復(fù)雜排水隧洞無(wú)人機(jī)巡檢定位導(dǎo)航技術(shù)

0 引言

長(zhǎng)江流域蘊(yùn)含著豐富的水力資源，長(zhǎng)江干流上相繼建成了葛洲壩、三峽、溪洛渡、向家壩等眾多大型水電站[1-2]，在能源供應(yīng)等方面發(fā)揮著重要作用。排水洞是水電站的重要組成部分，承擔(dān)著將處理過(guò)后的水資源重新引入自然水系的關(guān)鍵任務(wù)，其對(duì)于水電站的正常運(yùn)行和水資源循環(huán)起著不可或缺的作用。排水洞通常是以鋼筋混凝土為主體的幾何拉伸結(jié)構(gòu)[3，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，存在較多支洞。常年的水流沖刷和泥沙、垃圾堆積，會(huì)導(dǎo)致管道壁面出現(xiàn)沖擊坑、裂縫、滲水等問(wèn)題，甚至導(dǎo)致管道坍塌，影響水流的正常排放。因此，對(duì)管道壁面的巡檢至關(guān)重要[4]

湖北宜昌某水電站排水洞長(zhǎng)度約 2 000m ，環(huán)境惡劣，可能出現(xiàn)塌方、積水等安全問(wèn)題。采用傳統(tǒng)人工巡檢方式開(kāi)展排水洞檢查，時(shí)間長(zhǎng)、效率低、費(fèi)用高、難度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大[5-6]。近年來(lái)，隨著機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等技術(shù)的迅速發(fā)展，為各類(lèi)復(fù)雜環(huán)境巡檢提供了新的可能[7-8]。在電力巡檢、城市車(chē)道線(xiàn)提取、大壩安全監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)已經(jīng)展示出其優(yōu)勢(shì)[9-13]

該排水洞具有典型的復(fù)雜排水隧洞特征，隧洞環(huán)境封閉且無(wú)GPS信號(hào)覆蓋，隧洞內(nèi)部常年處于弱光甚至無(wú)光條件，內(nèi)部包含多個(gè)支洞和分叉，其結(jié)構(gòu)通常為長(zhǎng)且狹窄的幾何通道，橫截面寬、高 2～12m 不等。無(wú)人機(jī)需要精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)隧洞內(nèi)的障礙物等不利條件，航跡規(guī)劃面臨新的挑戰(zhàn)[14-15]，傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)難以在這種環(huán)境中保持高精度穩(wěn)定飛行[16]

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種針對(duì)復(fù)雜排水隧洞的無(wú)人機(jī)巡檢航跡規(guī)劃方法。首先利用單線(xiàn)激光雷達(dá)和雙目相機(jī)組成的多傳感器融合控制系統(tǒng)，通過(guò)解算雙目相機(jī)的位姿和實(shí)時(shí)獲取的激光雷達(dá)信息來(lái)估計(jì)偏航角，然后提出了一種識(shí)別并處理螺旋線(xiàn)形狀的方法，通過(guò)識(shí)別左右側(cè)點(diǎn)云進(jìn)行支洞識(shí)別，避免偏移。

1 無(wú)人機(jī)巡檢方法

1.1 無(wú)人機(jī)偏航角估計(jì)

為了提高無(wú)人機(jī)在排水洞中的巡檢效率和安全性，提出一種自動(dòng)尋找偏航角的方法。在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，利用單線(xiàn)激光雷達(dá)和雙目相機(jī)組成的多傳感器融合控制系統(tǒng)，通過(guò)解算雙目相機(jī)的位姿和實(shí)時(shí)獲取的激光雷達(dá)信息來(lái)估計(jì)偏航角。

在由單線(xiàn)激光雷達(dá)和雙目相機(jī)為主組成的多傳感器融合控制系統(tǒng)中，一方面，偏航角定位估計(jì)可基于雙目相機(jī)的位姿解算獲?。涣硪环矫?，目標(biāo)點(diǎn)發(fā)布的偏航角估計(jì)則需綜合實(shí)時(shí)偏航角、激光雷達(dá)信息以及無(wú)人機(jī)自身位置信息來(lái)確定[17-18]。如圖1所示，無(wú)人機(jī)在飛行的過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整自身偏航角，保證飛行安全。

在實(shí)際飛行過(guò)程中，由單線(xiàn)激光雷達(dá)的點(diǎn)云可實(shí)時(shí)獲得無(wú)人機(jī)在截面上的點(diǎn)云信息。假設(shè)存在一連串有序的形心集合，考慮到只需計(jì)算偏航角，故可以只考慮單線(xiàn)激光雷達(dá)左右兩側(cè)點(diǎn)云；或計(jì)算形心后，只考慮其兩側(cè)的坐標(biāo)值。

以隧洞的軸向定義為 X 方向，即無(wú)人機(jī)的前進(jìn)方向，如圖1中的虛線(xiàn)所示。同時(shí)，隧洞的橫向截面的水平左右方向被定義為 Y 方向。為了具體說(shuō)明偏航角計(jì)算方式，本文以單線(xiàn)激光雷達(dá)掃描的截面點(diǎn)云為例（圖2）。偏航角的計(jì)算方法如式（1）所示。

式中： P_i（x_i，y_i，z_i） 和 P_i-1（x_i-1，y_i-1，z_i-1） 為無(wú)人機(jī)前后兩個(gè)相鄰位置的世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值； θ_i 為 P_i 與 P_i-1 的連線(xiàn)與 X 軸的夾角，可以用它來(lái)表示偏航角； ω 為角速度； Ψ_tΨ_t 為時(shí)間。

