雍歧衛(wèi),喻言家,陳 雁,李 赟,佐 悅

(1.中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油系, 重慶 401331； 2 中國人民解放軍沈陽聯(lián)勤保障中心沈陽油庫, 沈陽 110000)

地面管道無人機巡查起伏地形跟隨方法

雍歧衛(wèi)1,喻言家1,陳 雁1,李 赟2,佐 悅2

(1.中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油系, 重慶 401331； 2 中國人民解放軍沈陽聯(lián)勤保障中心沈陽油庫, 沈陽 110000)

在利用無人機對地面管道巡查時，一般較理想的作業(yè)飛行高度是100 m左右，無人機在飛行時會沿初設(shè)高度進行定高飛行，如果在飛行途中遇到起伏地形，需要人為提前探查地形，調(diào)整飛行高度，這種方法會加大工作量，而且遇到GPS信號較弱區(qū)域容易產(chǎn)生較大誤差。另外，也可以采用自動測距的方式來實現(xiàn)智能飛行，通過在無人機上搭載激光測距儀、聲納測距儀等設(shè)備進行主動測距，其優(yōu)點是精度高，但這種形式會增加無人機載荷及其成本。針對以上問題，提出一種基于單目定焦攝像機圖像的視覺測距方法，根據(jù)小孔成像原理對管道圖像特征進行提取分析，得到無人機距離管道的實際距離。該方法簡單高效，有利于實現(xiàn)巡線工作自動化。

地面管道，無人機巡查；視覺測距；地形跟隨；單目定焦

terrain following; single focus

在應(yīng)急作戰(zhàn)、搶險救災(zāi)等緊急情況下，常采用裝配式管道直接鋪設(shè)在地面進行長距離輸送油料等介質(zhì)[1]。利用無人機巡線可以快速高效地發(fā)現(xiàn)地面管道遭受破壞、發(fā)生泄漏等事故。當無人機在巡線途中遇到起伏地形時，隨著無人機離管道越來越近，管道在攝像機上的成像也會隨之增大，當無人機離管道越來越遠時，相應(yīng)的成像面就會變小[2]。相機成像的大小與離靜止物體的距離具有一定的比例關(guān)系，對于本文所研究的定焦攝像機，這種數(shù)學關(guān)系是相對固定的。

1 攝像機成像模型

為了更好地獲取無人機巡線圖像的真實三維信息，本文定義了4個坐標系來描述從圖像的二維平面到三維世界的位置關(guān)系[3]：

1) 世界坐標系(Xw,Yw,Zw)

這是一個滿足右手法則的三維坐標系，用來描述真實空間和巡線無人機間的位置關(guān)系。

2) 攝像機坐標系(Xc,Yc,Zc)

以無人機所搭載的攝像機鏡頭的光心作為坐標原點，Zc軸與光軸重合，垂直于圖像成像平面，且取攝影方向為正方向，Xc、Yc軸與成像平面坐標系的x、y軸平行。

3) 圖像像素坐標系(u,v)

數(shù)字圖像在計算機中是以成千上萬的像素點呈矩陣排列的方式存在的，定義像素點的初始元素為坐標原點，建立圖像像素直角坐標系u-v。

4) 成像平面坐標系(x,y)

成像平面是無人機所搭載的攝像機內(nèi)部成像面對應(yīng)的像平面坐標系。

1.1 成像平面坐標系與圖像像素坐標系之間的位置關(guān)系

數(shù)字圖像在計算機中是以成千上萬的像素點呈矩陣排列的方式存在的，假設(shè)數(shù)字圖像的像素點矩陣為M×N數(shù)組，對于圖像像素直角坐標系u-v，每一個像素坐標代表該像素點在圖像中的位置分布，并不是在成像平面的物理坐標，所以需要建立成像平面坐標系與圖像像素坐標系之間的位置關(guān)系，可以根據(jù)圖片中的像素點位置確定攝像機成像平面的物理坐標，如圖1所示。

如圖1所示，圖像像素坐標用(u,v)表示，O0為坐標原點(O0為拍攝圖片左上角第1個元素位置)，成像平面坐標用(x,y)表示(單位為mm)，O1為坐標原點(O1為鏡頭光軸與成像平面的交點)。O1一般位于攝像機拍攝圖片的中心點，可能由于制造技術(shù)的原因，在生產(chǎn)校核時像素在x軸和y軸方向存在一定的偏離。設(shè)各像素點在x軸和y軸方向上的物理尺寸為dx、dy，則攝像機拍攝圖片的任意像素點坐標與成像平面坐標存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(1)

