基于實景模型的無人機艙容測量方法

胡敏捷，楊榮淇，沈繼飛，張文濤，蘇雪龍

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前 言

近年來隨著圖像處理、計算機視覺、人工智能以及新型傳感器和定位、 定姿等技術(shù)快速發(fā)展，利用無人機搭載傳感器開展測量已成為國內(nèi)外研究的熱點。 無人機測量具有高精度、操作方便、成本低和極強的應(yīng)急與快速反應(yīng)能力等無可比擬的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護與自然災(zāi)害監(jiān)測評估、礦產(chǎn)資源勘探及城市規(guī)劃中。 船艙和立式油罐內(nèi)往往有各類的結(jié)構(gòu)件和管系，在容量計量時采用全站儀等儀器地面設(shè)站方法測量時由于遮擋會造成部分區(qū)域死角無法測量，尤其在頂部區(qū)域因儀器仰角過大會造成較大數(shù)據(jù)偏差， 影響了容量計量的準(zhǔn)確度。 無人機飛行平臺從不同的角度采集影像，可以保證每個位置多角度全方位的影像覆蓋，有效地避免了遮擋影響，逐步成為容量計量檢測領(lǐng)域新的高效技術(shù)手段。

無 人 機 通 常 采 用GNSS 定 位［1］，應(yīng) 用 于 船 艙 或油罐這樣封閉的環(huán)境首先需要解決因沒有GNSS 信號造成無人機無法定位的難題，才能實現(xiàn)無人機平穩(wěn)飛行和數(shù)據(jù)采集。 實景三維模型輔助下多旋翼無人機自主飛行數(shù)據(jù)采集方法，通過全景云臺相機建立艙室和罐內(nèi)粗略實景三維模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計艙室及油罐內(nèi)三維航線，并通過飛行控制軟件控制無人機根據(jù)航線飛行定點采集影像數(shù)據(jù)。

1 實景三維航線設(shè)計

無人機搭載影像設(shè)備開展測量利用了傾斜攝影測量技術(shù)多角度攝影，要求相對航高、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關(guān)系。 要形成三維模型，航線設(shè)計旁向重疊度需要到達66%，航向重疊度也需要達到66%。 這些要求單靠人工操控?zé)o人機飛行是無法滿足的，必須利用飛控系統(tǒng)使無人機接收并解譯獨立坐標(biāo)系下的飛行航線文件再自主飛行來完成飛行任務(wù)。 為此首先要生成粗略三維實景模型供后續(xù)航線設(shè)計中使用［2］。

三維粗略實景模型建立方法是采用搭載全景云臺的相機對室內(nèi)影像數(shù)據(jù)進行全景影像采集，如圖1 所示，同時通過搭載地面拍攝腳架從多角度進行拍照。 全景云臺優(yōu)點在于在水平和垂直方向均可調(diào)節(jié)角度拍攝。 通過三維重建軟件對拍攝的影像進行全景拼接生成點云，自動生成TIN 網(wǎng)格模型，通過紋理映射生成室內(nèi)粗略三維實景模型，如圖2 所示。

圖1 拍攝云臺

圖2 室內(nèi)粗略三維模型圖

基于實景的三維航線精細(xì)設(shè)計是指在場景點云或mesh 模型上進行交互式的航線規(guī)劃。 需要經(jīng)過選擇航點、設(shè)置拍攝云臺角度、預(yù)覽拍攝范圍、刪改編輯等步驟增加室內(nèi)影像采集的質(zhì)量。 此外，通過將航點連接而成的航線與三維模型的空間運算，可以檢查出航線與障礙物的沖突，提高室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的飛行安全性。 圖3 是航線設(shè)計的作業(yè)流程。無人機艙室室內(nèi)飛行路線主要分為3 條，分別為無人機對艙頂拍攝飛行路線、對艙室底部的拍攝路線和對艙壁的拍攝路線。 當(dāng)近地面有障礙物時，需要考慮飛行器與周圍障礙物的有效距離，還要考慮相機拍攝影像的重疊度以及是否完全獲取室內(nèi)全部影像。 在攝像角度和位置以及拍攝的重疊度要求較高的飛行中，為了提高無人機飛行效率和飛行的安全性以及保證獲取高質(zhì)量的影像，必須結(jié)合室內(nèi)環(huán)境制定相應(yīng)的飛行規(guī)劃。

圖3 航線設(shè)計流程圖

航線設(shè)計主要完成以下工作： 選擇三維航點，設(shè)定航點處無人機和相機動作，根據(jù)航點自動連接生成航線。 通過在航點處預(yù)覽拍攝范圍，檢查拍攝區(qū)域。 通過航線與實景三維模型空間運算，檢查航線與障礙物的沖突情況。 整個航線設(shè)計主要可分為五大步驟：

1） 單航點設(shè)置。 在實景三維模型上，設(shè)置無人機航高后在場景中出現(xiàn)平行與XOY 平面的參考面。 在參考面上選取航點。 設(shè)置此航點處相機參數(shù)設(shè)置：相機拍攝參數(shù)（相機俯仰角）以及在某一航點處根據(jù)不同的拍攝角度拍攝多張影像和無人機飛行狀態(tài)設(shè)置機頭轉(zhuǎn)向角（多旋翼無人機以正北方向作為零度方向從而設(shè)置機頭轉(zhuǎn)向角）。

2） 航線段設(shè)置。 在實景三維模型上，設(shè)置無人機航高后在場景中出現(xiàn)平行與XOY 平面的參考面。 在參考面上選取兩航點，兩航點間設(shè)置為航線段，根據(jù)影像重疊度要求，自動在線段之間插值生成多個航點，航點參數(shù)均勻設(shè)置。