考慮到空間立體結(jié)構(gòu)通常是連續(xù)封閉結(jié)構(gòu)，且涵洞、管道較少存在突變結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)公式（1）計(jì)算飛行過(guò)程中的前 n 幀形心信息來(lái)推測(cè)下一時(shí)刻的偏航角，即第 ⁿ⁺¹ 幀時(shí)的偏航角。

由式（1）的第一個(gè)公式可以將形心點(diǎn)集轉(zhuǎn)化為偏航角的集合 θ₁，…，θ_n-1∈θ} ，共 n 個(gè)偏航角。根據(jù)均值估計(jì)，前 n 個(gè)點(diǎn)的權(quán)重一致時(shí)，第 n 個(gè)點(diǎn)處的平均偏航角 θ_n-1 可以表示為

傳統(tǒng)的同權(quán)重估計(jì)方法為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)所有因素的權(quán)重相等。然而，在復(fù)雜環(huán)境中，這種假設(shè)往往無(wú)法真實(shí)反映影響因素的重要性，可能導(dǎo)致較大偏差。例如，在無(wú)人機(jī)巡檢中，隧洞內(nèi)不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和障礙物分布各異，簡(jiǎn)單地對(duì)所有傳感器數(shù)據(jù)賦予相同權(quán)重，可能忽略了某些關(guān)鍵區(qū)域的特殊需求，導(dǎo)致導(dǎo)航精度下降。例如，隧洞的拐彎區(qū)域由于幾何復(fù)雜性較高，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的依賴(lài)性也更強(qiáng)，但同權(quán)重估計(jì)可能稀釋這些區(qū)域的數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生偏航角估計(jì)的誤差。

當(dāng)偏航角發(fā)生變化時(shí)，變化瞬間的偏航角應(yīng)該賦予更大的權(quán)重，越接近當(dāng)前時(shí)刻的偏航角，其權(quán)重應(yīng)該越大。因此，將前 n 個(gè)形心的權(quán)重設(shè)為一致時(shí)，會(huì)出現(xiàn)前 n-1 個(gè)點(diǎn)稀釋第 n 個(gè)點(diǎn)偏航角的問(wèn)題，見(jiàn)圖3。

當(dāng)無(wú)人機(jī)位于 A 位置時(shí)，其后續(xù)的偏航角應(yīng)該為A 位置的偏航角 θ_k ，但若采用同權(quán)重的估計(jì)方式，則偏航角的角度會(huì)被弱化為 ，且當(dāng)k值越大，即當(dāng)納入考慮的形心數(shù)據(jù)越多時(shí)，其估計(jì)值和真實(shí)值的偏差會(huì)越大。

為了解決同權(quán)重所帶來(lái)的問(wèn)題，本文對(duì)同權(quán)重的方法進(jìn)行優(yōu)化，將式（2）改寫(xiě)為式（3）的動(dòng)態(tài)加權(quán)偏航角估計(jì)法：

θ_n-1=a₀θ_n-2+a₁θ_n-3+a₂θ_n-4+…+a_n-2θ₀

其中，權(quán)重系數(shù) （a₀，a₁，…，a_n-2） 滿(mǎn)足以下條件：

在實(shí)際飛行的過(guò)程中，期望偏航值和實(shí)際偏航值之間不可避免會(huì)出現(xiàn)偏差。假定 θ_p 表示期望偏航值，θ_r 表示實(shí)際偏航值，則二者差值 θ_d 可以表示為

θ_d=θ_r-θ_p

為了使預(yù)計(jì)值更為貼近實(shí)際值，可以將 θ_d 作為負(fù)反饋加入整個(gè)偏航角的預(yù)計(jì)系統(tǒng)中，如圖4所示。

則整體的預(yù)估表達(dá)式可以寫(xiě)為

1.2無(wú)人機(jī)高速飛行的螺旋線(xiàn)識(shí)別

當(dāng)無(wú)人機(jī)沿某一方向高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且激光雷達(dá)采用單線(xiàn)激光雷達(dá)時(shí)，如果無(wú)人機(jī)的前進(jìn)方向速度和單線(xiàn)激光雷達(dá)的掃描線(xiàn)轉(zhuǎn)速的差異較大，激光雷達(dá)所形成的一圈點(diǎn)云信息將不會(huì)形成一個(gè)閉合的圓，而是形成一個(gè)在前進(jìn)方向有明顯差異、螺旋前進(jìn)的螺旋線(xiàn)形狀，如圖5所示。

假設(shè)無(wú)人機(jī)的飛行速度為 v ，激光雷達(dá)的掃描角速度為 ω 。在規(guī)則的拉伸幾何體（如圓柱形管洞）中，螺旋線(xiàn)的間距可表示為

當(dāng) v 和 ω 的差異增大時(shí)，螺旋線(xiàn)的間距 Δx 也會(huì)顯著增大，從而加劇點(diǎn)云離散化的現(xiàn)象。此時(shí)，如果隧洞幾何形狀發(fā)生變化（如出現(xiàn)垂直支洞或彎道），點(diǎn)云分布的不規(guī)則性會(huì)導(dǎo)致形心計(jì)算位置的偏移。

以支洞場(chǎng)景為例，若激光雷達(dá)右側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)受支洞干擾，導(dǎo)致形心計(jì)算位置右偏，可能引發(fā)無(wú)人機(jī)向支洞方向偏移并產(chǎn)生潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。因此，需結(jié)合實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行離群點(diǎn)篩選。

