胡敏捷，楊榮淇，沈繼飛，張文濤，蘇雪龍

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

近年來隨著圖像處理、計(jì)算機(jī)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(jī)搭載傳感器開展測量已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。 無人機(jī)測量具有高精度、操作方便、成本低和極強(qiáng)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(hù)與自然災(zāi)害監(jiān)測評(píng)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(jì)量時(shí)采用全站儀等儀器地面設(shè)站方法測量時(shí)由于遮擋會(huì)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(huì)造成較大數(shù)據(jù)偏差， 影響了容量計(jì)量的準(zhǔn)確度。 無人機(jī)飛行平臺(tái)從不同的角度采集影像，可以保證每個(gè)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(jì)量檢測領(lǐng)域新的高效技術(shù)手段。

無 人 機(jī) 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(hào)造成無人機(jī)無法定位的難題，才能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)平穩(wěn)飛行和數(shù)據(jù)采集。 實(shí)景三維模型輔助下多旋翼無人機(jī)自主飛行數(shù)據(jù)采集方法，通過全景云臺(tái)相機(jī)建立艙室和罐內(nèi)粗略實(shí)景三維模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(jī)根據(jù)航線飛行定點(diǎn)采集影像數(shù)據(jù)。

1 實(shí)景三維航線設(shè)計(jì)

無人機(jī)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(duì)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(jì)旁向重疊度需要到達(dá)66%，航向重疊度也需要達(dá)到66%。 這些要求單靠人工操控?zé)o人機(jī)飛行是無法滿足的，必須利用飛控系統(tǒng)使無人機(jī)接收并解譯獨(dú)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(shí)景模型供后續(xù)航線設(shè)計(jì)中使用［2］。

三維粗略實(shí)景模型建立方法是采用搭載全景云臺(tái)的相機(jī)對(duì)室內(nèi)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行全景影像采集，如圖1 所示，同時(shí)通過搭載地面拍攝腳架從多角度進(jìn)行拍照。 全景云臺(tái)優(yōu)點(diǎn)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(duì)拍攝的影像進(jìn)行全景拼接生成點(diǎn)云，自動(dòng)生成TIN 網(wǎng)格模型，通過紋理映射生成室內(nèi)粗略三維實(shí)景模型，如圖2 所示。

圖1 拍攝云臺(tái)

圖2 室內(nèi)粗略三維模型圖

基于實(shí)景的三維航線精細(xì)設(shè)計(jì)是指在場景點(diǎn)云或mesh 模型上進(jìn)行交互式的航線規(guī)劃。 需要經(jīng)過選擇航點(diǎn)、設(shè)置拍攝云臺(tái)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(diǎn)連接而成的航線與三維模型的空間運(yùn)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(jì)的作業(yè)流程。無人機(jī)艙室室內(nèi)飛行路線主要分為3 條，分別為無人機(jī)對(duì)艙頂拍攝飛行路線、對(duì)艙室底部的拍攝路線和對(duì)艙壁的拍攝路線。 當(dāng)近地面有障礙物時(shí)，需要考慮飛行器與周圍障礙物的有效距離，還要考慮相機(jī)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(jī)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(jì)流程圖

航線設(shè)計(jì)主要完成以下工作： 選擇三維航點(diǎn)，設(shè)定航點(diǎn)處無人機(jī)和相機(jī)動(dòng)作，根據(jù)航點(diǎn)自動(dòng)連接生成航線。 通過在航點(diǎn)處預(yù)覽拍攝范圍，檢查拍攝區(qū)域。 通過航線與實(shí)景三維模型空間運(yùn)算，檢查航線與障礙物的沖突情況。 整個(gè)航線設(shè)計(jì)主要可分為五大步驟：

1） 單航點(diǎn)設(shè)置。 在實(shí)景三維模型上，設(shè)置無人機(jī)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(diǎn)。 設(shè)置此航點(diǎn)處相機(jī)參數(shù)設(shè)置：相機(jī)拍攝參數(shù)（相機(jī)俯仰角）以及在某一航點(diǎn)處根據(jù)不同的拍攝角度拍攝多張影像和無人機(jī)飛行狀態(tài)設(shè)置機(jī)頭轉(zhuǎn)向角（多旋翼無人機(jī)以正北方向作為零度方向從而設(shè)置機(jī)頭轉(zhuǎn)向角）。

2） 航線段設(shè)置。 在實(shí)景三維模型上，設(shè)置無人機(jī)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(diǎn)，兩航點(diǎn)間設(shè)置為航線段，根據(jù)影像重疊度要求，自動(dòng)在線段之間插值生成多個(gè)航點(diǎn)，航點(diǎn)參數(shù)均勻設(shè)置。

