基于無人機(jī)的建筑物裂縫圖像采集與處理系統(tǒng)

李孟軍 郭運(yùn)沖

（河南大學(xué)，河南 開封475000）

隨著國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，早期建設(shè)的高層建筑物表面會(huì)出現(xiàn)裂縫，影響建筑物的正常使用。表面裂縫可發(fā)展成具有破壞性的深長(zhǎng)裂縫，進(jìn)而影響建筑物的整體性[1]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑物表面裂縫并加以維護(hù)，能夠?yàn)榻ㄖ锏馁|(zhì)量評(píng)估提供一定的參考和依據(jù)，有利于降低修復(fù)的成本，保障建筑與人身的安全[2]。目前以建筑物表面裂縫為代表的質(zhì)量安全隱患大多以人工方式進(jìn)行檢查，人工檢查效率較低且檢測(cè)結(jié)果不客觀，檢測(cè)人員的主觀因素影響較大，無法滿足智能化的建筑物裂縫檢測(cè)需求?？傮w來說，傳統(tǒng)建筑物裂縫圖像采集與處理技術(shù)仍處于基礎(chǔ)階段，功能不夠全面。本文針對(duì)高層建筑物表面裂縫圖像難以獲取及墻面裂縫背景復(fù)雜等問題，提出一種基于無人機(jī)的建筑物表面裂縫圖像采集與處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案及原理

該系統(tǒng)主要包括主控制系統(tǒng)、圖像采集裝置、輔助照明系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、定位控制系統(tǒng)、圖像無線傳輸、地面站圖像處理系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用STM32F103ZET6 作為主控芯片[3]，利用圖像傳感器OV7670 與強(qiáng)光光源組成裂縫圖像采集系統(tǒng)，搭載MPU6050 六軸傳感器用于檢測(cè)無人機(jī)的飛行姿態(tài)并進(jìn)行偏航角的控制，基于S1216F8-BD 模組與光流模塊的無人機(jī)定位控制系統(tǒng)，通過nRF24L01 無線收發(fā)模塊進(jìn)行通信控制與圖像數(shù)據(jù)傳輸，采用地面站MATLAB 圖像處理工具對(duì)建筑物表面裂縫圖像進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)與選型分析

2.1 系統(tǒng)主控芯片

系統(tǒng)采用ST 公司系列產(chǎn)品STM32F103ZET6 芯片作為無人機(jī)核心處理控制芯片，該芯片擁有的資源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2 個(gè)基本定時(shí)器、4 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2 個(gè)DMA 控制器、3 個(gè)SPI、2 個(gè)IIC、5 個(gè)串口、1 個(gè)USB、1個(gè)CAN、3 個(gè)12 位ADC、1 個(gè)12 位DAC、1 個(gè)SDIO 接口、1 個(gè)FSMC 接口以及112 個(gè)通用IO 口。該芯片在STM32F103 里面配置非常強(qiáng)大，所以選擇它作為無人機(jī)圖像采集控制系統(tǒng)的主控芯片。

2.2 圖像采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)的圖像傳感器采用OmniVision 公司的OV7670 模塊，該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB 總線控制，該傳感器VGA 圖像最高達(dá)到30 幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。OmmiVision 圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)特的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)或電子缺陷如圖案噪聲、拖尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰穩(wěn)定的彩色圖像?？刂撇糠滞ㄟ^對(duì)OV7670圖像傳感器寄存器的讀寫方式完成攝像頭模塊的初始化，將采集到的圖像數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在AL422B 芯片中，通過SCCB 接口對(duì)AL422B 芯片進(jìn)行讀寫，將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32 微控制器中，圖像數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到地面站。

2.3 姿態(tài)控制模塊

本系統(tǒng)姿態(tài)控制部分采用InvenSense 公司的MPU6050 芯片，該芯片內(nèi)部整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速度傳感器，并可利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎，通過主IIC 接口，輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)。飛行器采集圖像中，姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)獲取飛行器的狀態(tài)信息，將實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給控制器，通過無線通訊模塊將遙控器的設(shè)定數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)姿態(tài)信息結(jié)合控制算法計(jì)算控制器輸出的PWM 信號(hào)，保持飛行器穩(wěn)定飛行。

