陳金德

廣東振聲科技股份有限公司 廣東梅州 514700

1 技術(shù)背景

工程爆破的前景正朝著精細(xì)化、科學(xué)化、數(shù)字化方向發(fā)展[1]。對工程爆破項(xiàng)目進(jìn)行信息化管理，整個系統(tǒng)主要包括中心服務(wù)器單元、倉庫服務(wù)器單元、車輛運(yùn)輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元、爆破現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元、爆破現(xiàn)場管理單元、爆破環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元、爆破警戒人員定位確認(rèn)單元等[2-4]，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。此外，爆破現(xiàn)場視頻也可采用工程車系統(tǒng)[5]。

當(dāng)前爆破現(xiàn)場主要采用便攜式設(shè)備進(jìn)行視頻監(jiān)控，雖然可以通過云臺控制攝像頭進(jìn)行拍攝角度、遠(yuǎn)近的調(diào)整，但存在以下缺點(diǎn)。

(1) 現(xiàn)場需要有人員兼職進(jìn)行云臺控制，爆破作業(yè)一旦工作量比較飽滿，兼職人員可能會忘記對云臺進(jìn)行控制。

(2) 當(dāng)爆破工程巨大、設(shè)備需要遠(yuǎn)離爆破中心點(diǎn)時，隨著距離的增大，對設(shè)備的要求提高，成本也隨之增高，同時設(shè)備的質(zhì)量、體積也隨之增大，造成工作量、工作強(qiáng)度增加。

(3) 對某些特殊場合，如炸藥卸車等，人、物可能會產(chǎn)生遮擋，導(dǎo)致無法完整清晰地監(jiān)控爆破作業(yè)。

針對以上存在的缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)自動飛行程序[6-9]，并搭建工程爆破信息化智能管控系統(tǒng)。無人機(jī)監(jiān)控方案流程如圖2所示。

系統(tǒng)后臺編程，通過發(fā)送指令控制無人機(jī)在具體的時間點(diǎn)，對設(shè)定的爆破作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行盤旋，尋找目標(biāo)后靜止航拍。

若無航拍作業(yè)，則無人機(jī)在三腳架上進(jìn)行靜止全景監(jiān)控拍攝和充電，此時的功能相當(dāng)于便攜式設(shè)備。

通過后臺控制程序，視頻信息實(shí)時傳輸至系統(tǒng)后臺。

圖1 工程爆破項(xiàng)目信息化系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2 無人機(jī)監(jiān)控方案流程圖

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)確認(rèn)

在地圖勘察方面，可采用無人機(jī)進(jìn)行1∶1000地形圖勘察測繪[10]，也可采用人工攜帶全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備進(jìn)行勘察?？辈旌蟮牡貓D采集流程如圖3所示。

在項(xiàng)目勘察階段時，對爆破地點(diǎn)的地理位置、地理環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)勘察，得出爆破現(xiàn)場的詳細(xì)地圖S1。

在設(shè)計(jì)項(xiàng)目爆破方案時，確定民爆物品卸車的位置、警戒線范圍、警戒范圍，并在地圖S1上標(biāo)識，輸出地圖S2。

在設(shè)計(jì)項(xiàng)目分次爆破方案時，確定每次爆破的作業(yè)中心點(diǎn)、人員簽到位置、無人機(jī)放置位置，在地圖S2上標(biāo)識，輸出地圖S3。

圖3 地圖采集流程圖

將分次爆破的地圖S3、項(xiàng)目作業(yè)起止時間t、人員簽到時間t1、民爆物品卸車時間t2、裝藥時間t3、聯(lián)網(wǎng)時間t4、警戒時間t5、爆破時間t6等數(shù)據(jù)輸入無人機(jī)。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)與無人機(jī)動作

無人機(jī)在充電期間監(jiān)控的范圍為S1，在時間t內(nèi)全程監(jiān)控。

在時間t1內(nèi)，無人機(jī)需飛至地圖S3上標(biāo)識的人員簽到位置上空，對人員簽到進(jìn)行視頻監(jiān)控。

在時間t2內(nèi)，無人機(jī)需飛至地圖S2上標(biāo)識的民爆物品卸車位置上空，對民爆物品卸車過程進(jìn)行視頻監(jiān)控。

在時間t3～t4內(nèi)，無人機(jī)需在一定時間間隔內(nèi)飛至地圖S2上標(biāo)識的警戒線上空或在三腳架上，對地圖S3上標(biāo)識的作業(yè)中心點(diǎn)裝藥、雷管聯(lián)網(wǎng)過程進(jìn)行視頻監(jiān)控。

