基于無人機(jī)航拍技術(shù)的地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計

(山東大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，濟(jì)南 250001)

0 引言

無人機(jī)航拍技術(shù)具有很強(qiáng)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(tǒng)中，為企業(yè)提供有力的資料，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域、土地資源管理領(lǐng)域以及資料分析領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。由于近年來科學(xué)家在無人機(jī)航拍技術(shù)中投入了大量的人力、物力和財力，所以無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)步更加顯著，將無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用到勘查工作中，可以大大縮小勘察時花費(fèi)的時間，加快信息反饋速度，即使在復(fù)雜的工作環(huán)境下，無人機(jī)航拍技術(shù)也可以快速靈活地適應(yīng)。無人機(jī)具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作時不會受到自然環(huán)境影響等優(yōu)點，因此工作人員可以隨時利用無人機(jī)控制各類設(shè)備[1]。

地面施工設(shè)備是保證地面施工工作正常運(yùn)行的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其質(zhì)量好壞直接影響施工效率，控制地面施工設(shè)備質(zhì)量一直是地面施工的重要任務(wù)之一[1]。目前的地面施工設(shè)備質(zhì)量控制方法多是采用日常檢修的方法，雖然設(shè)計了質(zhì)量控制系統(tǒng)，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(yùn)行，得到的質(zhì)量信息準(zhǔn)確度很低，且各類質(zhì)量參數(shù)描述不夠詳細(xì)。隨著科技的進(jìn)步，地面施工設(shè)備越來越復(fù)雜，對設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制越來越困難，嚴(yán)重影響施工工作的正常運(yùn)行[3]。

綜上所述，本文設(shè)計了一種新的地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用無人機(jī)航拍技術(shù)對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)通過接入層、管理層和應(yīng)用層完成硬件結(jié)構(gòu)，利用實驗對系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗證[4]。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效控制地面施工設(shè)備質(zhì)量，管理施工設(shè)備信息，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高地面施工工作效率。本文研究的控制系統(tǒng)對于地面施工工作的正常開展有一定的促進(jìn)意義。

1 地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接無人機(jī)，在確保施工工作正常運(yùn)行的情況下，對質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[5]。以傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用開放性接口設(shè)計地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)：

圖1 地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)硬件具有三層結(jié)構(gòu)，分別是接入層、管理層和應(yīng)用層，通過這三層連接，使系統(tǒng)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(jī)航拍傳來的信息，由于B/S結(jié)構(gòu)的加入，即使系統(tǒng)終端環(huán)境不同，也可正常運(yùn)行，避免客戶端配置受限的問題。數(shù)據(jù)管理層會將數(shù)據(jù)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(yīng)用數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速追蹤和查找。應(yīng)用端使用手持設(shè)備和PC端，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上傳采集的數(shù)據(jù)，從而配置出有效的控制方案，實現(xiàn)地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制工作。通過本文設(shè)計的地面施工設(shè)備控制系統(tǒng)可以加強(qiáng)信息可視化和共享化[7]。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括的硬件設(shè)備有：底座、固定支撐設(shè)備、移動支撐設(shè)備、水平測量儀、上升機(jī)構(gòu)和下降機(jī)構(gòu)。為了使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，精度更高，所有的系統(tǒng)硬件設(shè)備都應(yīng)該采用伺服系統(tǒng)，在減速器中控制輸出的動力，加快質(zhì)量控制的速度[8]。

1.1 控制主機(jī)設(shè)計

本文設(shè)計的施工設(shè)備質(zhì)量控制系統(tǒng)要同時滿足安全控制、自由度控制等條件。系統(tǒng)的控制主機(jī)為HT500主機(jī)，該主機(jī)內(nèi)部設(shè)置了2路能夠獨立運(yùn)動的支撐鏈，這2路支撐鏈在三維坐標(biāo)下沿著不同的方向運(yùn)行，第一路沿著Y軸方向運(yùn)行，針對不同長度的地面施工設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行控制，控制時不斷調(diào)整支撐距離，提高控制效率，第二路沿著Z軸方向運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)與被控設(shè)備進(jìn)行承接工作，確保被控制的設(shè)備在工作過程足夠安全，與傳感器不會產(chǎn)生沖擊。為了加強(qiáng)控制主機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，系統(tǒng)利用PLC實現(xiàn)主機(jī)的控制工作[9]。控制主機(jī)的工作原理如圖2所示。

圖2 控制主機(jī)工作原理

控制主機(jī)主要負(fù)責(zé)連接子系統(tǒng)和中心系統(tǒng)，確保提供的指令正常運(yùn)行，將得到的各個信號信息發(fā)送給傳感器?？刂浦鳈C(jī)針對地面施工設(shè)備質(zhì)量測量平臺、PLC 控制系統(tǒng)和計算系統(tǒng)進(jìn)行工作。

1.2 傳感器設(shè)計

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

圖3 處理器結(jié)構(gòu)