本文提出了一種識(shí)別并處理螺旋線(xiàn)形狀的方法，以確保無(wú)人機(jī)在高速飛行時(shí)的安全性。如果實(shí)際的飛行環(huán)境是一個(gè)規(guī)則的拉伸幾何體，例如圓柱、立方體或者其組合體等，螺旋線(xiàn)并不會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)，但一旦某一側(cè)出現(xiàn)支路或者變寬（圖6），尤其是當(dāng)出現(xiàn)垂直于前進(jìn)方向的支路時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)丟失、異常。

在隧洞環(huán)境中，本文基于空間位置的點(diǎn)云求取幾何結(jié)構(gòu)的形心，從而獲得下一時(shí)刻的無(wú)人機(jī)自標(biāo)位置。無(wú)人機(jī)在下一時(shí)刻的期望位置與四周的瞬時(shí)點(diǎn)云信息直接相關(guān)。假設(shè)在某一時(shí)刻，右側(cè)出現(xiàn)垂直支路，在支路交界處由于無(wú)人機(jī)向前高速移動(dòng)，導(dǎo)致右側(cè)的點(diǎn)云有 個(gè)點(diǎn)是進(jìn)入支路之前，有 個(gè)點(diǎn)是進(jìn)人支路之后。此時(shí)無(wú)人機(jī)正處于交接處，機(jī)身并未完全越過(guò)支路段。對(duì)激光雷達(dá)而言，此時(shí)得到的左右方向上的形心位置 為

此時(shí)，由于支路 n₂ 個(gè)的點(diǎn)云影響，無(wú)人機(jī)會(huì)出現(xiàn)高速向右側(cè)移動(dòng)的情況，當(dāng)無(wú)人機(jī)此時(shí)并未完全進(jìn)入支路段、隧洞內(nèi)徑通常又很小時(shí)，容易導(dǎo)致無(wú)人機(jī)尾部和支洞交接相撞，出現(xiàn)炸機(jī)危險(xiǎn)。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在異常的情況下，篩選出支路點(diǎn)云對(duì)于優(yōu)化形心位置、保證無(wú)人機(jī)飛行安全至關(guān)重要。如圖5所示， X，Y，Z 表示空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸，藍(lán)色虛實(shí)線(xiàn)代表單線(xiàn)激光雷達(dá)的掃描線(xiàn)， P₁ 和 P₂ 分別表示t₁ 和 t₂ 時(shí)刻的點(diǎn)云位置， R₁ 和 R₂ 表示兩時(shí)刻的激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云半徑。當(dāng)初始位置 P₁ 、前進(jìn)平均速度 和掃描線(xiàn)的角速度 w 已知時(shí)（在巡檢過(guò)程中，無(wú)人機(jī)始終沿隧洞軸向 X 軸方向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)），如果無(wú)人機(jī)在規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)中飛行，則必須滿(mǎn)足：

式中： ε 是設(shè)定的閾值，用于判斷點(diǎn)云半徑變化的合理范圍。當(dāng)計(jì)算的半徑差值超過(guò)該閾值時(shí)，認(rèn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能存在異常，不能直接用于形心位置計(jì)算。本文從隧洞設(shè)計(jì)圖紙中獲得實(shí)際半徑 R 為 1.25m ，作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

在這種情況下，可通過(guò)無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置估算下一時(shí)刻的位置，并通過(guò)與實(shí)際位置的比較篩選出異常點(diǎn)?；趦蓚€(gè)時(shí)刻的時(shí)間 t₁ 和 、前進(jìn)平均速度 和隧洞的設(shè)計(jì)半徑 R ，結(jié)合 t₁ 時(shí)刻的形心信息和點(diǎn)云位置信息，可建立以下預(yù)測(cè) t₂ 時(shí)刻螺旋線(xiàn)點(diǎn)云理論位置的公式：

式中： x_t1 表示在 ?_t1 時(shí)刻螺旋線(xiàn)點(diǎn)云在 X 軸方向上的位置， x_t2 表示在 ?_t2 時(shí)刻螺旋線(xiàn)點(diǎn)云在 X 軸方向上的預(yù)測(cè)位置； 表示無(wú)人機(jī)在從 t₁ 到 t₂ 的時(shí)間間隔內(nèi)，在 X 軸方向上的平均前進(jìn)速度; y_t1 和 |z_t1 分別表示螺旋線(xiàn)點(diǎn)云在 ?t₁ 時(shí)刻的 y 和 z 坐標(biāo)， y_t2 和 |z_t2 分別表示螺旋線(xiàn)點(diǎn)云在t₂ 時(shí)刻預(yù)測(cè)的 y 和 z 坐標(biāo)； y₀ 和 z₀ 表示在 ?_t1 時(shí)刻隧洞的形心點(diǎn)坐標(biāo)， y₀^′ 和 |z'₀ 表示在 ?_t2 時(shí)刻隧洞的形心點(diǎn)坐標(biāo)。

在巡檢過(guò)程中，無(wú)人機(jī)始終沿隧洞 X 方向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且隧洞形心不發(fā)生偏移，則可簡(jiǎn)化為

根據(jù)公式（8）和（9），可計(jì)算出 t₂ 時(shí)刻的螺旋線(xiàn)點(diǎn)云理論位置 （x_t2，y_t2，z_t2） 。將計(jì)算得到的螺旋線(xiàn)點(diǎn)云理論位置與螺旋線(xiàn)點(diǎn)云實(shí)際位置進(jìn)行比較，可以判斷點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效性。若兩者的歐式距離超過(guò)設(shè)定的閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為異常點(diǎn)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)形式，并結(jié)合激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)角速度 w 進(jìn)一步將公式（8）簡(jiǎn)化為

