發(fā)布時間：2020-04-22 13:41

【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(xiàn)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(dǎo)航方式。目前無人機常用導(dǎo)航系統(tǒng)有:衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)(GPS)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像導(dǎo)航系統(tǒng)以及將多種導(dǎo)航系統(tǒng)組合的導(dǎo)航方式。但水利設(shè)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(dǎo)航方式不適用于無人機管道巡檢工作。為實現(xiàn)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(dǎo)航的無人機控制算法,為實現(xiàn)無人機輸水管道巡檢奠定理論基礎(chǔ)。本文提出的圖像導(dǎo)航算法是通過對現(xiàn)場管道圖像進行相關(guān)圖像處理并根據(jù)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(guān)方法確定管道角度偏移量與位置偏移量,從而實現(xiàn)無人機姿態(tài)調(diào)整。該導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括以下三方面內(nèi)容:首先不再通過實拍景物和預(yù)先存儲在內(nèi)存中的地圖或標志性事物的匹配結(jié)果實現(xiàn)定位,因此有效的節(jié)約內(nèi)存空間。其次采用具有處理速度較高、內(nèi)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(gòu)建基于無人機的輸水管道自主導(dǎo)航控制系統(tǒng),并開展相關(guān)實驗。經(jīng)過實驗研究,本文提出的圖像導(dǎo)航算法可以實現(xiàn)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(xiàn)了基于圖像導(dǎo)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(xiàn)基于無人機的水利管道智能巡檢奠定了圖像導(dǎo)航與飛控算法基礎(chǔ)。
【圖文】：

因為光的折射效應(yīng)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(yīng)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(xué)位授予單位】：北方民族大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2020
【分類號】：V279;V249.3;TU990.3

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