基于视觉的无人机在油气管道安全管理中的应用

2019-11-18张颖龙赵有乐

电子技术与软件工程 2019年18期

文/张颖龙赵有乐

随着计算机视觉技术的飞速发展，无人机在工业与民用上发挥了重要作用。特别是受到广泛关注的无人机智能化控制，已经成为近几年来的研究热点。最早的测绘无人机与航拍无人机已经可以搭载摄像装置或者遥感监测装置，实时提供遥感监测数据，传输到地面站，这两种无人机具有机动性强、灵活方便的优点，被广泛应用于海域动态监管、航拍建模等领域。随着多旋翼无人机的发展不断朝着智能化，集成化发展，更多形式的无人机将用于社会的不同领域。目前，我国的油气输送方式主要依靠管道运输，我国油气管道距离长、分布广、环境复杂，传统管道人工巡检人力耗费大，对于一些恶劣地形或天气条件，巡线人员难以到达，此外还可能出现漏检等问题，给油气管道安全管理带来了隐患和不便。因此，利用无人机系统进行油气管道智能巡线具有重很大的实用价值和发展前景。

无人机系统的核心模块由两部分组成：图像处理模块、飞行控制模块。无人机系统的控制任务分配给上下两层控制器进行控制，其中上层控制器位于地面端，负责图像处理、信息收集及路径规划，下层控制器直接与电机相连，属于DJI内置的控制器，其输入为来自上层控制器的期望速度及姿态，其输出为电机控制信号。

1 硬件选型

该无人机系统硬件主要包括：四旋翼飞行器、数传电台、HDMI视频采集卡、AV-USB转接器、地面PC端。

图1：直线飞行方法

四旋翼飞行器选择DJI M100无人机，该型无人机由大疆公司研发，稳定性好，自身配备GPS定位功能、Lightbridge高清图传，具有良好的二次开发性。DJI M100通过高清图传将采集到的视频传输到遥控器，遥控器可提供HDMI视频输出。首先将HDMI转AV模块连接遥控器以获得视频数据，然后通过AV转USB将视频流输入PC端，在程序中获得USB输入信息，从视频流中获取视频帧进行图像处理。经过图像处理模块及飞行控制模块，期望速度信号通过数传电台传递到飞行器，实现无人机自动飞行。数传电台、HDMI视频采集卡、AV-USB转接器、地面PC端的型号不定，但要求具有足够的稳定性和适配性。

2 图像处理模块

图像处理模块主要由图像预处理及利用分布式粒子滤波算法实现管线定位跟踪两部分组成。为改善图像质量，提高管道识别效果，需要对获取的图像进行预处理，如式（1）利用离散化的高斯滤波可对图像进行平滑降噪。其中f为原图像帧，h为高斯卷积模板，g为处理后的图像。

管线定位跟踪由特征提取、运动模型、外观模型、在线更新机制四部分组成，其算法主要可分为生成式跟踪方法与判别式跟踪方法。本文采用的分布式粒子滤波算法属于生成式跟踪方法，具有高速、快捷的优点。其实现过程为：首先将图像由RGB空间转入HSV空间，进而对HSV空间进行简化，将三维空间映射到一维空间中去。以飞行起点管道中心为原点，在其周围产生500个服从高斯分布的粒子，之后以各粒子为中心，计算各粒子周围和管道起点周围的颜色分布向量。采用巴氏距离描述各粒子周围和管道起点周围颜色分布向量的相似度，选择其中相似度最大的区域。对每一帧图像重复进行上述处理，即可得到管道轨迹。

需要注意的是在进行采样的过程中往往会存在粒子退化等问题，因此，需要模板更新和重新采样环节来保证长时间识别定位管道的精度。

3 飞行控制模块

在获得了管道位置信息之后，需要完成的任务是对无人机进行控制，实现飞行器对管道的沿线飞行，重点是对PID控制器的设计。

本文针对四旋翼飞行器在低空开阔环境下飞行的情况，考虑了以下几点问题：

（1）低空开阔环境，外界干扰小，阻力小，无遮挡物，

（2）飞行高度对跟踪任务的完成影响不大，采用恒定高度飞行

（3）考虑到计算机运行速度和信号传递速度的有限性以及跟踪任务的时效性，采用直线飞行方法，以折直线轨迹沿管道飞行。

基于对以上几点问题的考虑，在开启飞行器GPS定位的条件下，采用图1所示的直线追踪方法。将目标中心与画面中心的偏差在x、y方向上进行分解，分别得到，作为偏差值输入飞行控制器。

PID控制算法是目前应用最广泛的一种控制算法。其原理是将输出值与设定值作差，得到偏差值。控制器对偏差值进行比例、积分、微分处理，输出控制信号，改变被控变量的大小并构成负反馈调节。离散化的增量式PID控制器如式（2）所示，其中，Δu(k)表示PID控制器的输出信号，e(k)表示偏差值。Kp、TI、TD分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数。