在極坐標(biāo)下，螺旋線(xiàn)點(diǎn)云的理論位置可表示為

在計(jì)算出 t₂ 時(shí)刻的理論位置后，將其與 t₁ 時(shí)刻的實(shí)際位置進(jìn)行比較。當(dāng)兩者間的歐式距離超過(guò)閾值時(shí)，即可判斷該點(diǎn)為異常點(diǎn)。如異常點(diǎn)數(shù)量超過(guò)設(shè)定上限，則表明點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可用，此時(shí)不應(yīng)繼續(xù)使用形心作為目標(biāo)點(diǎn)，需采取其他策略以確保無(wú)人機(jī)的安全飛行。

值得注意的是，螺旋線(xiàn)的形成是由無(wú)人機(jī)高速運(yùn)動(dòng)與激光雷達(dá)掃描角速度差異引起的，是硬件固有問(wèn)題，難以通過(guò)算法進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)該問(wèn)題，只能通過(guò)識(shí)別異常點(diǎn)云并評(píng)估其分布數(shù)量，根據(jù)不同的場(chǎng)景條件，調(diào)整目標(biāo)點(diǎn)的選取策略，以確保無(wú)人機(jī)能夠高效、安全飛行。

1.3 支洞識(shí)別方法

當(dāng)異常點(diǎn)的數(shù)量大于一定數(shù)自時(shí)，異常側(cè)的點(diǎn)云將不具備有效性，此時(shí)將形心作為目標(biāo)值不再合適。需要針對(duì)支洞進(jìn)行識(shí)別來(lái)計(jì)算下一時(shí)刻的期望位置，并進(jìn)行導(dǎo)航。本節(jié)介紹實(shí)際工程中的左右支洞，通過(guò)點(diǎn)云信息的變化來(lái)識(shí)別支洞并調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行路徑。在左右點(diǎn)云均有效的情況下，可以直接利用點(diǎn)云信息計(jì)算形心位置。在一側(cè)點(diǎn)云失效的情況下，采用另一側(cè)有效點(diǎn)云作為參照，確保無(wú)人機(jī)安全通過(guò)支洞。

在左右點(diǎn)云均有效的情況下，此時(shí)螺旋線(xiàn)等價(jià)于在一個(gè)截面恒定的立體結(jié)構(gòu)中沿軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此兩側(cè)點(diǎn)云可以直接利用。無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方向是沿隧洞的軸向（ X 方向），單線(xiàn)激光雷達(dá)掃描的橫向Y，Z方向上的點(diǎn)云投影是一個(gè)正圓，如圖5所示的螺旋線(xiàn)點(diǎn)云投影到Y(jié)Z 平面就是一個(gè)圓，圓心即形心。

在一側(cè)點(diǎn)云失效的情況下，此時(shí)螺旋線(xiàn)的投影不再是一個(gè)正圓，而會(huì)在一側(cè)出現(xiàn)突變，如圖6（a）所示的右側(cè)墻壁突然變寬。因此，在這種情況下的右側(cè)點(diǎn)云不能再被用來(lái)求取形心作為下一時(shí)刻的目標(biāo)點(diǎn)位置，而是將左側(cè)有效點(diǎn)云一側(cè)作為參照，使下一時(shí)刻的目標(biāo)點(diǎn)的 y 值（距離有效點(diǎn)云一側(cè)）為洞寬的一半，使無(wú)人機(jī)不受到無(wú)效點(diǎn)云一側(cè)的干擾。

在兩側(cè)點(diǎn)云都失效的情況下，兩側(cè)激光雷達(dá)的點(diǎn)云都變寬，在實(shí)際場(chǎng)景中表現(xiàn)為十字路口。此時(shí)兩側(cè)點(diǎn)云均不能作為目標(biāo)點(diǎn)的依賴(lài)值。

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中具有一定的慣性，即當(dāng)前位置和方向的變化依賴(lài)于上一時(shí)刻的狀態(tài)。在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，慣性效應(yīng)意味著如果沒(méi)有強(qiáng)烈的外力（如氣流或碰撞），其位置和方向的變化通常是連續(xù)的。上一時(shí)刻目標(biāo)點(diǎn)的 y 值代表了無(wú)人機(jī)在隧洞中心位置的橫向偏移量（即沿隧洞的左右位置）。當(dāng)兩側(cè)點(diǎn)云丟失時(shí)，無(wú)法從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中獲得準(zhǔn)確的空間位置，然而，基于慣性原理，上一時(shí)刻的目標(biāo)點(diǎn) y 值仍可以作為參考，因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)，飛行的軌跡不會(huì)發(fā)生較大變化。

隧洞通常是連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)，即其幾何形狀在大多數(shù)情況下是穩(wěn)定的、可預(yù)測(cè)的。無(wú)論隧洞是直線(xiàn)、曲線(xiàn)還是帶有支洞的結(jié)構(gòu)，其幾何性質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)通常是連續(xù)的。在隧洞存在支洞的情況下，支洞通常會(huì)出現(xiàn)在隧洞的某一側(cè)，并且支洞入口通常是垂直于隧洞主方向的。如果無(wú)人機(jī)的位置保持在隧洞的中心線(xiàn)上，支洞區(qū)域兩側(cè)的點(diǎn)云丟失不會(huì)導(dǎo)致飛行路徑的劇烈偏移。上一時(shí)刻的 y 值已經(jīng)充分反映了隧洞中心的橫向位置，保持該值能夠確保無(wú)人機(jī)在隧洞內(nèi)的飛行穩(wěn)定。