在時間t5內(nèi)，無人機(jī)飛行至地圖S2上標(biāo)識的警戒線上空進(jìn)行盤旋視頻監(jiān)控。

在時間t6內(nèi)，無人機(jī)可在三腳架上或飛行至地圖S2上標(biāo)識的警戒線上空，對地圖S3上標(biāo)識的作業(yè)中心點(diǎn)爆破過程進(jìn)行視頻監(jiān)控。

無人機(jī)所有的飛行范圍應(yīng)在地圖S2上標(biāo)識的警戒范圍外，且在地圖S1范圍內(nèi)。

2.3 自動充電

如圖4所示，兩個圓形導(dǎo)軌分別與電池的正負(fù)極連接。無人機(jī)的充電口與導(dǎo)軌之間采用微電機(jī)控制可伸縮導(dǎo)桿，當(dāng)無人機(jī)處于飛行狀態(tài)和飛落至三腳架充電前，伸縮導(dǎo)桿處于收縮狀態(tài)；當(dāng)無人機(jī)停穩(wěn)至三腳架后，伸縮導(dǎo)桿伸展，分別接觸導(dǎo)軌，使無人機(jī)自動充電。

圖4 無人機(jī)自動充電示意圖

如圖5所示，無人機(jī)尋找三腳架過程如下：① 無人機(jī)記憶當(dāng)前三腳架的地理位置信息；② 無人機(jī)通過當(dāng)前已記憶的三腳架地理位置信息，確定大致位置，飛回；③ 當(dāng)無人機(jī)在三腳架上空時，接收到由導(dǎo)軌中間紅外感應(yīng)發(fā)出的信號，確定具體位置；④ 當(dāng)無人機(jī)已觸碰底盤時，無人機(jī)停止下降；⑤ 伸縮導(dǎo)桿伸展，無人機(jī)自動充電。

無人機(jī)在三腳架上充電時，攝像頭需自動對準(zhǔn)作業(yè)中心點(diǎn)。

圖5 無人機(jī)尋找三腳架流程圖

2.4 警戒人員定位及地圖更新

警戒人員佩戴GPS定位對講機(jī)，對警戒信息進(jìn)行語音和GPS雙向定位。當(dāng)警戒人員就位后，GPS信息上傳至平臺，需要對S2的范圍進(jìn)行修改，以確定警戒線外圍監(jiān)控范圍，S2地圖更新，便于無人機(jī)對各個點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。警戒位置示意圖如圖6所示。

圖6 警戒位置示意圖

第一步：確定A、B、C、D四點(diǎn)位置。

(1) 采集各個警戒點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

(2) 通過各個數(shù)據(jù)對比得到A(緯度最大)、B(經(jīng)度最小)、C(緯度最小)、D(經(jīng)度最大)四點(diǎn)坐標(biāo)。

