(山東大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,濟(jì)南 250001)
無人機(jī)航拍技術(shù)具有很強(qiáng)的智能性,自動化水平高,拍攝到的實(shí)際更改信息能夠同步更新到中心系統(tǒng)中,為企業(yè)提供有力的資料,在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域、土地資源管理領(lǐng)域以及資料分析領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。由于近年來科學(xué)家在無人機(jī)航拍技術(shù)中投入了大量的人力、物力和財力,所以無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)步更加顯著,將無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用到勘查工作中,可以大大縮小勘察時花費(fèi)的時間,加快信息反饋速度,即使在復(fù)雜的工作環(huán)境下,無人機(jī)航拍技術(shù)也可以快速靈活地適應(yīng)。無人機(jī)具有體積小,結(jié)構(gòu)簡單,工作時不會受到自然環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn),因此工作人員可以隨時利用無人機(jī)控制各類設(shè)備[1]。
地面施工設(shè)備是保證地面施工工作正常運(yùn)行的重要物質(zhì)基礎(chǔ),其質(zhì)量好壞直接影響施工效率,控制地面施工設(shè)備質(zhì)量一直是地面施工的重要任務(wù)之一[1]。目前的地面施工設(shè)備質(zhì)量控制方法多是采用日常檢修的方法,雖然設(shè)計了質(zhì)量控制系統(tǒng),但是過于依賴人工操控,在外界因素影響下,控制工作很難正常運(yùn)行,得到的質(zhì)量信息準(zhǔn)確度很低,且各類質(zhì)量參數(shù)描述不夠詳細(xì)。隨著科技的進(jìn)步,地面施工設(shè)備越來越復(fù)雜,對設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制越來越困難,嚴(yán)重影響施工工作的正常運(yùn)行[3]。
綜上所述,本文設(shè)計了一種新的地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),利用無人機(jī)航拍技術(shù)對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計,系統(tǒng)通過接入層、管理層和應(yīng)用層完成硬件結(jié)構(gòu),利用實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證[4]。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效控制地面施工設(shè)備質(zhì)量,管理施工設(shè)備信息,優(yōu)化生產(chǎn)過程,提高地面施工工作效率。本文研究的控制系統(tǒng)對于地面施工工作的正常開展有一定的促進(jìn)意義。
通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接無人機(jī),在確保施工工作正常運(yùn)行的情況下,對質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[5]。以傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ),利用開放性接口設(shè)計地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu):
圖1 地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
如圖1所示,系統(tǒng)硬件具有三層結(jié)構(gòu),分別是接入層、管理層和應(yīng)用層,通過這三層連接,使系統(tǒng)更加開放靈活,兼容性更高[6]。接入層能夠很好地接收到無人機(jī)航拍傳來的信息,由于B/S結(jié)構(gòu)的加入,即使系統(tǒng)終端環(huán)境不同,也可正常運(yùn)行,避免客戶端配置受限的問題。數(shù)據(jù)管理層會將數(shù)據(jù)庫中的所有信息提取出來庫中的所有信息提取出來,再接入到應(yīng)用數(shù)據(jù)庫,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速追蹤和查找。應(yīng)用端使用手持設(shè)備和PC端,通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上傳采集的數(shù)據(jù),從而配置出有效的控制方案,實(shí)現(xiàn)地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制工作。通過本文設(shè)計的地面施工設(shè)備控制系統(tǒng)可以加強(qiáng)信息可視化和共享化[7]。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括的硬件設(shè)備有:底座、固定支撐設(shè)備、移動支撐設(shè)備、水平測量儀、上升機(jī)構(gòu)和下降機(jī)構(gòu)。為了使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn),精度更高,所有的系統(tǒng)硬件設(shè)備都應(yīng)該采用伺服系統(tǒng),在減速器中控制輸出的動力,加快質(zhì)量控制的速度[8]。