因此，利用上一時(shí)刻目標(biāo)點(diǎn)的 y 值作為當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)的 y 值，并記錄當(dāng)前形心的 y 值，當(dāng)形心 y 值穩(wěn)定時(shí)，可以認(rèn)為無(wú)人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了一段新的穩(wěn)定的洞道，并將改變后的形心 y 值作為無(wú)人機(jī)的目標(biāo)位置，避免無(wú)人機(jī)出現(xiàn)“撞墻”事故。整體判斷流程如圖7所示。

1.4 方法優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)通常依賴(lài)單一的傳感器，如慣性測(cè)量單元（IMU）或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。然而在復(fù)雜環(huán)境中（如隧洞），GNSS信號(hào)缺失，而IMU在長(zhǎng)期飛行過(guò)程中會(huì)累積漂移誤差。該研究提出的多傳感器融合系統(tǒng)，結(jié)合單線(xiàn)激光雷達(dá)與雙目相機(jī)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性，可以有效克服單一傳感器的局限性，提高定位精度，進(jìn)而提升整體的巡檢精度。

通過(guò)融合雙目相機(jī)的位姿解算與激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠精準(zhǔn)估計(jì)偏航角。不同于傳統(tǒng)方法依賴(lài)簡(jiǎn)單的慣性測(cè)量，本文提出的偏航角預(yù)測(cè)算法基于多幀形心數(shù)據(jù)，采用加權(quán)反饋控制，能夠有效應(yīng)對(duì)洞道復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的影響，從而實(shí)現(xiàn)更精確的姿態(tài)控制與導(dǎo)航。

本文提出的螺旋線(xiàn)識(shí)別方法，可以有效解決激光雷達(dá)高速掃描過(guò)程中因速度與旋轉(zhuǎn)差異產(chǎn)生的點(diǎn)云誤差。通過(guò)幾何形心計(jì)算與點(diǎn)云篩選，能夠準(zhǔn)確識(shí)別并排除離群點(diǎn)，確保無(wú)人機(jī)在高速飛行過(guò)程中保持穩(wěn)定，減少點(diǎn)云變形，提高建模精度。

本文提出的多傳感器融合方法，通過(guò)激光雷達(dá)與雙目相機(jī)的互補(bǔ)使用，增強(qiáng)了無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力，尤其是在光線(xiàn)變化劇烈、隧洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，能保持高精度飛行。

通過(guò)偏航角反饋機(jī)制和螺旋線(xiàn)形狀識(shí)別，該系統(tǒng)能夠在突發(fā)情況下進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提升導(dǎo)航和避障的可靠性，減小因環(huán)境干擾導(dǎo)致的飛行偏差和撞機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

在實(shí)際檢測(cè)中，無(wú)人機(jī)智能巡檢可分為以下3種模式：

（1）定期檢測(cè)模式。無(wú)人機(jī)可在廊道內(nèi)執(zhí)行周期性巡檢任務(wù)，捕獲廊道內(nèi)部的高清圖像和激光掃描數(shù)據(jù)，確保工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。（2）響應(yīng)模式。在面對(duì)緊急異常情況或事故時(shí)，無(wú)人機(jī)能夠迅速介人，通過(guò)高效的巡檢手段降低人工檢測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保事故的快速響應(yīng)和有效處置。（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控模式。借助實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的持續(xù)監(jiān)控，為水利水電工程的運(yùn)行與管理提供即時(shí)數(shù)據(jù)支持。

上述應(yīng)用模式可以顯著提高巡檢效率，減少人力投入和時(shí)間成本，同時(shí)降低復(fù)雜環(huán)境下的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

選取湖北省宜昌市某水電站的廊道作為試驗(yàn)環(huán)境。該廊道具有一定的復(fù)雜性，其洞寬僅為 2.5m ，內(nèi)部雖配備簡(jiǎn)單燈光設(shè)備，但環(huán)境特征仍顯單一，特征點(diǎn)較少，并且存在顯著的明暗交錯(cuò)現(xiàn)象。此外，由于洞內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，還存在支洞、直角彎段、斜彎段、上下坡樓梯等復(fù)雜地形環(huán)境。如圖8所示，無(wú)人機(jī)的飛行環(huán)境中：壁面特征較少、場(chǎng)景較為單一，部分區(qū)域昏暗，對(duì)于相機(jī)識(shí)別和定位造成一定影響；地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)控制、避障、安全穩(wěn)定的飛行相對(duì)困難。

以該環(huán)境為基礎(chǔ)，無(wú)人機(jī)的整體飛行流程如下：在樓梯下端盡頭起飛，樓梯長(zhǎng) 18m ，高 8m ，坡度約為25^° 。飛到樓梯頂端后直行 3m 距離，連續(xù)經(jīng)過(guò)2個(gè)直角轉(zhuǎn)彎，然后進(jìn)人下一段長(zhǎng)直路；直路飛行過(guò)程中，右側(cè)存在支洞，飛過(guò)支洞后再飛行小段距離降落。以無(wú)人機(jī)起飛時(shí)的機(jī)頭方向?yàn)?x 的正方向，重力的反方向?yàn)?z 的正方向，無(wú)人機(jī)左側(cè)為 y 的正方向。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析無(wú)人機(jī)在全自動(dòng)飛行的過(guò)程中的速度、位置、偏航角等關(guān)鍵參數(shù)變化，并對(duì)其目標(biāo)位置和實(shí)際位置進(jìn)行誤差分析。

