基于双目视觉的桥梁检测无人机两轴云台设计与实现.doc

基于双目视觉的桥梁检测无人机两轴云台设计与实现 王雨峰 江苏省交通技师学院 摘 要： 随着航拍和遥感技术的发展, 无人机应用技术得到快速发展, 并在众多领域取得广泛应用采用无人机桥梁检测辅助常规检测, 可有效提高桥梁检测效率, 并保证检测数据的准确性和持久性本文针对桥梁检测的特殊需求, 采用双目视觉技术替代传统单目测量, 提高测量精度;设计两种新型云台, 实现无人机悬停桥梁底部, 垂直向上拍摄的工程需求, 并实验对比两种云台的综合性能关键词： 双目视觉; 桥梁检测; 无人机; 云台设计; 0.引言桥梁是我国交通重要的基础建设工程, 关乎社会与经济的和谐发展桥梁建设的投入巨大, 因此保障桥梁安全耐用至关重要桥梁检测是桥梁管理的基本工作, 常规的检测手段主要是依靠肉眼观察或桥检车、望远镜等辅助工具, 对桥梁主要构件进行检查, 以便及时发现桥梁开裂破损、露筋锈蚀、支座脱空等病害随着航拍技术、遥感技术的不断发展, 无人机应用技术作为一门新兴的综合性技术, 在我国国防建设、地质勘测、电网巡视、高速公路巡查、气象检测、森林防火、海事巡逻等军用与民用技术领域获得广泛应用, 成为提高效率和提升产业规模水平发展的重要工具。

无人机根据其结构分为固定翼、直升机和多旋翼三大类多旋翼无人机因平稳性好、结构简单及性价比高等优势成为无人机桥梁检测的首选采用无人机桥梁检测, 不仅解决了传统桥梁检测费钱耗时、难度大、危险系数高等难题, 而且保证了检测数据的准确性和持久性, 提高桥梁检测效率桥梁底部由于受力不均、风雨侵蚀, 最容易发生破损开裂的病害, 因此桥梁检测中需要测量破损开裂的面积和裂缝长度宽度等, 涉及不规则形状的精确计算, 且精度需达到 0.1mm除了人工测量外, 基于机器视觉的测量技术得到研究与应用目前无人机搭载单目高清摄像头, 受云台限制, 只能向下或侧面拍摄而实际检测中, 需要无人机悬停于桥梁下方, 垂直向上拍摄桥梁底部大面积病害情况, 以便做到精确计算图 1 理想双目视觉定位原理 下载原图图 2 云台控制系统 下载原图图 3 伺服舵机云台 下载原图图 4 无刷电机云台 下载原图1. 基于双目视觉技术的桥梁裂缝测量系统传统单目拍摄及图像处理是基于二维平面的计算方法, 而摄像头拍摄的图像仅仅是真实物体的平面投影, 存在较大的误差为满足桥梁检测中 0.1mm 的精度要求, 基于双目视觉技术测量系统, 通过模拟人眼观察, 还原物体的空间真实尺寸, 进而有效保证测量的精度。

1.1 双目视觉技术工作原理双目视觉技术是仿照人眼观察原理、利用两个摄像头, 从不同角度同时获取同一目标图像, 通过计算目标在图像的视差获取目标的准确三维坐标值平行放置的双目视觉模型是最理想的, 如图 1 所示其中, O L、O R分别是左右两个摄像头的坐标系原点, 又称光心, Z L、Z R是光轴;光心之间连线为基线, 长度为 b;摄像头成像平面的原点与其光心距离为焦距理想模式中, 两摄像头完全相同, 焦距为 f, 光轴平行由此建立三角几何对应关系为:其中, (x w, yw, zw) 为目标 P 点的坐标记 d=xl-xr, 即为 P 点的双目视差由此可知, 只要得到空间任意点在左右两个摄像头成像平面上的图像坐标、焦距和基线, 即可求得目标点的三维空间坐标1.2 桥梁裂缝测量系统组成基于双目视觉技术的桥梁裂缝测量系统由图像采集、处理和计算组成, 利用两个 CCD 相机获取桥梁底部图片, 运用计算机处理自动识别出裂纹图像, 并对分离出来的裂纹进行计算获取三维点坐标, 从而实现更加精确的计算相比传统人工测量, 具有更加快捷安全、直观精确、灵活性高、成本低廉等优点, 具有较好应用前景方案选用 CC3D 飞控操作 QAV250 机架的小型无人机, 将两个 700 线高清摄像头, 以中心距 10cm 固定在云台上, 摄像头垂直向上, 满足桥梁底部拍摄要求;搭载两套 5.8G 图传和 RC832 接收机同时采集两个摄像头拍摄的图像。