2.4 定位控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)可以根據(jù)建筑物場(chǎng)景需求選擇定位、高度傳感器。如果建筑物地面周圍紋理明顯，可以采用PMW3901 光流傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量水平移動(dòng)，PMW3901 是PixArt 公司最新的高精度低功耗光學(xué)追蹤模組，可直接獲取xy 方向運(yùn)動(dòng)信息，VL53L1X 激光傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量距離，VL53L1X 是ST 公司的激光測(cè)距傳感器，該芯片集成了激光發(fā)射器、SPAD 紅外接收器、物理紅外濾波器和光學(xué)元件，無論目標(biāo)顏色和反射率如何，都可以進(jìn)行距離測(cè)量，其抗干擾能力更強(qiáng)。如果是飛行高度較高、地面無明顯特征的情況，可以采用GPS 進(jìn)行定位控制，核心采用SkyTraq 公司的S1216F8-BD 模組，具有167 個(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)-165dBm，測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)20Hz。從而能判斷當(dāng)前的速度和位置，發(fā)送信息到控制端。

2.5 圖像無線傳輸系統(tǒng)

本系統(tǒng)的無線通信傳輸采用nRF24L01 模塊，nRF24L01 是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器，晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。該模塊抗干擾性能強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，采用高效GFSK 調(diào)制，126 頻道可滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信需要，低功耗1.9-3.6V 工作，待機(jī)模式狀態(tài)下電流22uA，具有低工作電壓、低功耗和便于開發(fā)等特點(diǎn)，控制與圖像數(shù)據(jù)傳輸部分選擇nRF24L01 具有很大的優(yōu)勢(shì)。

3 地面站圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在掌握建筑物裂縫特征基礎(chǔ)上，結(jié)合使用無人機(jī)和圖像處理技術(shù)，通過分析無人機(jī)傳輸?shù)降孛嬲镜膱D像，使用MATLAB軟件平臺(tái)，智能快速地對(duì)建筑物表面裂縫進(jìn)行特征檢測(cè)，以便及時(shí)地處理和修復(fù)建筑物表面的裂縫。通過對(duì)建筑物表面裂縫采集、圖像預(yù)處理、圖像邊緣檢測(cè)和提取、圖像二值化、圖像特征測(cè)量等，實(shí)現(xiàn)了一種智能的建筑物裂縫圖像采集處理系統(tǒng)。圖像處理流程如圖2 所示。

圖2 圖像處理流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

搭建好完整的無人機(jī)圖像采集系統(tǒng)后，適當(dāng)調(diào)整圖像傳感器、輔助光源的角度與位置，通過無線傳輸可以在地面站查看采集到的裂縫圖像，根據(jù)圖像的質(zhì)量適當(dāng)調(diào)整成像效果，直至裂縫圖像清晰。地面站圖像處理系統(tǒng)是基于MATLAB R2019a，MATLAB 圖像處理工具箱內(nèi)置了數(shù)字圖像處理的基本函數(shù)和通用算法，同時(shí)提供了可用于二次開發(fā)的程序編譯平臺(tái)。對(duì)采集到的建筑物裂縫圖像進(jìn)行處理，其結(jié)果如圖3 所示。

圖3 圖像處理結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文介紹設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的建筑物表面裂縫圖像采集與處理系統(tǒng)，詳細(xì)分析了飛行器的結(jié)構(gòu)方案和地面站數(shù)字圖像處理方案，解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)效率低、結(jié)果誤差大等問題。通過飛行器采集圖像，對(duì)裂縫圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可有效的實(shí)現(xiàn)建筑物表面裂縫圖像采集及圖像處理，有較高的實(shí)用價(jià)值。