2.2試驗(yàn)參數(shù)選擇

飛行速度需考慮無(wú)人機(jī)飛行效率與圖像采集質(zhì)量。高飛行速度可以提高工作效率，但速度過(guò)高可能導(dǎo)致相機(jī)拍攝的圖像模糊，從而影響圖像質(zhì)量和重疊度。為了避免圖像模糊并保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和重疊率，速度選擇為 0.86m/s 。該速度可以在提高飛行效率的同時(shí)，保證圖像采集的質(zhì)量。如圖9所示，試驗(yàn)中隧道寬度為 2.5m ，假設(shè)無(wú)人機(jī)相機(jī)與隧洞墻壁的距離為 1.25m ，且相機(jī)的視場(chǎng)角為 120^° 。根據(jù)GB/T18316-2008 《數(shù)學(xué)測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》和GB/T24356-2023《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》的標(biāo)準(zhǔn)，隧洞內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的航向重疊率不小于 53% 。為了提高三維重建的精度，該研究將航向重疊率提高至67% ，確保隧洞內(nèi)每個(gè)點(diǎn)在航向順序上至少被3張圖片捕捉。

基于該要求，計(jì)算出無(wú)人機(jī)前進(jìn) 1.43m 采集一幀圖像，飛行速度設(shè)置為 0.86m/s ，使得無(wú)人機(jī)在前進(jìn)1.43m 時(shí)需要約 1.66s 。相機(jī)的幀率設(shè)置為30幀/s，此時(shí)，拍攝的圖像幀數(shù) n 可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

考慮到質(zhì)量不是始終穩(wěn)定的，程序可以在這50幀符合重疊度要求的圖像中篩選出質(zhì)量較好的圖像進(jìn)行檢測(cè)或三維重建，從而提高整體圖像檢測(cè)精度和三維重建效果。

除飛行速度外，還考慮了激光雷達(dá)掃描頻率和雙目光學(xué)等其他試驗(yàn)參數(shù)的影響。試驗(yàn)中使用的單線(xiàn)激光雷達(dá)為思嵐A2，其掃描頻率固定為 10Hz ，且不可調(diào)節(jié)，因此激光雷達(dá)的掃描頻率不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成影響。在雙目相機(jī)方面，本研究使用了T265相機(jī)，主要用于補(bǔ)充定位，尤其是在亮光環(huán)境下進(jìn)行圖像采集。由于T265相機(jī)的作用主要是輔助定位，而不是作為圖像處理的核心單元，其參數(shù)（如視場(chǎng)角、幀率等）對(duì)圖像質(zhì)量和三維重建精度的直接影響較小，因此雙目鏡頭的參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響十分有限。

綜合來(lái)看，激光雷達(dá)的掃描頻率和雙目相機(jī)的參數(shù)對(duì)該研究試驗(yàn)結(jié)果的影響并不顯著。該研究的重點(diǎn)是無(wú)人機(jī)的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，其他參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。因此，這些參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的整體性能和試驗(yàn)結(jié)果的貢獻(xiàn)是有限的。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

如圖10所示，在全局飛行的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)在X，Y，Z 方向上，位置均處于勻速變化或小范圍波動(dòng)狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)大尺度的波動(dòng)和漂移，其數(shù)值和趨勢(shì)均符合管道模型。在實(shí)際飛行過(guò)程中觀(guān)察可以看到，整體的飛行平穩(wěn)，偶爾會(huì)由于洞寬帶來(lái)的小空間風(fēng)速增大的影響而出現(xiàn) 20cm 左右的波動(dòng)，屬于可接受范圍。

如圖10（b）所示，在全局飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的飛行曲線(xiàn)通過(guò)三維圖像表示，符合整體的空間模型，且曲線(xiàn)整體平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)大范圍的波動(dòng)或回退，整體的運(yùn)行效果符合建模和最初的預(yù)期。

在實(shí)際飛行的過(guò)程中， X 方向的運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)步長(zhǎng)來(lái)控制，故該方向上的位移擬合曲線(xiàn)屬于等斜率曲線(xiàn)，即當(dāng)該方向上有變化時(shí)，該方向上的曲線(xiàn)斜率應(yīng)該是統(tǒng)一的，從圖10（a）觀(guān)察， X 方向曲線(xiàn)的形式和理論分析貼合程度較高。 δ_Y，Z 方向上，無(wú)人機(jī)的位置主要通過(guò)隧洞墻壁的激光雷達(dá)點(diǎn)云計(jì)算，近似處于中心位置。

通過(guò)整段無(wú)人機(jī)巡檢后，最終形成的點(diǎn)云效果如圖11所示。從點(diǎn)云建?？梢钥闯?，無(wú)人機(jī)飛行中的定位效果優(yōu)秀，點(diǎn)云建模并未出現(xiàn)變形、錯(cuò)亂。

對(duì)隧洞點(diǎn)云前后兩段相應(yīng)的位置、速度、偏航角等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。圖10世界系下的無(wú)人機(jī)飛行曲線(xiàn)如圖11中的黃色箭頭直線(xiàn)所示。對(duì)圖11的樓梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的位置曲線(xiàn)分析，通過(guò)圖12可以看到，在運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)上，Y方向的位移較小，前后變化不超過(guò) 1m 。對(duì)于 Z 方向的位置曲線(xiàn)，無(wú)人機(jī)在大約 60s 的爬坡之后進(jìn)人了平直段。運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)證明了利用墻壁估計(jì)形心并以此來(lái)控制無(wú)人機(jī)位置的合理性。

圖11后半段飛行的點(diǎn)云建模見(jiàn)圖13，其運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)如黃色箭頭直線(xiàn)所示。除正常直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的點(diǎn)云外，從 ^A，B 兩處可以清晰看到無(wú)人機(jī)定點(diǎn)所帶來(lái)的點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)的效果，該處點(diǎn)云重疊效果符合真實(shí)隧洞的結(jié)構(gòu)特征，未出現(xiàn)變形與錯(cuò)位。在經(jīng)過(guò) B 點(diǎn)之后，通過(guò)一個(gè)右側(cè)支路，由于支路較長(zhǎng)，除近處的少量點(diǎn)云外，遠(yuǎn)距離點(diǎn)云出現(xiàn)了丟失的情況，但無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)并不受支洞的影響。無(wú)人機(jī)在 ^A，B 兩點(diǎn)處的偏航角變化曲線(xiàn)如圖14所示。

