蔡玉良1，向林浩1，何洪磊2，賴際舟2，呂品2，石昌俊，蔡小飛

(1.中國船級(jí)社，北京 100007；2.南京航空航天大學(xué)，南京 210000；3.南京鵬暢科技實(shí)業(yè)有限公司，南京 210000)

目前，無人機(jī)通常適應(yīng)于室外或室內(nèi)光線良好的環(huán)境，通過衛(wèi)星導(dǎo)航[1]或視覺導(dǎo)航[2]實(shí)現(xiàn)定位，從而實(shí)現(xiàn)增穩(wěn)、懸停、避障、航線規(guī)劃等智能功能，但在黑暗、封閉的鋼質(zhì)船體結(jié)構(gòu)內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行和自主避障。為此，根據(jù)船舶檢驗(yàn)的場景特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前無人機(jī)技術(shù)在船舶檢驗(yàn)中的應(yīng)用局限性和主要無人機(jī)導(dǎo)航與感知技術(shù)在船艙環(huán)境中的適用性，開展智能感知[3]與避障、自主容錯(cuò)導(dǎo)航[4]等技術(shù)應(yīng)用分析，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在“無衛(wèi)星信息、無光照、強(qiáng)電磁干擾”環(huán)境下的增穩(wěn)懸停、自主避障。通過無人機(jī)一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超高清圖像實(shí)時(shí)傳輸、無限續(xù)航等功能。并經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)船實(shí)驗(yàn)和示范應(yīng)用，對所提出的向船舶檢驗(yàn)的無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)解決方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 無人機(jī)船舶檢驗(yàn)技術(shù)分析

1.1 規(guī)范依據(jù)

國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)于2016年發(fā)布第42號(hào)建議案《遠(yuǎn)程檢查技術(shù)應(yīng)用指南》修訂版，明確列出了包含無人機(jī)在內(nèi)的幾種遠(yuǎn)程檢查技術(shù)，并于2018年將遠(yuǎn)程檢查技術(shù)納入檢驗(yàn)和發(fā)證統(tǒng)一要求。2018年7月，中國船級(jí)社(CCS)發(fā)布《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(2018)》第1次變更通告，納入遠(yuǎn)程檢查技術(shù)相關(guān)要求[5]。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

在對船體結(jié)構(gòu)的近觀檢驗(yàn)中，驗(yàn)船師需要在近距離范圍內(nèi)(即伸手可及)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。目前，對于難以接近的結(jié)構(gòu)，一般通過腳手架、高空車、艇或筏、便攜式梯子等提供接近措施。這些措施存在成本高、效率低、危險(xiǎn)性高等問題。

利用無人機(jī)開展船舶檢驗(yàn)，將超高清圖像實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)控端，以供驗(yàn)船師對船體結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，可替代腳手架、艇或筏等傳統(tǒng)的接近結(jié)構(gòu)的措施，優(yōu)勢如下。

1)降低檢驗(yàn)成本。以30萬t超大型油輪為例，完成一次全船結(jié)構(gòu)的近觀檢驗(yàn)，需要支付約130萬元人民幣的腳手架搭建費(fèi)用，以及花費(fèi)約14 d的腳手架搭建時(shí)間。利用無人機(jī)開展檢驗(yàn)，可節(jié)省約80%的腳手架搭建費(fèi)用和70%的腳手架搭建時(shí)間。

2)提高檢驗(yàn)效率。在對大型船舶檢驗(yàn)時(shí)，驗(yàn)船師大量的精力被花費(fèi)在攀爬等體力勞動(dòng)上。利用無人機(jī)開展檢驗(yàn)，可以大幅度地降低驗(yàn)船師的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省檢驗(yàn)時(shí)間，提高檢驗(yàn)效率。

3)降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。利用無人機(jī)開展檢驗(yàn)，可避免高空作業(yè)，從而可降低風(fēng)險(xiǎn)，保障人員安全。