傳感器能夠利用多種物理量控制地面施工設(shè)備的各項物理參數(shù)。當(dāng)傳感器內(nèi)部采用的光纖為SM和PM光纖時，利用磁致伸縮現(xiàn)象，可以很好地控制地面施工設(shè)備的電流和磁場；利用電致伸縮現(xiàn)象，可以控制設(shè)備周圍電場和電壓；通過Sagnac效應(yīng)可以控制設(shè)備的角速度；根據(jù)光彈效應(yīng)能夠控制設(shè)備的振動、所受壓力、加速度；使用干涉能夠控制設(shè)備溫度。當(dāng)傳感器內(nèi)部光纖為MM光纖時，通過分析半導(dǎo)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(shè)備的溫度；利用振動膜和液晶反射原理改變設(shè)備的振動情況、所受壓力以及產(chǎn)生的位移；根據(jù)氣體分子吸收原理，控制設(shè)備周圍環(huán)境氣體濃度。當(dāng)傳感器內(nèi)部光纖為SM光纖時，利用法拉第效應(yīng)，改變施工設(shè)備的電流和磁場；使用雙折射變化，控制設(shè)備溫度；通過泡克爾斯效應(yīng)控制的設(shè)備電場和電壓。本文設(shè)計的光纖傳感器還具備很強(qiáng)的絕緣能力，防爆性能好，抗腐蝕能力強(qiáng)。

1.3 處理器設(shè)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(diào)控系統(tǒng)控制狀態(tài)。處理器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 處理器結(jié)構(gòu)

對于傳感器反饋的信息以運(yùn)算的方式處理，處理器內(nèi)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(jìn)行一系列調(diào)整。為了強(qiáng)化處理效果，本文利用磁場補(bǔ)償原理在處理結(jié)構(gòu)中加入了電流互感器，對所有處理的電流信息進(jìn)行實時監(jiān)控。模擬電壓信號在AD轉(zhuǎn)換芯片中實現(xiàn)采樣工作和轉(zhuǎn)換工作，本文設(shè)計的AD轉(zhuǎn)換芯片能夠同時上傳三相數(shù)據(jù)。處理其內(nèi)部的通信模式為RS485通訊模式，能夠確保上位機(jī)實時接收到各類參數(shù)值，根據(jù)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(tǒng)處理器，本文研究的處理器運(yùn)算速度提高了2倍以上，滿足實時控制地面施工設(shè)備的要求。通過加入現(xiàn)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(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計后，引用無人機(jī)航拍技術(shù)對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行開發(fā)，軟件流程如圖5所示。

圖5 地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件流程

第一步：利用無人機(jī)航拍技術(shù)獲取地面施工設(shè)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(shè)施所處環(huán)境復(fù)雜，所以要合理布設(shè)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(zhǔn)確性。通過無人機(jī)航拍技術(shù)獲取的地面施工設(shè)備信息需要加密，便于之后的處理工作。本文同時設(shè)計了無人機(jī)遙感平臺、飛機(jī)控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)，通過這三個系統(tǒng)聯(lián)合工作，獲取施工設(shè)備質(zhì)量信息，這樣的獲取方式快速準(zhǔn)確。定位系統(tǒng)加入了加速度計，實現(xiàn)地面施工設(shè)備質(zhì)量信息的定點采集。通過數(shù)字化監(jiān)控的方式監(jiān)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(shè)置、相機(jī)設(shè)定、數(shù)據(jù)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(shè)備質(zhì)量信息處理。在無人機(jī)航拍技術(shù)下，采集到的地面施工質(zhì)量信息以遙感相片的方式儲存，所有的參數(shù)記錄在文件中，統(tǒng)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(qiáng)控制質(zhì)量，必須要找到被控設(shè)備的初始位置和旋轉(zhuǎn)后的位置，通過四點法則控制設(shè)備質(zhì)量信息。針對不同長度和形狀的設(shè)備采取的控制方法也不同，選擇的最優(yōu)控制距離也不同，平臺內(nèi)部的支撐距離應(yīng)該是可以調(diào)節(jié)的。地面設(shè)施的控制端面并非地面，而是被測對象的端面，系統(tǒng)沿著水平運(yùn)動端面處理信息，使信息處理工作更加便于調(diào)整。航拍得到的大量信息都要按照制定的要求進(jìn)行處理，在經(jīng)過航帶評定、質(zhì)量設(shè)定、照片預(yù)處理、信息更正等。