双目相机需经过标定才能保证精度, 其标定过程就是确定三维空间点到二维平面点的映射矩阵的过程所采集图像需进行预处理, 包括图像压缩、图像去噪、图像增强经过处理后的图像, 可清晰呈现裂缝通过对同一组图像中裂纹宽边或左右像素点进行匹配, 可计算空间两点的三维坐标 (X, Y, Z) 和 (U, V, W) 进而根据三维欧氏距离公式:计算两点之间距离2. 无人机两轴云台设计无人机的安全性、稳定性、可操作性是航拍基础;相机的画质直接影响航拍的作品, 两者缺一不可由于无人机飞行姿态变化、自身的震动以及外界气流扰动都会影响到成像质量, 又受限于无人机的载重与功耗, 因此必须选用重量轻、结构简单的云台, 以稳定视轴、隔离干扰, 保证桥梁检测精度2.1 云台系统总体设计如图 2 所示, 云台系统由控制器、姿态反馈元件、执行元件以及框架结构 4 个部分组成, 采用 64 引脚 LQPF 封装的 TMS320F28035 作为主控芯片, 集成有三轴陀螺仪、三轴加速度计的惯性传感器 MPU6050 作为姿态反馈, 分别选用伺服舵机和 2204 无刷电机, 与 L6234 电机驱动器组成执行元件如图 3 和图 4 所示, 根据桥梁检测特殊需求, 设计了伺服舵机云台和无刷电机云台。

云台由俯仰和横滚两轴组成, 整体重点较低, 具有一定自稳特性;底座采用减震球与机身相连, 减少机身震动对云台的影响;相机平台以中心距 10cm 固定两个高清摄像头, 同时固连姿态反馈元件2.2 驱动选择根据云台功能实现需要可选择伺服舵机、步进电机、直流无刷电机, 其中伺服舵机驱动简单、质量轻、体积小、驱动力矩大, 是普通云台的首选;而相同质量的进步电机由于力矩太小, 较少使用;直流无刷电机随着技术发展, 体积越来越小, 逐渐应用于新型云台舵机由电子控制电路板、空心杯电机、减速齿轮组和旋转电位计组成, 其中空心杯电机具有转动惯量小的优点, 即传动顺滑, 可保障云台稳定过程中精确控制;而减速器由于齿轮间存在间隙, 会造成回差影响稳定效果, 因此需选用精度较高的减速齿轮此外可将舵机控制电路隔离, 直接连接至云台控制, 以提高控制频率2204 无刷电机型号为 MY-2813C, 其定子直径 22mm, 定子厚度 4mm, 槽数 12, 极数 14, 重量 22g无刷电机中定子绕组产生的每个磁场矢量与转子空间位置对应, 因此根据转子空间位置, 控制相应绕组相电流大小和方向, 产生磁场矢量, 以补偿转子随机体的运动, 从而使其空间位置固定。