對(duì)于后半程而言，支路環(huán)境是特殊且未出現(xiàn)過(guò)的場(chǎng)景，以圖15為例，在飛行的 113～120s 期間，其廊道右側(cè)出現(xiàn)支洞，此時(shí)激光雷達(dá)右側(cè)的點(diǎn)云失去有效性，但在形心計(jì)算上，右側(cè)的點(diǎn)云會(huì)導(dǎo)致形心右偏，該情況符合1.2節(jié)中螺旋線(xiàn)問(wèn)題的分析。從運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置和實(shí)際位置來(lái)看，兩條曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)，且和左側(cè)壁面距離保持恒定，也符合此類(lèi)支洞情況的處理方法，滿(mǎn)足試驗(yàn)和算法預(yù)期。

在工程實(shí)際中，一般要求偏航角最大誤差控制在15^° 以?xún)?nèi)。位置誤差控制在 25cm 以?xún)?nèi)，巡檢時(shí)間控制在 20min 以?xún)?nèi)。上述試驗(yàn)結(jié)果顯示：無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中偏航角最大誤差控制在 12^° ，且能快速回正并穩(wěn)定在期望偏航角度，位置誤差控制在 20cm 以?xún)?nèi)，巡檢時(shí)間約 17min ，滿(mǎn)足工程實(shí)際要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法能夠有效識(shí)別偏航角和螺旋線(xiàn)形狀，確保無(wú)人機(jī)在復(fù)雜隧洞環(huán)境中安全飛行。

2.4 作業(yè)精度評(píng)價(jià)

為防止無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中與隧洞壁面產(chǎn)生碰撞，無(wú)人機(jī)在數(shù)據(jù)采集時(shí)需要與墻面始終保持一定安全距離，避免在隧洞轉(zhuǎn)彎與升降處的撞擊風(fēng)險(xiǎn)。此外，為了保證無(wú)人機(jī)有足夠電量飛行一整個(gè)來(lái)回，單次作業(yè)時(shí)間需要控制在 20min 以?xún)?nèi)，同時(shí)考慮到飛行的穩(wěn)定性并且降低對(duì)采集圖形的模糊影響，飛行速度設(shè)置在 0.86m/s 連續(xù)作業(yè)。影像處理的精度要求上，需要滿(mǎn)足單幅圖形像素不低于 1920×1080 ，表面缺陷識(shí)別精度達(dá)到毫米級(jí)。

綜合以上條件，使用該定位導(dǎo)航技術(shù)，無(wú)人機(jī)在作業(yè)時(shí)采集到了穩(wěn)定清晰的隧洞視頻，通過(guò)視頻抽幀得到連續(xù)的隧洞圖片。在此基礎(chǔ)上，使用配套的三維建模算法，可以生成完整的隧洞三維模型；使用配套的缺陷檢測(cè)算法，可以識(shí)別壁面的裂縫、滲水等缺陷。如廊道起點(diǎn)處（圖16（a））和廊道上升階段（圖16（b））圖片可見(jiàn)，畫(huà)質(zhì)清晰，光線(xiàn)明亮，滿(mǎn)足圖像后期處理、缺陷檢測(cè)和三維重建的圖形質(zhì)量要求。

圖16相應(yīng)的三維建模模型效果如圖17所示，建模效果良好，整體效果比較清晰，在一些細(xì)節(jié)處有一定程度的模糊，但不影響整體建模效果和重要圖形特征的觀(guān)察效果。該項(xiàng)目三維重建算法所得三維重建圖像的峰值信噪比（PeakSignal-to-NoiseRatio，PSNR）為21.08，滿(mǎn)足項(xiàng)目要求 （?20） ）。

基于某張?jiān)紙D像（圖18（a））所提取的壁面缺陷（滲水）分析結(jié)果見(jiàn)圖18（b），其清晰展示了墻面滲水的詳細(xì)情況，驗(yàn)證了影像數(shù)據(jù)在后期處理的可靠性和精準(zhǔn)性。項(xiàng)目要求算法準(zhǔn)確率在 95% 以上，通過(guò)無(wú)人機(jī)采集的圖像準(zhǔn)確率可達(dá) 96.5% ，滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

2.5 應(yīng)用前景與局限性分析

在復(fù)雜排水隧洞的高效檢測(cè)與維護(hù)中，無(wú)人機(jī)智能巡檢技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)需求和應(yīng)用潛力。無(wú)人機(jī)能夠在復(fù)雜的水電站環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作，成為檢測(cè)中不可或缺的技術(shù)工具。在巡檢過(guò)程中，無(wú)人機(jī)可以實(shí)時(shí)采集隧洞內(nèi)的位置數(shù)據(jù)和周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)，為后續(xù)的維護(hù)和修復(fù)提供參考。

在巡檢周期與經(jīng)濟(jì)性方面，水電站廊道巡檢頻率依據(jù)運(yùn)行的管理需求確定：重要廊道每周1次，普通廊道每月至少1次。因廊道長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里，人工巡檢需全員出動(dòng)，存在效率低、質(zhì)量波動(dòng)、記錄缺失等問(wèn)題，特殊工況時(shí)頻率需增至每周2次。以某重要廊道為例，單次人工巡檢需20人/d（不含數(shù)據(jù)分析），全年超80次，人工成本達(dá)60.8萬(wàn)元。無(wú)人機(jī)巡檢可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)復(fù)核，減輕負(fù)擔(dān)的同時(shí)提升作業(yè)精度，其積累的影像數(shù)據(jù)還可進(jìn)行變化過(guò)程對(duì)比分析，強(qiáng)化巡檢效果。全面應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)不僅能降低 60% 人力成本，更能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的常態(tài)化巡檢，具有長(zhǎng)期顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