本文設(shè)計的施工設(shè)備質(zhì)量控制系統(tǒng)要同時滿足安全控制、自由度控制等條件。系統(tǒng)的控制主機(jī)為HT500主機(jī),該主機(jī)內(nèi)部設(shè)置了2路能夠獨(dú)立運(yùn)動的支撐鏈,這2路支撐鏈在三維坐標(biāo)下沿著不同的方向運(yùn)行,第一路沿著Y軸方向運(yùn)行,針對不同長度的地面施工設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行控制,控制時不斷調(diào)整支撐距離,提高控制效率,第二路沿著Z軸方向運(yùn)行,主要負(fù)責(zé)與被控設(shè)備進(jìn)行承接工作,確保被控制的設(shè)備在工作過程足夠安全,與傳感器不會產(chǎn)生沖擊。為了加強(qiáng)控制主機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性,系統(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)主機(jī)的控制工作[9]??刂浦鳈C(jī)的工作原理如圖2所示。
圖2 控制主機(jī)工作原理
控制主機(jī)主要負(fù)責(zé)連接子系統(tǒng)和中心系統(tǒng),確保提供的指令正常運(yùn)行,將得到的各個信號信息發(fā)送給傳感器??刂浦鳈C(jī)針對地面施工設(shè)備質(zhì)量測量平臺、PLC 控制系統(tǒng)和計算系統(tǒng)進(jìn)行工作。
傳感器是控制系統(tǒng)的核心設(shè)備,本文選用的傳感器為光纖傳感器,通過分析送至調(diào)制器中的光源信號的光學(xué)性質(zhì),確定地面施工設(shè)備工作性質(zhì)。主要分析內(nèi)容有光強(qiáng)、波長、頻率、相位和偏振態(tài)。光纖傳感器十分靈敏、精確,對于環(huán)境的適應(yīng)能力很強(qiáng),具備很多傳統(tǒng)傳感器不具備的優(yōu)勢,能夠檢測到很多人類難以檢測區(qū)域的信息。光纖傳感器采用石英玻璃作為核心結(jié)構(gòu),光纖的中心為纖芯,外層和護(hù)套選用尼龍料,即使外界有強(qiáng)磁場干擾,光纖傳感器也不會受到影響。傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 處理器結(jié)構(gòu)
傳感器能夠利用多種物理量控制地面施工設(shè)備的各項(xiàng)物理參數(shù)。當(dāng)傳感器內(nèi)部采用的光纖為SM和PM光纖時,利用磁致伸縮現(xiàn)象,可以很好地控制地面施工設(shè)備的電流和磁場;利用電致伸縮現(xiàn)象,可以控制設(shè)備周圍電場和電壓;通過Sagnac效應(yīng)可以控制設(shè)備的角速度;根據(jù)光彈效應(yīng)能夠控制設(shè)備的振動、所受壓力、加速度;使用干涉能夠控制設(shè)備溫度。當(dāng)傳感器內(nèi)部光纖為MM光纖時,通過分析半導(dǎo)體透射率的變化情況、熒光輻射和黑體輻射,可以控制地面施工設(shè)備的溫度;利用振動膜和液晶反射原理改變設(shè)備的振動情況、所受壓力以及產(chǎn)生的位移;根據(jù)氣體分子吸收原理,控制設(shè)備周圍環(huán)境氣體濃度。當(dāng)傳感器內(nèi)部光纖為SM光纖時,利用法拉第效應(yīng),改變施工設(shè)備的電流和磁場;使用雙折射變化,控制設(shè)備溫度;通過泡克爾斯效應(yīng)控制的設(shè)備電場和電壓。本文設(shè)計的光纖傳感器還具備很強(qiáng)的絕緣能力,防爆性能好,抗腐蝕能力強(qiáng)。
本文選用的處理器為DSP信號處理器,能夠處理所有信號和波形,利用AD采樣將反饋到的信息上傳給DSP,各個單元與主控板CPU的通信方式為光纖通信,在可編程邏輯器中編碼單元信息,調(diào)控系統(tǒng)控制狀態(tài)。處理器結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 處理器結(jié)構(gòu)