第三步：地面施工設(shè)備質(zhì)量信息遠(yuǎn)程控制。使用空中三角控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控地面施工設(shè)備質(zhì)量，由于空中三角有著很好的控制位置，所以在遠(yuǎn)程控制地面施工設(shè)備質(zhì)量信息中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。在科學(xué)融合航帶列表后，確定設(shè)備質(zhì)量信息之間的關(guān)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(qiáng)的推斷能力，所有的相關(guān)信息都可以在三維虛擬地形地物中以可視化的方式呈現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)庫會以圖像和表格的方式展示所有的數(shù)據(jù)，工作人員再根據(jù)得到的數(shù)據(jù)設(shè)定具體的控制方案。控制時，會建立一個與被控制設(shè)備信息相符的規(guī)模網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)中劃分各種GPS坐標(biāo)點，并找出坐標(biāo)點在三維坐標(biāo)系中的位置，從而進(jìn)行具體的控制。

第四步：控制結(jié)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(xiàn)CCD畸變，要根據(jù)設(shè)備的實際比例糾正影響比例，畸變參數(shù)設(shè)置成K，非畸變參數(shù)設(shè)置成P，利用比例系數(shù)糾正信息?？刂坪蟮臄?shù)據(jù)信息要利用正射影像的方式匹配，確定重疊后的柵格數(shù)據(jù)DEM點，找準(zhǔn)切面，顯示控制結(jié)果。

3 驗證實驗

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了檢測本文設(shè)計的基于無人機(jī)航拍技術(shù)的地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實際效果，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對比，在串級姿態(tài)下對控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行了實驗研究。

3.2 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

3.3 實驗過程

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實驗，選用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文設(shè)定的控制系統(tǒng)對同一批地面施工設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行控制，分析兩種系統(tǒng)在控制過程中產(chǎn)生的誤差，從而判定兩種系統(tǒng)的工作效果。

3.4 實驗結(jié)果與分析

沿x軸產(chǎn)生的控制誤差對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)系統(tǒng)沿x軸產(chǎn)生的控制誤差

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

傳統(tǒng)系統(tǒng)在零點定位上有著很大局限性，一旦零點定位不準(zhǔn)確，水平調(diào)整也會不標(biāo)準(zhǔn)，一旦空間位置不平衡，系統(tǒng)在控制時就會出現(xiàn)不均勻和不穩(wěn)定的結(jié)果。和遠(yuǎn)程控制相比，地面控制更容易受到環(huán)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(jié)果。

除此之外，傳統(tǒng)系統(tǒng)過于依賴人工操作，如果控制人員知識不夠充足，就會導(dǎo)致控制結(jié)果不準(zhǔn)確。即使工作人員經(jīng)驗豐富，也會出現(xiàn)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(fù)執(zhí)行控制工作，才能得到比較好的控制結(jié)果，多次操作又導(dǎo)致工作成本大大提高。

圖7 本文系統(tǒng)沿x軸產(chǎn)生的控制誤差

本文研究的控制系統(tǒng)引入了無人機(jī)航拍技術(shù)，只需要由中心系統(tǒng)分析無人機(jī)航拍得到的影像即可，不需要過多的人工操作，絕大多數(shù)的操作都可以由機(jī)器設(shè)備直接執(zhí)行，精準(zhǔn)度高，控制能力強(qiáng)。由于不需要地面測量，整個控制過程不會受到外部環(huán)境影響，定位結(jié)果與實際結(jié)果比較吻合。本文系統(tǒng)強(qiáng)化了硬件設(shè)備和軟件設(shè)備，在設(shè)施的使用中加以強(qiáng)化，優(yōu)良的操控系統(tǒng)和硬件設(shè)施，有效加強(qiáng)了控制結(jié)果。將傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)的控制誤差結(jié)果輸入至Origin軟件中呈現(xiàn)如下圖像：

圖8 控制誤差對比

由圖8可知傳統(tǒng)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(tǒng)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(shè)計的地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的控制能力，在控制過程中，產(chǎn)生的誤差率小，控制效果好，花費(fèi)成本低，對于人力、物力和財力更小。相較于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，本文研究的系統(tǒng)在控制過程展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，具有很廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié)束語

無人機(jī)航拍技術(shù)能夠利用無人機(jī)對地面上的施工設(shè)備進(jìn)行多角度航空拍攝，從而獲得較為精準(zhǔn)地設(shè)備信息。本文將無人機(jī)航拍技術(shù)引入到地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計中，該系統(tǒng)能夠取代傳統(tǒng)的控制模式，在遠(yuǎn)距離就可以實現(xiàn)地面施工設(shè)備質(zhì)量的控制工作，消耗成本更低，靈活性強(qiáng)，同時更加安全，對于提高地面施工質(zhì)量有著很強(qiáng)的促進(jìn)意義。

雖然本文系統(tǒng)具備上述優(yōu)點，但是在工作過程仍然會產(chǎn)生一定的誤差，為進(jìn)一步提高地面施工設(shè)備質(zhì)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(jìn)行深入研究：引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提高控制精度；優(yōu)化控制系統(tǒng)各項參數(shù)，擴(kuò)大控制范圍；增加驅(qū)動設(shè)備，實現(xiàn)全自動化控制；加強(qiáng)軟件設(shè)備，增加審核系統(tǒng)，減小工作過程產(chǎn)生的誤差率。