3） 障礙物判斷。 在航線段設(shè)置的時(shí)候，飛行路徑根據(jù)實(shí)景對(duì)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(diǎn)。

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

5）航線檢查。在飛行路線設(shè)計(jì)完成后要對(duì)航點(diǎn)的拍照范圍進(jìn)行模擬顯示，從而進(jìn)行觀察航點(diǎn)設(shè)計(jì)是否合理， 影像間的重疊度是否滿足實(shí)際要求，根據(jù)需要進(jìn)一步修改飛行航點(diǎn)。

2 無人機(jī)自主飛行控制和應(yīng)用

IMU 慣性導(dǎo)航單元控制無人機(jī)自主飛行時(shí)，先將無人機(jī)放置在航點(diǎn)起點(diǎn)位置，然后垂直飛行到航點(diǎn)位置，實(shí)時(shí)計(jì)算無人機(jī)位置姿態(tài)信息，通過與設(shè)計(jì)航點(diǎn)位置比較，再次校準(zhǔn)無人機(jī)位置并根據(jù)航點(diǎn)處的設(shè)置拍照。 根據(jù)航點(diǎn)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(jī)飛向下個(gè)航點(diǎn)，到達(dá)航點(diǎn)后再次進(jìn)行位置修正。 由于無人機(jī)機(jī)載運(yùn)算能力有限，將無人機(jī)獲取的單張定位影像傳輸至地面站進(jìn)行單像的位姿估計(jì)，再將定位信息傳輸至無人機(jī)，以修正無人機(jī)的位置。

飛行位置姿勢信息實(shí)時(shí)計(jì)算采用基于3D-2D匹配的視頻流計(jì)算方法。 3D-2D 匹配是指三維模型特征點(diǎn)與二維圖像特征點(diǎn)的匹配，三維模型特征點(diǎn)即場景的稀疏點(diǎn)云。分別建立3D 和2D 特征點(diǎn)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(diǎn)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(shí)景模型匹配同名點(diǎn)對(duì)通過單像空間后方交會(huì)的方法計(jì)算拍照位置和姿態(tài)。 通過自適應(yīng)匹配實(shí)景三維模型上的三維點(diǎn)以及影像上的二維點(diǎn)的四組點(diǎn)對(duì)以上， 進(jìn)行單像空間后方交會(huì)計(jì)算在影像拍照時(shí)的姿態(tài)和位置，從而進(jìn)行輔助判斷飛行位置與姿態(tài)是否到達(dá)預(yù)設(shè)定的位置［3］。

視覺位姿判斷主要包含兩個(gè)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(diǎn)與二維影像的特征點(diǎn)匹配；二是基于三維與二維特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用空間后方交會(huì)的方法求解影像的外方位元素，從而獲得無人機(jī)的位姿。 單像空間后方交會(huì)是由已知圖像內(nèi)容n 個(gè)參考點(diǎn)的圖像二維坐標(biāo)和世界坐標(biāo)系中對(duì)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(shí)景底圖軌跡文檔數(shù)據(jù)中，無人機(jī)自主飛行時(shí)，在航點(diǎn)處實(shí)時(shí)反饋無人機(jī)位置和姿態(tài)信息與設(shè)計(jì)航點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，修正無人機(jī)位置和姿態(tài)，然后進(jìn)行拍照采集影像，完成后飛向下一個(gè)航點(diǎn)。 控制流程如圖4 所示。

圖4 無人機(jī)飛行控制流程圖

利用全景云臺(tái)、相機(jī)、無人機(jī)、影像測量系統(tǒng)等組成的無人機(jī)影像法測量系統(tǒng)，對(duì)某大型油船的艙室進(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)坐標(biāo)并實(shí)現(xiàn)多站三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)一。 測量時(shí)利用全景云臺(tái)和地面手持相機(jī)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(jī)影像

圖7 船艙三維模型

使用全景影像快速自動(dòng)三維重建軟件構(gòu)建艙室低精度三維實(shí)景模型作為無人機(jī)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(jī)飛行路線和影像采集頻率，然后操控?zé)o人機(jī)進(jìn)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(duì)漏拍的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛。 最后采用國家規(guī)程方法進(jìn)行測量，對(duì)比驗(yàn)證無人機(jī)影像測量法的準(zhǔn)確可靠性。

3 結(jié) 語

基于室內(nèi)實(shí)景模型的無人機(jī)艙容測量方法，航線規(guī)劃可視性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，操縱靈活。 根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目對(duì)影像分辨率的要求選取航點(diǎn)、 重疊度、航高和拍攝角度，設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)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。