1.3 局限性

1)目前商用無人機(jī)的智能飛控、增穩(wěn)懸停、航線規(guī)劃、避障等功能的實(shí)現(xiàn)均是以視野開闊或光線良好為前提。無人機(jī)通過衛(wèi)星信號(hào)、慣性導(dǎo)航[6]和人工視覺模塊來獲取位置、姿態(tài)、速度、障礙物距離等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)增穩(wěn)、懸停、避障、航線規(guī)劃等智能功能。但在船艙內(nèi)，衛(wèi)星信號(hào)被遮擋，指南針受到金屬結(jié)構(gòu)干擾，視覺傳感器因?yàn)楣饩€黑暗無法工作。因此，為保障飛行器的安全飛行，需要結(jié)合新型導(dǎo)航技術(shù)，針對船艙環(huán)境構(gòu)建微小型飛行器自主導(dǎo)航方法。

2)利用無人機(jī)進(jìn)行船舶檢驗(yàn)時(shí)，需要抵近船體結(jié)構(gòu)，以拍攝船體結(jié)構(gòu)是否存在涂層剝落、裂紋、腐蝕、變形等缺陷。船艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，為保障飛行器的安全飛行，需要對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確感知，使無人機(jī)能夠合理規(guī)劃路徑并及時(shí)躲避障礙物，避免發(fā)生碰撞，產(chǎn)生事故。

3)船舶檢驗(yàn)任務(wù)對無人機(jī)硬件系統(tǒng)的特殊要求問題。

(1)續(xù)航能力。無人機(jī)在每個(gè)艙室內(nèi)的飛行檢驗(yàn)時(shí)間一般需要2～3 h，而常規(guī)商用無人機(jī)在滿載時(shí)的最大飛行時(shí)間一般在30 min左右，在1 d的船舶檢驗(yàn)中，需要攜帶較多備用電池。

(2)機(jī)載相機(jī)布置。船舶檢驗(yàn)任務(wù)要求無人機(jī)對其上部、前方和下部的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，目前大部分商用無人機(jī)的機(jī)載相機(jī)在前部或下方，無法對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝。

(3)超高清實(shí)時(shí)圖傳。在船體結(jié)構(gòu)近觀檢驗(yàn)中，驗(yàn)船師應(yīng)能實(shí)時(shí)觀看無人機(jī)采集的超高清圖像，以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)狀況，常規(guī)商用無人機(jī)的無線圖傳主要靠電磁波作為傳輸介質(zhì)，僅能傳輸高清圖像，無法實(shí)現(xiàn)超高清圖像傳輸，且鋼質(zhì)船體結(jié)構(gòu)對電磁波會(huì)產(chǎn)生反射、吸收和抵消等作用，影響無線圖傳的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

因此，綜合考慮船舶檢驗(yàn)任務(wù)要求，需要對無人機(jī)硬件系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)。

2 解決方案

2.1 船艙模型精確構(gòu)建技術(shù)

船艙為結(jié)構(gòu)化環(huán)境，使用柵格地圖的表達(dá)方法，能夠較好地體現(xiàn)船艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。而與地面無人車相比，無人機(jī)存在較大幅度的橫滾、俯仰運(yùn)動(dòng)，使得所采集的激光雷達(dá)點(diǎn)云信息與實(shí)際環(huán)境不符，從而會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建的船艙模型發(fā)生畸變。因此，需要消除無人機(jī)機(jī)動(dòng)帶來的激光雷達(dá)點(diǎn)云畸變，提高船艙模型構(gòu)建的精度。

利用激光雷達(dá)點(diǎn)的三維幾何信息分別提取高度差特征、梯度特征、點(diǎn)云密集度特征和絕對高度特征等信息，并存儲(chǔ)到一個(gè)二維的柵格地圖中。當(dāng)接收到新的激光雷達(dá)點(diǎn)云后，按照柵格更新公式更新地圖柵格概率值，可以得到基于三維信息的柵格地圖，精確構(gòu)建船艙模型。

