周萬(wàn)軍 ，馬曉靜 ，馬 強(qiáng)

（1.山東黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250011；2.山東大學(xué)工程管理與控制學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；3.山東黃河河務(wù)局工程建設(shè)中心，山東 濟(jì)南 250000）

當(dāng)前國(guó)家正大力提倡支持科技創(chuàng)新，并在各行各業(yè)推進(jìn)信息化以及智能化的發(fā)展。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在不同行業(yè)的應(yīng)用也不斷增多，通過(guò)將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于黃河防洪工程建設(shè)監(jiān)管，可以方便監(jiān)管者對(duì)工程建設(shè)全過(guò)程有更加直觀的掌握，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的全方位監(jiān)管，可以最大程度地提高監(jiān)管效率，減少人力物力財(cái)力的浪費(fèi)。

1 無(wú)人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)概述

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸成熟，且考慮到其安全性、高性價(jià)比以及機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的專業(yè)項(xiàng)目開始采用無(wú)人機(jī)來(lái)代替人力完成，其最大的作用就是實(shí)現(xiàn)對(duì)地面信息的空中采集。通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶的高清攝像頭以及GPS定位系統(tǒng)等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面信息的實(shí)時(shí)采集并回傳至地面站，再配以相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集影像數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化監(jiān)管。

黃河防洪工程建設(shè)監(jiān)管的主要任務(wù)有：一是保證工程現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備等的安全運(yùn)行；二是保證施工人員按照各項(xiàng)規(guī)章制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)工程的正常實(shí)施；三是保證施工現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。為了實(shí)現(xiàn)以上3項(xiàng)主要任務(wù)，在黃河防洪工程建設(shè)中采用了無(wú)人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)來(lái)替代人力完成部分工作，本系統(tǒng)所采用的無(wú)人機(jī)監(jiān)管方式，主要流程如下：

1）人工提前對(duì)待監(jiān)管地區(qū)進(jìn)行航跡規(guī)劃，并將無(wú)人機(jī)巡檢路線提前載入到無(wú)人機(jī)飛控。

2）無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)的時(shí)間定時(shí)起飛，并按照預(yù)設(shè)航線和作業(yè)方式自主導(dǎo)航進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)智能避障。

3）無(wú)人機(jī)將采集的影像實(shí)時(shí)傳輸至智能起落站中轉(zhuǎn)，最終至控制室操作中心并上傳至云端。

4）巡檢任務(wù)完成或電池續(xù)航能力不足時(shí)無(wú)人機(jī)自動(dòng)返回智能起落站并更換電池。

5）回傳影像至上位機(jī)經(jīng)軟件處理后可得到工程管理所需數(shù)據(jù)，監(jiān)管人員也可直接觀看無(wú)人機(jī)采集的影像信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程臨場(chǎng)監(jiān)管。

6）作業(yè)過(guò)程中可由人工更改飛行路徑，比如可以實(shí)時(shí)進(jìn)行感興趣區(qū)域的補(bǔ)拍、興趣點(diǎn)環(huán)繞等。

2 無(wú)人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，主要由無(wú)人機(jī)及其搭載的數(shù)據(jù)采集裝置及相關(guān)設(shè)備組成，其主要功能是通過(guò)搭載的高清攝像頭等設(shè)備對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線圖傳數(shù)傳等數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面站及控制中心。

本系統(tǒng)選用大疆創(chuàng)新公司生產(chǎn)的經(jīng)緯M100無(wú)人機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)，該無(wú)人機(jī)向開發(fā)者開放軟件開發(fā)工具包 （Software Development Kit，SDK），通過(guò)其提供的開放式硬件接口以及軟件應(yīng)用編程接口，可以自己設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的外接硬件并通過(guò)編寫程序調(diào)用SDK實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的二次開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)不同功能。通過(guò)M100無(wú)人機(jī)，可以不必在無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)等基礎(chǔ)技術(shù)上耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力，將更多的精力放在系統(tǒng)所需功能的實(shí)現(xiàn)上。本系統(tǒng)要求無(wú)人機(jī)具有自主導(dǎo)航、智能避障、實(shí)時(shí)信息采集及傳輸?shù)裙δ?，通過(guò)對(duì)M100無(wú)人機(jī)的二次開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)以上功能。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)模塊是連接數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的橋梁，高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸可以保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性和高效性，而可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則可以為數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)支持。