用齊次坐標與矩陣形式將式(1)表示為

(2)

其逆關(guān)系為：

(3)

1.2 攝像機坐標系與世界坐標系之間的位置關(guān)系

無人機所搭載的單目定焦攝像機可以出現(xiàn)在環(huán)境空間的任一地方，所以需要建立一個世界坐標系來描述無人機搭載的攝像機所在位置，用(Xw,Yw,Zw)表示。攝像機坐標系(Xc,Yc,Zc)則是以無人機所搭載的攝像機鏡頭的光心作為坐標原點，Zc軸與光軸重合，垂直于圖像成像平面，且取攝影方向為正方向，Xc、Yc軸與成像平面坐標系的x、y軸平行。 它們兩者的位置關(guān)系一般用旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移向量t來表示：

(4)

式中：R為3×3正交單位矩陣；t為3×3平移向量，0=(0,0,0)T。

圖2為攝像機坐標系、圖像坐標系與世界坐標系關(guān)系。

圖2 攝像機坐標、圖像像素坐標與世界坐標關(guān)系

1.3 單目定焦攝像機成像模型

設(shè)單目定焦攝像機的焦距為f，根據(jù)針孔成像原理，空間任意一點P與光心的連線與成像平面的交點即為成像投影點，這種關(guān)系叫做中心攝影，關(guān)系式如下：

(5)

結(jié)合式(2)(4)(5)，可以推導出世界坐標(Xw,Yw,Zw)與圖像像素坐標(u,v)的關(guān)系，即由像素點可得實際三維坐標：

(6)

1.4 基于定焦攝像機的測距方法

基于管道圖像識別的定焦攝像機測距方法，是通過巡線無人機飛行到不同的飛行高度，對所拍攝傳回的管道圖像進行特征提取，檢測出管道在成像面形成畫面的空間長度，利用單目定焦攝像機成像模型對空間幾何進行自動換算，計算出無人機的飛行高度[4]。由于飛行時攝像機拍攝角度不同，可能導致測算出來的距離有一定的偏差。本文所討論的測距方法簡化了實際情況，假設(shè)世界坐標系與攝像機坐標系重合，拍攝時攝像機光軸與地面垂直，這樣針對不同高度的兩個位置拍攝的圖像進行對比計算即可得到飛行高度信息。

因為單目定焦攝像機對場景的適應(yīng)力有一定的局限，本文討論的只是基于機器視覺的巡線無人機飛行測高問題。在實際測距過程中，無人機的飛行安全高度一般在100 m左右，在此飛行范圍內(nèi)攝像機采集的圖像可以清晰顯示，縮放比例變化較小，而且巡線無人機一般采取俯拍角度，拍攝時攝像機光軸與地面垂直，而對于光軸不垂直的情況不予討論。

測距主要步驟[5-6]：

1) 計算巡線無人機飛行安全高度為100 m時的管道成像大小變化范圍。一般測距攝像機參數(shù)需進行實驗標定，假設(shè)攝像機標定參數(shù)準確。

2) 空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系是由攝像機成像的幾何模型決定的。這些幾何模型參數(shù)就是攝像機參數(shù)。攝像機參數(shù)可以通過傳統(tǒng)相機標定法、主動視覺相機標定法、相機自標定法等計算得出。一般相機出廠時，參數(shù)已經(jīng)標定好，所以本文在討論時忽略鏡頭畸變等因素影響，設(shè)無人機飛行高度為H，管道直徑為R，成像管徑為r，攝像機焦距為i，根據(jù)小孔成像模型及相似三角形原理，可得管道成像管徑r的計算公式為

r=R×i/H

(7)

根據(jù)攝像機成像關(guān)系幾何模型(見圖3)，假定管道為最小口徑DN100管道、無人機飛行高度按100m、50m、鏡頭焦距35mm計算。管道成像效果估算如下：DN100管道在攝像機靶面上的成像尺寸為：r=R×35/100 000=100×35/100 000=0.035 mm。占圖像垂直方向上的比例為：(0.035 mm/3.96 mm)×100/%=0.9%。計算可知：通過調(diào)節(jié)攝像機焦距或無人機飛行高度可以改變管徑成像大小。