2.2 船艙障礙物感知與標(biāo)識(shí)技術(shù)

三維激光雷達(dá)通過激光測距原理，可得到無人機(jī)周圍實(shí)時(shí)障礙物信息。采集得到的激光雷達(dá)信息不止用于無人機(jī)的導(dǎo)航定位，還能用于船艙環(huán)境的智能感知。

無人機(jī)與距離最近的障礙物保持安全閾值就能夠有效保證飛行安全，因此需要對最近障礙物進(jìn)行標(biāo)識(shí)，用于安全距離的判斷。由于激光雷達(dá)測距精度高，因此可以使用采集到的雷達(dá)距離信息進(jìn)行最近障礙物的判斷。對投影后的雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行排序，提取出距離無人機(jī)最近的點(diǎn)云，輸出最近障礙物與無人機(jī)的相對距離及其與無人機(jī)的相對航向，完成對最近障礙物的標(biāo)識(shí)，見圖1。

圖1 障礙物標(biāo)識(shí)示意

2.3 智能避障技術(shù)

為使無人機(jī)與船艙障礙物保持一定安全距離，基于位置控制的外環(huán)飛行控制算法，能夠方便控制飛行速度和位置，使飛行器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的懸停和避障功能。算法流程見圖2。

圖2 基于位置控制的飛行控制算法流程示意

基于上述飛行控制算法，結(jié)合標(biāo)識(shí)出的障礙物信息，通過自主避障算法，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對障礙物的躲避，保證安全飛行。

根據(jù)飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)無人機(jī)與障礙物距離小于閾值時(shí)，會(huì)自主切換為懸停模式，防止無人機(jī)與障礙物發(fā)生碰撞，從而實(shí)現(xiàn)安全飛行。

3 自主容錯(cuò)導(dǎo)航技術(shù)解決方案

3.1 面向激光雷達(dá)定位的船艙特征顯著性辨識(shí)技術(shù)

關(guān)于激光雷達(dá)導(dǎo)航，將船艙環(huán)境分為特征豐富與特征稀疏環(huán)境。在2種不同環(huán)境下，使用的導(dǎo)航方式也不同。特征豐富環(huán)境下使用激光雷達(dá)同步定位與建圖(simultaneous localization and mapping, SLAM)技術(shù)，而在特征稀疏環(huán)境下使用基于動(dòng)力學(xué)模型輔助的激光雷達(dá)定位技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)2種模式的智能切換保證無人機(jī)的智能飛行，需要對環(huán)境進(jìn)行特征顯著性辨識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)自主模式切換。

為保證無人機(jī)連續(xù)不間斷的飛行要求，采用基于點(diǎn)云聚類與分割的環(huán)境特征顯著性辨識(shí)技術(shù)，智能識(shí)別船艙環(huán)境，生成不同的無人機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在復(fù)雜船艙環(huán)境內(nèi)的穩(wěn)定飛行。

3.2 特征稀疏環(huán)境下基于動(dòng)力學(xué)模型輔助的激光雷達(dá)定位技術(shù)

船艙內(nèi)存在類似“單一平面”的特征稀疏環(huán)境，由于激光雷達(dá)測距范圍的限制，當(dāng)搭載激光雷達(dá)的飛行器處于此區(qū)域時(shí)激光雷達(dá)只能探測到一側(cè)艙壁，對三維激光雷達(dá)而言，其幾何特征為一個(gè)平面，此時(shí)由于沒有與該艙壁平行方向的幾何特征，導(dǎo)致激光雷達(dá)SLAM解算的位姿在與艙壁平行方向存在較大誤差，同時(shí)該誤差會(huì)影響整個(gè)位姿解算，且逐漸累積。

通過動(dòng)力學(xué)模型輔助的激光雷達(dá)定位算法，垂直平面方向提供高精度位姿信息，平行平面方向提供相對速度信息，可實(shí)現(xiàn) “單一平面”的特征稀疏環(huán)境下的定位。

