圖像處理后獲得的矩陣數(shù)據(jù)，利用擬合算法獲得與道路特征線相一致的直線。

（4）控制算法：計(jì)算出道路特征線相對(duì)于巡檢機(jī)器人的實(shí)際距離和方位角。根據(jù)導(dǎo)航算法，實(shí)時(shí)調(diào)整巡檢機(jī)器人相對(duì)于道路特征線的姿態(tài)，使移動(dòng)機(jī)器人沿著算法提取的特征線移動(dòng)。

4.基于單目視覺的岸標(biāo)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單目視覺的智能化岸標(biāo)巡檢的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括智能巡檢機(jī)器人本體、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

智能巡檢機(jī)器人本體包括單目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器模塊、定位系統(tǒng)、電池供電、圖像發(fā)射裝置和臨時(shí)存儲(chǔ)等內(nèi)容。導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器交互作用，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，并得以調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，保證車體姿態(tài)直行，避免偏離巡檢路徑，同時(shí)兼具探溝的功能。抵達(dá)巡檢標(biāo)的后，通過(guò)攝像頭水平方向360°、垂直方向90°的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，配合控制系統(tǒng)，完成包括視頻、圖像、地理位置、溫度、濕度等信息的采集，并將采集信息轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)感知巡檢機(jī)器人和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入、數(shù)據(jù)傳輸以及相關(guān)的控制管理等工作，包括無(wú)線4G/5G通信傳輸鏈路、激光通信傳輸鏈路、微波通信傳輸鏈路等。智能巡檢機(jī)器人拍攝的圖像部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)傳回至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行初步分析，視頻巡檢記錄則在機(jī)器人內(nèi)臨時(shí)存儲(chǔ)。

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息的處理、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)工作以及人機(jī)交互功能等。其由智能感知遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管控工作平臺(tái)及移動(dòng)端應(yīng)用構(gòu)成，包括服務(wù)器采集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析程序以及用戶應(yīng)用軟件等。除進(jìn)行自身狀態(tài)檢測(cè)及配置巡檢任務(wù)以外，還具備完整的數(shù)據(jù)采集、報(bào)表、報(bào)警、趨勢(shì)、分析等功能。在智能巡檢中，數(shù)據(jù)分析是其最重要的功能。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景的視頻圖像內(nèi)容進(jìn)行分析，提取場(chǎng)景中的關(guān)鍵信息，并形成相應(yīng)航標(biāo)異常變動(dòng)和報(bào)警的監(jiān)控方式。借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)視頻畫面中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速分析，經(jīng)過(guò)3D數(shù)字降噪、圖像透霧、寬動(dòng)態(tài)、圖像防抖動(dòng)預(yù)處理，再進(jìn)行濃縮、檢索、復(fù)原、拼接等后處理，進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、視頻診斷等。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)多個(gè)巡檢機(jī)器人回傳的視頻、圖像內(nèi)容進(jìn)行分析，濾除用戶不關(guān)心的信息，并自動(dòng)篩選報(bào)警信息，將航標(biāo)管理員從繁重的篩選工作中解脫出來(lái)，提高智能巡檢的辨別效率。

5.展望

在智能化巡檢的實(shí)現(xiàn)上，仍有幾個(gè)問(wèn)題需要依靠技術(shù)力量突破：一是單目視覺導(dǎo)航擁有著其他傳感器導(dǎo)航無(wú)法代替的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但與道路無(wú)關(guān)的環(huán)境干擾（如巡檢道路上的雜草、雜物），使得道路識(shí)別的算法復(fù)雜度大幅增加，甚至難以識(shí)別。二是不同于電力系統(tǒng)、物流系統(tǒng)的無(wú)人巡檢，航標(biāo)的無(wú)人巡檢路途遙遠(yuǎn)，缺乏穩(wěn)定的電源供給渠道。三是因多數(shù)固定標(biāo)志都在邊遠(yuǎn)山區(qū)或人煙稀少的海灘，防盜及防迷路功能需同步開發(fā)。

6.結(jié)語(yǔ)

基于單目視覺的智能化巡檢優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，這種巡檢的質(zhì)量不受主觀因素影響，無(wú)論是工作量大還是地形惡劣，均能保證巡檢時(shí)限和強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)漏巡、錯(cuò)巡等問(wèn)題。作為關(guān)鍵載體的移動(dòng)機(jī)器人，具備可調(diào)視角攝像、圖像識(shí)別和分析的功能，并有前景搭載溫度濕度檢測(cè)、材料檢測(cè)及攀爬功能，能夠替代航標(biāo)工進(jìn)行固定標(biāo)志的巡檢工作，能夠提升工作效率和安全水平。儲(chǔ)存的圖像、聲音、視頻記錄及劣化趨勢(shì)分析功能，能夠提前發(fā)現(xiàn)航標(biāo)的異常狀態(tài)，為航標(biāo)年度維護(hù)保養(yǎng)提供依據(jù)；并與遙測(cè)遙控系統(tǒng)相結(jié)合，從數(shù)據(jù)上保障航標(biāo)效能相對(duì)穩(wěn)定，初步實(shí)現(xiàn)無(wú)人巡檢。

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