圖3 成像關(guān)系幾何模型

2 基于管道識別飛行高度檢測及判定

對于巡線無人機采集的巡線圖像，存入計算機后都以二維平面彩色圖像呈現(xiàn)出來，通過對圖像中的目標管道進行特征提取分析，包括其顏色、形狀、大小信息，可以得到真實環(huán)境的三維信息。對圖像的識別判斷是無人機自動地形跟隨的基礎(chǔ)。飛行高度檢測流程如圖4所示。

圖4 飛行高度檢測流程

2.1 管道識別分割

得到采集的巡線圖像后，需要對管道特征進行提取識別。將巡線圖像轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間，從原圖中選取管道樣本區(qū)域，設(shè)定為感興趣區(qū)域ROI(region of interest)，計算區(qū)域樣本顏色平均值，然后根據(jù)原圖每個像素點和樣本顏色平均值的距離進行聚類分割[6-7]。利用Canny算子對分割圖像進行邊緣檢測，獲得分割圖像的區(qū)域輪廓，再進行直線霍夫變換檢測圖像中的直線，并進行直線擬合，提取出圖像中最長直線段作為管道目標[8-10]，標定出圖像中的管道，見圖5。

圖5 管道識別分割

2.2 提取管徑成像寬度

對分割的二值圖像管道區(qū)域進行區(qū)域檢測，利用Matlab圖像處理regionprops函數(shù)“MinorAxisLength”檢測像素意義下與分割區(qū)域具有相同標準二階中心矩的橢圓的短軸長度，并將該長度作為成像管徑寬度r。

2.3 飛行高度判定

將成像管徑寬度r代入式(7)換算得到飛行高度H，判斷是否處于50～100 m安全飛行高度之間，及時調(diào)整飛行高度，確保無人機安全飛行，并在巡線管理平臺顯示窗口顯示實時飛行高度。算法流程如圖6所示。

圖6 管道圖像識別測距飛行流程

3 結(jié)束語

目前，無人機市場屬于開發(fā)階段，大部分研發(fā)項目停留在飛行控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔布用?，對于無人機遙感數(shù)據(jù)后處理領(lǐng)域研究較少。本文結(jié)合油氣管道巡線特點，提出了一種基于單目定焦攝像機的無人機油氣管道巡線地形跟隨方法，相比無人機上搭載激光測距儀、聲納測距儀等進行主動測距的方式，該方法更為經(jīng)濟且降低了飛機載荷，提高了飛行智能化程度，為無人機安全飛行提供了一種有效思路。但本文對建立的算法模型進行了簡化，忽略了相機參數(shù)、飛行角度等因素的影響，距離實際應(yīng)用還有一定差距。

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(責任編輯 陳 艷)

Research on Unmanned Aerial Vehicle Pipeline Tracking Method in Undulating Terrain

YONG Qiwei1， YU Yanjia1， CHEN Yan1， LI Yun2， ZHUO Yue2

(1.The Military Supply Department, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China； 2.PLA Shenyang Logistics Center of Shenyang Oil Depot, Shengyang 110000, China)

In the use of unmanned ground pipeline inspection, general ideal operation flight height is about 100m, and the UAV will set the height along the initial fixed altitude in flight. If you encounter rugged terrain in flight, you need the advance exploration of topography and altitude adjustment. This method will increase the workload, but also meet the GPS signal weak areas prone to error; in addition, it can also be used in automatic measuring mode to realize the intelligent flight. And active ranging through the equipment in the UAV is equipped with a laser rangefinder, sonar range finder, which has the advantages of high precision, but this will increase the load and cost of UAV. This paper presents a monocular vision measuring method focusing camera based on image extracted according to the analysis of the principle of pinhole imaging characteristics of pipeline image and gets the actual distance of the UAV distance pipeline. The method is simple and efficient, and is conducive to realize the line automation.Key words: ground pipeline; unmanned aerial vehicle (UAV) inspection; visual range measurement;

2017-03-14 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51475469)

雍歧衛(wèi)(1967—),男,四川南充人,碩士,教授,主要從事石油與天然氣工程研究，E-mail:270245904@qq.com；通訊作者 喻言家(1993—),男,湖南岳陽人,碩士研究生,主要從事石油與天然氣工程研究，E-mail:270245904@qq.com。

雍歧衛(wèi),喻言家,陳雁,等.地面管道無人機巡查起伏地形跟隨方法[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):158-162.

format：YONG Qiwei，YU Yanjia，CHEN Yan,et al.Research on Unmanned Aerial Vehicle Pipeline Tracking Method in Undulating Terrain[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):158-162.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.026

TE832

A

1674-8425(2017)08-0158-05