3.3 特征突變環(huán)境下基于慣性輔助的激光雷達(dá)魯棒定位技術(shù)

目前激光雷達(dá)SLAM中常通過掃描匹配的方法估計(jì)載體位姿，對于具有6自由度的無人機(jī)，存在著較大的局限性。當(dāng)飛行器存在著高度方向的運(yùn)動(dòng)，而高度方向環(huán)境差異較大，導(dǎo)致激光雷達(dá)所掃描的環(huán)境結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生突變，且匹配中的參考掃描數(shù)據(jù)與當(dāng)前掃描點(diǎn)不在同一平面，致使匹配存在較大的誤差。

針對于微小型無人機(jī)，利用慣性輔助的激光雷達(dá)Robust-SLAM方法(見圖3)解決高程方向激光雷達(dá)感知環(huán)境發(fā)生突變對定位造成的影響。

圖3 慣性輔助的激光雷達(dá)Robust-SLAM方法

3.4 基于慣性/氣壓高度計(jì)/磁傳感器/激光雷達(dá)的多源信息智能融合技術(shù)

激光雷達(dá)主要依靠SLAM算法解算得到載體的位姿信息，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的自主定位功能。但是激光雷達(dá)SLAM解算得到的數(shù)據(jù)缺少速度信息，同時(shí)，其位姿解算的速度較慢，若只使用激光雷達(dá)SLAM技術(shù)提供微小型飛行器的導(dǎo)航信息，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過對加速度計(jì)和陀螺儀輸出數(shù)據(jù)的積分來計(jì)算飛行器的速度和位置信息，其誤差會(huì)隨著時(shí)間累積而發(fā)散，但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航信息輸出頻率較高、自主性強(qiáng)、短時(shí)間內(nèi)定位精度較高，除此以外，慣導(dǎo)系統(tǒng)還能夠提供飛行器的速度信息。將以上兩者與氣壓高度計(jì)、磁傳感器等融合，能夠得到高精度、高頻率的導(dǎo)航參數(shù)。

激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相互獨(dú)立，由二維激光雷達(dá)SLAM解算得到導(dǎo)航系下的二維位置和航向信息作為量測量，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波對姿態(tài)、位置、速度、陀螺儀和加速度計(jì)的零偏進(jìn)行預(yù)測，并利用實(shí)時(shí)獲取的零偏對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正。可充分利用各種傳感器信息的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)基于多源信息融合的無人機(jī)導(dǎo)航定位。

4 一體化設(shè)計(jì)方案

4.1 圖像采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 拍攝模塊

拍攝模塊由攝像頭、云臺(tái)、燈光組成，燈光以及搭載攝像頭的云臺(tái)可以在地面端的控制下實(shí)現(xiàn)二自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，地面端發(fā)送指令信息，以計(jì)算機(jī)作為中轉(zhuǎn)解碼設(shè)備實(shí)現(xiàn)對燈光和云臺(tái)的控制。攝像頭拍攝的圖像可以被地面端接收并顯示。

4.1.2 光纖傳輸

在艙室強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下，無線傳輸往往并不可靠。采用光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面監(jiān)控端的實(shí)時(shí)信息交互，包括機(jī)載攝像頭采集的超高清圖像信息、無人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及地面端給無人機(jī)傳達(dá)的指令。光纖通訊可保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和速度。

4.1.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)通過3D激光雷達(dá)進(jìn)行定位，在無人機(jī)飛至較高處時(shí)，通過地面顯控系統(tǒng)對無人機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，以輔助飛手操控飛行，保證飛行的穩(wěn)定和安全。為保證易操作性，對地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件化，軟件界面見圖4。

圖4 地面端監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

4.2 系留供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系留供電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)原理見圖5。地面電源將地面220 V交流電變換為高壓后通過系纜傳輸?shù)綑C(jī)載電源，再變換為飛行器及任務(wù)載荷的供電電源。系纜中除了供電導(dǎo)線，還有2條單模光纖，可用于機(jī)載任務(wù)載荷與地面設(shè)備之間的寬帶信號(hào)通信。