第二步：確定區(qū)域。

假設(shè)除A、B、C、D四點(diǎn)外的各點(diǎn)坐標(biāo)為xn(mxn,nxn)，則可以劃分出以下5大區(qū)域。

(1)mmin≤mxn≤mA，且nB≤nxn≤nmax，則處于區(qū)域AB，即圖6中藍(lán)色虛線區(qū)域。

(2)mmin≤mxn≤mC，且nmin≤nxn≤nB，則處于區(qū)域BC，即圖6中黃色虛線區(qū)域。

(3)mC≤mxn≤mmax，且nmin≤nxn≤nD，則處于區(qū)域CD，即圖6中紫色虛線區(qū)域。

(4)mA≤mxn≤mmax，且nD≤nxn≤nmax，則處于區(qū)域DA，即圖6中綠色虛線區(qū)域。

(5) 其余的點(diǎn)在區(qū)域IN中。

第三步：確定斜率kAB及直線l(mn,nn)方程。

(1) 確定區(qū)域AB的斜率和直線lAB方程：kAB=(nmax-nB)/(mA-mmin)，nn=nB+kAB(mn-mmin)。

(2) 確定區(qū)域BC的斜率kBC和直線lBC方程：kBC=(nB-nmin)/(mmin-mC)，nn=nmin+kBC(mn-mC)。

(3) 確定區(qū)域CD的斜率kCD和直線lCD方程：kCD=(nD-nmin)/(mmax-mC)，nn=nmin+kCD(mn-mC)。

(4) 確定區(qū)域DA的斜率kDA和直線lDA方程：kDA=(nmax-nD)/(mA-mmax)，nn=nD+kDA(mn-mmax)。

第四步：判斷警戒點(diǎn)細(xì)分區(qū)域。

(1) 在區(qū)域AB中的點(diǎn)，經(jīng)度數(shù)據(jù)分別代入lAB方程，得出直線上的緯度信息nxAB，若nxAB

(2) 在區(qū)域BC中的點(diǎn)，經(jīng)度數(shù)據(jù)分別代入lBC方程，得出直線上的緯度信息nxBC，若nxBC>nn，則該點(diǎn)屬于區(qū)域B_C，需要進(jìn)一步處理；若nxBC≤nn，則該點(diǎn)屬于區(qū)域C_B，無需進(jìn)一步處理，放棄該點(diǎn)。

(3) 在區(qū)域CD中的點(diǎn)，經(jīng)度數(shù)據(jù)分別代入lCD方程，得出直線上的緯度信息nxCD，若nxCD>nn，則該點(diǎn)屬于區(qū)域C_D，需要進(jìn)一步處理；若nxCD≤nn，則該點(diǎn)屬于區(qū)域D_C，無需進(jìn)一步處理，放棄該點(diǎn)。

(4) 在區(qū)域DA中的點(diǎn)，經(jīng)度數(shù)據(jù)分別代入lDA方程，得出直線上的緯度信息nxDA，若nxDA

第五步：確認(rèn)需要連線點(diǎn)。

(1) 在區(qū)域A_B內(nèi)，點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)A取斜率，斜率最小的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)A連接。點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’) 和點(diǎn)B取斜率，斜率最大的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)B連接。點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點(diǎn)，則兩點(diǎn)連接，否則完成區(qū)域A_B的連線。

(2) 在區(qū)域B_C內(nèi)，點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)B取斜率，斜率最小的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)B連接。點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’) 和點(diǎn)C取斜率，斜率最大的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)C連接。點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點(diǎn)，則兩點(diǎn)連接，否則完成區(qū)域B_C的連線。

(3) 在區(qū)域C_D內(nèi)，點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)C取斜率，斜率最小的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)C連接。點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’) 和點(diǎn)D取斜率，斜率最大的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)D連接。點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點(diǎn)，則兩點(diǎn)連接，否則完成區(qū)域C_D的連線。

(4) 在區(qū)域D_A區(qū)域內(nèi)，點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)D取斜率，斜率最小的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)D連接。點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’)和點(diǎn)A取斜率，斜率最大的點(diǎn)確認(rèn)需要與點(diǎn)A連接。點(diǎn)xn(mxn,nxn)和點(diǎn)xn’(mxn’,nxn’)如果是不同點(diǎn)，則兩點(diǎn)連接，否則完成區(qū)域D_A的連線。

(5) 在區(qū)域IN內(nèi)無需連線。

3 應(yīng)用效果

如圖7、圖8所示，基于無人機(jī)的工程爆破信息化智能管控系統(tǒng)在爆破工程中使用，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

無人機(jī)與信息化技術(shù)相結(jié)合，搭建工程爆破信息化智能管控系統(tǒng)，采用后臺系統(tǒng)預(yù)編程與警戒點(diǎn)實(shí)時位置變化指令控制無人機(jī)飛行范圍，實(shí)現(xiàn)爆破現(xiàn)場作業(yè)面的監(jiān)控。同時，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動充電功能，保證了無人機(jī)能夠在爆破作業(yè)過程中連續(xù)工作。這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了爆破現(xiàn)場視頻監(jiān)控的無人化操作，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和唯一性，為監(jiān)管部門對爆破現(xiàn)場的有效監(jiān)管提供了管理依據(jù)。

圖7 系統(tǒng)應(yīng)用效果界面

圖 8 工程現(xiàn)場爆破視頻截圖

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