【摘要】：傳統(tǒng)輸水管道巡檢大多采用人工巡檢方式,該方式存在以下兩點不足:第一巡檢工作量大、巡檢時間較長、造成資源浪費。第二輸水管道大多處在偏遠地區(qū),環(huán)境較為惡劣,因此對巡檢人員而言可能存在安全隱患。所以采用無人機作為輸水管道巡檢工具,不僅可以有效的減少巡檢人員的工作量、節(jié)省管道巡檢開支,還可以避免野外惡劣環(huán)境對巡檢人員的傷害。要實現無人機管道巡檢工作,最重要的是找到一種可靠安全且低成本的無人機導航方式。目前無人機常用導航系統(tǒng)有:衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)(GPS)、多普勒導航系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)、圖像導航系統(tǒng)以及將多種導航系統(tǒng)組合的導航方式。但水利設施大多是處在偏遠地區(qū),這些地方GPS定位精度低且缺乏標志性建筑物,所以上述各類導航方式不適用于無人機管道巡檢工作。為實現低成本高效率的無人機水利管道巡檢,本文提出了基于新型圖像導航的無人機控制算法,為實現無人機輸水管道巡檢奠定理論基礎。本文提出的圖像導航算法是通過對現場管道圖像進行相關圖像處理并根據目標和背景顏色的差異,采用圖像濾波、不同顏色空間閾值分割、ROI(感興趣區(qū)域提取)方法、透視變化等相關方法確定管道角度偏移量與位置偏移量,從而實現無人機姿態(tài)調整。該導航系統(tǒng)主要包括以下三方面內容:首先不再通過實拍景物和預先存儲在內存中的地圖或標志性事物的匹配結果實現定位,因此有效的節(jié)約內存空間。其次采用具有處理速度較高、內存較大、體積微小、攜帶方便、集成有高清攝像頭等優(yōu)點的樹莓派3B作為圖像處理平臺,避免了PC機作為圖像處理平臺造成的資源浪費、體積大、移動性差等問題。最后采用開源的ATK-F405飛控,并對ATK-F405飛控進行二次開發(fā),構建基于無人機的輸水管道自主導航控制系統(tǒng),并開展相關實驗。經過實驗研究,本文提出的圖像導航算法可以實現管道角度偏移量與位置偏移量的計算,初步在ATK-F405飛控中實現了基于圖像導航算法的無人機飛行姿態(tài)控制。本文的研究成果為后期實現基于無人機的水利管道智能巡檢奠定了圖像導航與飛控算法基礎。
【圖文】：

因為光的折射效應會在透鏡后匯聚于一點[13]。以鉛筆的筆尖為例，成像原理如圖2-1 所示。圖 2-1 相機成像原理圖相機成像主要分為兩種方式：第一種方式：物體與透鏡間距離是固定的。在這種情況下只有感光元件處在焦點位置時，才可以得到清楚的成像。第二種方式：物體和透鏡之間的距離是不斷變化的。無人機航拍過程中相機成像則屬于第二種方式。在第二種成像方式下，光束的入射角會隨著物體與透鏡間距離的變化而不斷變化。具體變化規(guī)律如圖 2-2 所示。圖 2-2 物體與透鏡間距離不斷變化時成像規(guī)律圖如圖 2-2 所示，物體距離透鏡越近，則入射角就越小，折射角越大，，焦距也隨之變大，物體在感光元件上的像就越大[13]。反之，當物體距離透鏡越遠，則入射角度越大，折射角越小，焦距也隨之變小，物體在感光元件上的像就越小[13]。

無人機相機成像原理：相機的成像原理類似于凸透鏡成像原理。由光源發(fā)射光并照射在凸透鏡上，因為光的折射效應會在透鏡后匯聚于一點[13]。以鉛筆的筆尖為例，成像原理如圖2-1 所示。圖 2-1 相機成像原理圖相機成像主要分為兩種方式：第一種方式：物體與透鏡間距離是固定的。在這種情況下只有感光元件處在焦點位置時，才可以得到清楚的成像。第二種方式：物體和透鏡之間的距離是不斷變化的。無人機航拍過程中相機成像則屬于第二種方式。在第二種成像方式下，光束的入射角會隨著物體與透鏡間距離的變化而不斷變化。具體變化規(guī)律如圖 2-2 所示。
【學位授予單位】：北方民族大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2020
【分類號】：V279;V249.3;TU990.3

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