3） 障礙物判斷。 在航線段設(shè)置的時候，飛行路徑根據(jù)實景對障礙物遮擋判斷，即判斷飛行軌跡是否與三維模型相交。 如果航線段前方有遮擋，調(diào)整航高或另設(shè)置單航點。

4）航線串連。根據(jù)所有航點的位置及邏輯順序關(guān)系對所有航點進行串連，按照就近和航高由低至高的原則進行串連航點。

5）航線檢查。在飛行路線設(shè)計完成后要對航點的拍照范圍進行模擬顯示，從而進行觀察航點設(shè)計是否合理， 影像間的重疊度是否滿足實際要求，根據(jù)需要進一步修改飛行航點。

2 無人機自主飛行控制和應(yīng)用

IMU 慣性導(dǎo)航單元控制無人機自主飛行時，先將無人機放置在航點起點位置，然后垂直飛行到航點位置，實時計算無人機位置姿態(tài)信息，通過與設(shè)計航點位置比較，再次校準(zhǔn)無人機位置并根據(jù)航點處的設(shè)置拍照。 根據(jù)航點處設(shè)置的航向信息和距離信息，IMU 慣性測量單元控制無人機飛向下個航點，到達航點后再次進行位置修正。 由于無人機機載運算能力有限，將無人機獲取的單張定位影像傳輸至地面站進行單像的位姿估計，再將定位信息傳輸至無人機，以修正無人機的位置。

飛行位置姿勢信息實時計算采用基于3D-2D匹配的視頻流計算方法。 3D-2D 匹配是指三維模型特征點與二維圖像特征點的匹配，三維模型特征點即場景的稀疏點云。分別建立3D 和2D 特征點的描述符，然后以描述符空間內(nèi)的距離為度量，搜尋3D和2D 特征點的匹配。 具體的方法是從視頻流中截取關(guān)鍵幀影像和三維粗略實景模型匹配同名點對通過單像空間后方交會的方法計算拍照位置和姿態(tài)。 通過自適應(yīng)匹配實景三維模型上的三維點以及影像上的二維點的四組點對以上， 進行單像空間后方交會計算在影像拍照時的姿態(tài)和位置，從而進行輔助判斷飛行位置與姿態(tài)是否到達預(yù)設(shè)定的位置［3］。

視覺位姿判斷主要包含兩個關(guān)鍵步驟：一是待解算影像與已知的場景信息建立關(guān)系，即場景三維模型的特征點與二維影像的特征點匹配；二是基于三維與二維特征點的對應(yīng)關(guān)系，使用空間后方交會的方法求解影像的外方位元素，從而獲得無人機的位姿。 單像空間后方交會是由已知圖像內(nèi)容n 個參考點的圖像二維坐標(biāo)和世界坐標(biāo)系中對應(yīng)的三維坐標(biāo)以及攝像頭內(nèi)方位參數(shù)，求解影像外方位元素。

編輯好的航線存于實景底圖軌跡文檔數(shù)據(jù)中，無人機自主飛行時，在航點處實時反饋無人機位置和姿態(tài)信息與設(shè)計航點進行對比，修正無人機位置和姿態(tài)，然后進行拍照采集影像，完成后飛向下一個航點。 控制流程如圖4 所示。

圖4 無人機飛行控制流程圖

利用全景云臺、相機、無人機、影像測量系統(tǒng)等組成的無人機影像法測量系統(tǒng)，對某大型油船的艙室進行測量。該艙室容積約為18 000 m3，高度在28 m左右，現(xiàn)場圖片見圖5 和圖6。在船艙內(nèi)均勻布設(shè)標(biāo)志點，并使用紋理投射器投射紋理，全站儀和測距儀采集標(biāo)志點坐標(biāo)并實現(xiàn)多站三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)一。 測量時利用全景云臺和地面手持相機在船艙內(nèi)采集影像數(shù)據(jù)，使用專業(yè)圖像軟件建立艙室內(nèi)場景模型，如圖7 所示。

圖5 現(xiàn)場艙內(nèi)測量圖

圖6 艙內(nèi)無人機影像

圖7 船艙三維模型

使用全景影像快速自動三維重建軟件構(gòu)建艙室低精度三維實景模型作為無人機船艙內(nèi)飛行航線規(guī)劃底圖。 在場景模型中規(guī)劃無人機飛行路線和影像采集頻率，然后操控?zé)o人機進行飛行和數(shù)據(jù)采集，將飛行軌跡和影像數(shù)據(jù)傳回到地面站。 最終檢查影像重疊度，通過拍攝的范圍檢查是否存在漏拍的區(qū)域，對漏拍的區(qū)域進行補飛。 最后采用國家規(guī)程方法進行測量，對比驗證無人機影像測量法的準(zhǔn)確可靠性。

3 結(jié) 語

基于室內(nèi)實景模型的無人機艙容測量方法，航線規(guī)劃可視性強，自動化程度高，操縱靈活。 根據(jù)實際項目對影像分辨率的要求選取航點、 重疊度、航高和拍攝角度，設(shè)計出最優(yōu)航線，保障室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境飛行任務(wù)的安全性。 在實際測量中效果良好，可以全面獲取室內(nèi)影像并保證影像質(zhì)量。 多旋翼無人機不僅可應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境下測量容積，還可用于艙內(nèi)或者罐內(nèi)管線巡檢、 涂裝檢查等封閉空間作業(yè)，有廣泛的應(yīng)用前景。