2.3 框架结构的 3D 打印本文设计的云台框架结构是目前市面无法购买的, 为了实现质量轻、结构合理、强度适宜的要求, 所以采用 3D 打印进行定制3D 打印实现周期短、成本低、柔性制造、所见所得和高度集成化等优势, 让三维设计模型直接到样件的原型产品, 大大缩短制造时间和成本此外, 3D 打印技术为云台造型优化和尺寸变化、摄像头及电机的更换提供了无限可能, 根据无人机尺寸和载荷变化, 设计更合理的云台, 提高稳定性, 保证测量精度2.4 云台运动补偿控制器无人机在飞行中不可避免对云台造成影响, 因此需运用运动补偿控制器加以补偿定义机体坐标系 obxbybzb, 相机云台中心坐标系 ocxcyczc, 两图像平面中心坐标系 oiyizi无人机机体角速度 与引起的云台姿态角速度间的关系为:由式 (3) 可得:式中:根据工程需要, 二自由度云台系统满足桥梁检测的要求, 可作俯仰和横滚运动, 故当目标相对两图像中心位置偏差 时, 为了使其处于两图像中心位置, 云台应该调节的角度:其中, p y, pz是摄像头分辨率, r y, rz是视角利用无人机自身的姿态感应装置感知机体角速度, 设采样间隔为 Δt i, 可得云台控制系统误差为:最后把无人机的速度和角速度作为云台控制器的输入, 引入 PID 云台稳定控制器。

通过 PID 控制算法得到控制量驱动相应轴的电机转动, 隔离载体的角运动, 稳定云台, 为目标标定和拍摄提供可靠的保证3. 实验对比通过模拟桥梁检测的飞行实验, 两种云台设计方案均能较好地满足工程需求, 从云台的转动速度、转动角度、载重、环境指标、回差和可靠性等方面进行对比, 结果见表 1, 可知伺服舵机云台结构强度好、力矩大, 适用于大中型无人机, 以承载更重的高清相机;而无刷电机云台结构简单、无机械回差, 适合于小型无人机, 搭载微型高清摄像头表 1 两种云台性能对比 下载原表 结语随着无人机技术的不断发展, 基于双目视觉的无人机桥梁检测系统提高了测量精度, 同时新的云台设计满足桥梁底部垂直向上拍摄的需求, 通过运动补偿保障了云台平稳转动和图像采集的清晰因此, 无人机将会越来越多的应用于桥梁检测, 成为未来桥梁管理重要补充手段, 极大提高桥梁检测的效率, 维护桥梁结构安全, 确保桥梁经久耐用参考文献[1]彭玲丽, 黄少旭, 张申申, 等.浅谈无人机在桥梁检测中的应用与发展[J].交通科技, 2015 (6) :42-44. [2]陈显龙, 陈晓龙, 赵成, 等.无人机在路桥病害检测中的设计与实现[J].测绘通报, 2016 (4) :79-82. [3]庞娜, 赵启林, 芮挺, 等.基于机器视觉的桥梁检测技术现状及发展[J].现代交通技术, 2015, 12 (6) :25-31. [4]刘晶晶.基于双目立体视觉的三维定位技术研究[D].华中科技大学, 2007. [5]王琳.基于双目立体视觉技术的桥梁裂缝测量系统研究[D].上海交通大学, 2015. [6]孟恭.无人机视觉稳定云台系统设计[D].哈尔滨工程大学, 2012. [7]杨润, 闫开印, 马术文.小型无人机机载两轴云台设计与实现[J].自动化与仪器仪表, 2014 (7) :165-167+171. [8]吴复尧, 邱美玲, 王斌.3D 打印无人机的研究现状及问题分析[J].飞航导弹, 2015 (10) :20-25. [9]罗秋凤, 肖前贵, 杨柳庆.无人机自动检测系统的设计与实现[J].仪器仪表学报, 2011, 32 (1) :126-131. [10]李湘清, 孙秀霞, 彭建亮, 等.基于运动补偿的小型无人机云台控制器设计方法[J].系统工程与电子技术, 2011, 33 (2) :376-379. 。