圖5 系留供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

5 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

5.1 軟件仿真實(shí)驗(yàn)

采用機(jī)器人仿真軟件對艙室模型、無人機(jī)模型、三維激光雷達(dá)進(jìn)行仿真搭建與設(shè)計(jì)，模仿無人機(jī)在船艙中的真實(shí)飛行情況。

為了實(shí)現(xiàn)船艙環(huán)境的重構(gòu)，需要對仿真環(huán)境中采集到的三維激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)構(gòu)圖程序，對艙室環(huán)境進(jìn)行點(diǎn)云地圖復(fù)現(xiàn)，并采用圖優(yōu)化技術(shù)對艙室點(diǎn)云模型進(jìn)行優(yōu)化。

將艙室3D結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入機(jī)器人仿真軟件，使用搭載三維激光雷達(dá)的無人機(jī)模型在艙室內(nèi)部飛行。仿真環(huán)境以及無人機(jī)模型在仿真環(huán)境中飛行情況，見圖6。

圖6 軟件仿真環(huán)境

為高效利用實(shí)船實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，減少迭代開發(fā)的工作量，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)程序，基于機(jī)載計(jì)算機(jī)記錄的三維激光雷達(dá)點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)艙室三維模型的重構(gòu)，對重構(gòu)的模型進(jìn)行優(yōu)化，復(fù)現(xiàn)實(shí)船實(shí)驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)，提高仿真實(shí)驗(yàn)精度。

使用地面端分析系統(tǒng)可以構(gòu)建出該艙室的三維點(diǎn)云模型見圖7。

圖7 船舶艙室點(diǎn)云模型

5.2 實(shí)船實(shí)驗(yàn)

使用該型無人機(jī)在一艘油輪的貨油艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)船實(shí)驗(yàn)，實(shí)船實(shí)驗(yàn)環(huán)境見圖8。

圖8 實(shí)船實(shí)驗(yàn)環(huán)境

選擇一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，飛行速度及位置變化見圖9。

無人機(jī)在100～300 s、400～500 s懸停拍攝過程中，速度位置誤差變化較小。在0～100 s、300～400 s、500～700 s的無人機(jī)機(jī)動(dòng)過程中，導(dǎo)航解算并未出現(xiàn)解算突變，無人機(jī)飛行平穩(wěn)。

5.3 示范應(yīng)用

2019年5月20日，在舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司利用無人機(jī)作為替代方法對“桐林灣”船貨油艙成功完成近觀檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)過程中，無人機(jī)根據(jù)事先制定的檢驗(yàn)計(jì)劃完成了預(yù)定軌跡的飛行，對“桐林灣”貨油艙甲板強(qiáng)橫梁及其鄰接構(gòu)件進(jìn)行了近距離的圖像采集，無人機(jī)飛行穩(wěn)定、圖像清晰，現(xiàn)場驗(yàn)船師認(rèn)為船體結(jié)構(gòu)及涂層狀況良好。本次無人機(jī)檢驗(yàn)達(dá)到了替代近觀檢驗(yàn)的目的，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

6 結(jié)論

通過本文提出的無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)解決方案，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在“無衛(wèi)星信息、無光照、強(qiáng)電磁干擾”環(huán)境下的增穩(wěn)懸停、自主避障，以及超高清圖像實(shí)時(shí)傳輸、無限續(xù)航等功能。

為提高無人機(jī)在船舶檢驗(yàn)應(yīng)用中的智能化水平，拓展應(yīng)用范圍，還應(yīng)繼續(xù)開展以下工作。

1)無人機(jī)在船體結(jié)構(gòu)厚度測量中的應(yīng)用研究。

2)船體結(jié)構(gòu)缺陷圖像自動(dòng)識(shí)別、測量及實(shí)時(shí)提示。

3)無人機(jī)在船舶艙室內(nèi)的自主循跡飛行。