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基于双目视觉的桥梁检测无人机两轴云台设计与实现

范文

王雨峰

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

中图分类号：TP49 文献标识码：A

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。

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，OL、OR分别是左右两个摄像头的坐标系原点，又称光心，ZL、 ZR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：

（1）

其中，（xw，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：

（2）

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，其中空心杯電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：

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：

利用无人机自身的姿态感应装置感知机体角速度，設采样间隔为 Δti，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

类型伺服舵机云台无刷电机云台

转动速度力矩大，转动速度快转动速度固定，较稳定

转动角度满足飞行中调节的需要，但受限于相机云台尺寸和距机身的距离

载重载重大，受限舵机齿轮连接处载重小，受限电机螺栓连接处

环境指标电机内置，可防尘防水电机外露，需谨防雨雾侵蚀

回差回差在启动或停止时较大无机械回差

可靠性可靠性良好，均能满足实验需要

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

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