在安全性層面，無(wú)人機(jī)技術(shù)通過(guò)高清影像識(shí)別廊道表面裂縫、滲漏等缺陷，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析缺陷演變趨勢(shì)，有效延長(zhǎng)水電站的大壩壽命并提升安全效益。長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)還可支撐綜合效益評(píng)估，強(qiáng)化全生命周期管理。

但是，該技術(shù)在當(dāng)下水利場(chǎng)景應(yīng)用仍存在挑戰(zhàn)，如：復(fù)雜環(huán)境（弱光、紋理稀疏、衛(wèi)星信號(hào)屏蔽等）易導(dǎo)致定位偏差，水電站廊道場(chǎng)景需突破數(shù)據(jù)傳輸與路徑規(guī)劃瓶頸；極端天氣下飛行穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)可靠性需強(qiáng)化；同時(shí)設(shè)備成本與操作專(zhuān)業(yè)化門(mén)檻較高。建議通過(guò)多源融合導(dǎo)航算法優(yōu)化、抗干擾通信技術(shù)研發(fā)及自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)來(lái)提升環(huán)境適應(yīng)性，配合標(biāo)準(zhǔn)化操作培訓(xùn)降低人為誤差。

此外，無(wú)人機(jī)操作員的技術(shù)水平與系統(tǒng)運(yùn)行效果密切相關(guān)，因此應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)操作員培訓(xùn)、優(yōu)化操作流程，以及研發(fā)自動(dòng)化程度更高的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，減少人為因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

綜上所述，無(wú)人機(jī)技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用，能夠在巡檢效率提升、人工成本減少、安全性提高以及數(shù)據(jù)采集優(yōu)化等方面帶來(lái)顯著成效。然而，其在復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性、成本控制、飛行穩(wěn)定性等方面仍存在技術(shù)瓶頸。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入，無(wú)人機(jī)將在水利水電工程的運(yùn)行管理和維護(hù)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為行業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

3結(jié)論

本文提出了一種基于單線(xiàn)激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)排水隧洞巡檢方法，通過(guò)隧洞形心自動(dòng)識(shí)別偏航角和拐彎分叉，有效避免支洞干擾，確保無(wú)人機(jī)在復(fù)雜的隧洞環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效、安全的巡檢。復(fù)雜試驗(yàn)場(chǎng)景的全局飛行三維曲線(xiàn)圖和隧洞點(diǎn)云建模結(jié)果表明，該方法在提高無(wú)人機(jī)巡檢效率和安全性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。該研究成功完成了封閉空間內(nèi)無(wú)人機(jī)飛行的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與平臺(tái)搭建，為復(fù)雜排水隧洞巡檢提供了可行的技術(shù)方案。但是，由于研究深度有限，時(shí)間不足等原因，仍有不足之處待進(jìn)一步完善：

（1）受限于現(xiàn)有系統(tǒng)和個(gè)人無(wú)人機(jī)飛行水平，現(xiàn)有的飛行速度最高達(dá)到 1.5～2.0m/s 左右，其算法在更高速環(huán)境下的有效性還需進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，算法的普適性有待完善。（2）整體多傳感器融合的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境較少，針對(duì)各類(lèi)型洞道的試驗(yàn)不足，需在現(xiàn)有功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上深入完善開(kāi)發(fā)。

該方法解決了目前技術(shù)所存在的隧洞內(nèi)依賴(lài)純視覺(jué)導(dǎo)航的無(wú)人機(jī)發(fā)生偏移與在支洞情況下發(fā)生偏移的問(wèn)題，相關(guān)成果成功運(yùn)用于該項(xiàng)目的實(shí)際巡檢作業(yè)。該研究不僅顯著提高排水隧洞的巡檢效率和安全性，也為類(lèi)似復(fù)雜大型隧洞的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)提供參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

Positioning and navigation technology for UAV inspections in complex drainage tunnels

MAOYedong1，YANGLinchuan2，ZHANQuanxi2，HUANG Hao2，SHEN Runjie2 （1.ChinaYangtzeoerod.gna；.egeofletrocdIotionEgineingongUit Shanghai 201804，China）

Abstract：Inorder to improve the eficiencyandaccuracyof unmannedaerial vehicle（UAV）inspections in complex drainage tunnel environments，we proposeda multi-sensor fusion UAV inspectionsystem that integrates a single-line LiDAR and a binocular camera.The system achieved stable navigation and eficient inspection in complex pipeline environments byautomatically identifying yawanglesand tunnel geometric features.Experiments wereconducted inthe drainage tunnels ofa hydropower station in Yichang，Hubei Province，where the UAV equipped with the proposed system performed inspections.Theresultsdemonstrated thatwith theapplicationof this technology，thepositioneror wasmaintained within 2O cm at a flight speed of 1.5～2.0m/s ，and a high-precision tunnel point cloud model was successfully constructed through images captured bythe UAV.Compared to traditional UAV inspection methods，the proposed system significantly improved inspectionacuracyandnavigation stability.This studycan provide efectivetechnicalsupport for inspections in complex tunnels within hydropower engineering projects.

Key Words： drainage tunnel; UAV inspection； single -line LiDAR;binocular camera；yaw angle estimation;turn recognition