本系統(tǒng)選用大疆的Lightbridge高清圖像傳輸系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)與地面站之間的圖像傳輸模塊，其圖像傳輸距離可以達(dá)到5.0 km，再加以分布在工地附近的數(shù)據(jù)傳輸中繼模塊，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)分級(jí)傳輸?shù)姆绞綄?shí)時(shí)傳輸至地面站。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可以分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是指無(wú)人機(jī)攜帶的高清攝像頭采集的現(xiàn)場(chǎng)信息可以存儲(chǔ)在自帶的存儲(chǔ)卡內(nèi)部，但這樣的存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)容量有限，只能存儲(chǔ)短時(shí)間的數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是指將無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)回傳至地面站的數(shù)據(jù)上傳至云空間，這樣既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，也可以為將來(lái)形成黃河防洪工程建設(shè)大數(shù)據(jù)打下一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)還搭配有無(wú)人機(jī)智能起落站，可以為無(wú)人機(jī)自動(dòng)起落、無(wú)人機(jī)保護(hù)等功能提供地面支持，從而真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)管系統(tǒng)的無(wú)人值守。對(duì)于無(wú)人機(jī)的自動(dòng)起飛，選用STM32嵌入式開發(fā)板作為機(jī)載設(shè)備與無(wú)人機(jī)飛控進(jìn)行通訊，在預(yù)設(shè)時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛SDK的調(diào)用。而當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)結(jié)束時(shí)，通過(guò)GPS定位和視覺(jué)定位相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的二級(jí)定位，從而保證無(wú)人機(jī)能夠精準(zhǔn)降落至起落站預(yù)設(shè)區(qū)域。

為了保證無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人化作業(yè)，智能起落站還具有無(wú)人機(jī)自動(dòng)續(xù)航功能。目前常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)續(xù)航方法主要有自動(dòng)更換電池和自動(dòng)充電2種方式，考慮到自動(dòng)充電的技術(shù)難度以及充電時(shí)間成本，最終選用自動(dòng)更換電池的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)續(xù)航。本系統(tǒng)選用的無(wú)人機(jī)電池采用卡扣式固定在無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)內(nèi)，當(dāng)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落至智能起落站之后，通過(guò)相應(yīng)的機(jī)械裝置將其固定防止出現(xiàn)位移，進(jìn)而通過(guò)機(jī)械抓手實(shí)現(xiàn)對(duì)饋電電池的取出并放至充電插板上，然后將充滿電的電池插入無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)，完成電池的自動(dòng)更換。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，主要是應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)所采集的影像數(shù)據(jù)的處理，從而得到施工現(xiàn)場(chǎng)的二維數(shù)據(jù)及三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到黃河防洪工程建設(shè)相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)黃河防洪工程建設(shè)的數(shù)字化監(jiān)管。

為了保障本系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并且便于系統(tǒng)后期對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件的二次開發(fā)以生成專門針對(duì)黃河遙感信息處理的軟件平臺(tái)，本系統(tǒng)選用航天宏圖公司研發(fā)的遙感數(shù)據(jù)處理軟件PIE作為數(shù)據(jù)處理軟件。

數(shù)據(jù)處理功能主要是通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)所采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變差糾正及拼接處理，進(jìn)而通過(guò)空三加密，生成數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型等，從而供使用者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

目前已經(jīng)將該數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)用于影像去霧霾、三維地形景觀構(gòu)建、影像數(shù)據(jù)拼接等不同方面，通過(guò)這些不同功能，可以進(jìn)一步生成監(jiān)管者所需的地形面積、體積等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)監(jiān)管的智能化、數(shù)字化。

3 結(jié)語(yǔ)

將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于黃河防洪工程建設(shè)監(jiān)管過(guò)程中，是一項(xiàng)極具創(chuàng)新性的課題，該系統(tǒng)集自動(dòng)化與智能化于一體，可以極大程度上提高監(jiān)管者的工作效率，降低工程監(jiān)管中的人力物力財(cái)力支出，提高工程實(shí)施人員的工作質(zhì)量。

[1] 劉向陽(yáng).山東黃河水利工程管理機(jī)制研究[D].山東師范大學(xué),2015.

[2] 張鳳,孫哲,孟彬.一種基于特征點(diǎn)的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃算法 [J].Journal of Shenyang Jianzhu University Naturalence,2009,25(6)：1212-1216.