對于傳感器反饋的信息以運(yùn)算的方式處理,處理器內(nèi)部使用M/T模式,大大提高處理速度。在完成處理工作后,傳感器會將得到的有效值上報給主控CPU,通過主控CPU進(jìn)行一系列調(diào)整。為了強(qiáng)化處理效果,本文利用磁場補(bǔ)償原理在處理結(jié)構(gòu)中加入了電流互感器,對所有處理的電流信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。模擬電壓信號在AD轉(zhuǎn)換芯片中實(shí)現(xiàn)采樣工作和轉(zhuǎn)換工作,本文設(shè)計的AD轉(zhuǎn)換芯片能夠同時上傳三相數(shù)據(jù)。處理其內(nèi)部的通信模式為RS485通訊模式,能夠確保上位機(jī)實(shí)時接收到各類參數(shù)值,根據(jù)給定的控制要求實(shí)行命令。本文研究的處理器是一種微處理器,其最大的特點(diǎn)為處理速度快,相較于傳統(tǒng)處理器,本文研究的處理器運(yùn)算速度提高了2倍以上,滿足實(shí)時控制地面施工設(shè)備的要求。通過加入現(xiàn)代化控制策略,提高控制性能,完善處理器各項(xiàng)功能。
針對系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計后,引用無人機(jī)航拍技術(shù)對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行開發(fā),軟件流程如圖5所示。
圖5 地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件流程
第一步:利用無人機(jī)航拍技術(shù)獲取地面施工設(shè)備信息,以航空攝影的方式拍攝圖片,并將得到的信息在遙感平臺上處理。由于地面設(shè)施所處環(huán)境復(fù)雜,所以要合理布設(shè)拍攝點(diǎn)和測量點(diǎn),拍攝時必須要全方位拍攝,確保得到的信息真實(shí)性和準(zhǔn)確性。通過無人機(jī)航拍技術(shù)獲取的地面施工設(shè)備信息需要加密,便于之后的處理工作。本文同時設(shè)計了無人機(jī)遙感平臺、飛機(jī)控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng),通過這三個系統(tǒng)聯(lián)合工作,獲取施工設(shè)備質(zhì)量信息,這樣的獲取方式快速準(zhǔn)確。定位系統(tǒng)加入了加速度計,實(shí)現(xiàn)地面施工設(shè)備質(zhì)量信息的定點(diǎn)采集。通過數(shù)字化監(jiān)控的方式監(jiān)控整個采集過程,將所有的采集模式緊密地連接到一起,包括模式選擇、軟件設(shè)置、相機(jī)設(shè)定、數(shù)據(jù)上傳,得到的采集信息可以隨時隨地上傳,使操作變得更加方便。
第二步:地面施工設(shè)備質(zhì)量信息處理。在無人機(jī)航拍技術(shù)下,采集到的地面施工質(zhì)量信息以遙感相片的方式儲存,所有的參數(shù)記錄在文件中,統(tǒng)一處理。利用空中三角將信息三維化,形成立體模型,利用核線影像提高處理效率。為了加強(qiáng)控制質(zhì)量,必須要找到被控設(shè)備的初始位置和旋轉(zhuǎn)后的位置,通過四點(diǎn)法則控制設(shè)備質(zhì)量信息。針對不同長度和形狀的設(shè)備采取的控制方法也不同,選擇的最優(yōu)控制距離也不同,平臺內(nèi)部的支撐距離應(yīng)該是可以調(diào)節(jié)的。地面設(shè)施的控制端面并非地面,而是被測對象的端面,系統(tǒng)沿著水平運(yùn)動端面處理信息,使信息處理工作更加便于調(diào)整。航拍得到的大量信息都要按照制定的要求進(jìn)行處理,在經(jīng)過航帶評定、質(zhì)量設(shè)定、照片預(yù)處理、信息更正等。
第三步:地面施工設(shè)備質(zhì)量信息遠(yuǎn)程控制。使用空中三角控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控地面施工設(shè)備質(zhì)量,由于空中三角有著很好的控制位置,所以在遠(yuǎn)程控制地面施工設(shè)備質(zhì)量信息中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。在科學(xué)融合航帶列表后,確定設(shè)備質(zhì)量信息之間的關(guān)系,通過定向的方式將影像之間的連接點(diǎn)連接到一起,利用平差計算得到自動空間加密,使用三維立體模型生成核線影像。三維立體模型對地圖有著很強(qiáng)的推斷能力,所有的相關(guān)信息都可以在三維虛擬地形地物中以可視化的方式呈現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)庫會以圖像和表格的方式展示所有的數(shù)據(jù),工作人員再根據(jù)得到的數(shù)據(jù)設(shè)定具體的控制方案??刂茣r,會建立一個與被控制設(shè)備信息相符的規(guī)模網(wǎng),在網(wǎng)絡(luò)中劃分各種GPS坐標(biāo)點(diǎn),并找出坐標(biāo)點(diǎn)在三維坐標(biāo)系中的位置,從而進(jìn)行具體的控制。
第四步:控制結(jié)果顯示。得到的信息不能直接顯示在顯示屏中,控制圖片影像在不正常的情況下,會出現(xiàn)CCD畸變,要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際比例糾正影響比例,畸變參數(shù)設(shè)置成K,非畸變參數(shù)設(shè)置成P,利用比例系數(shù)糾正信息。控制后的數(shù)據(jù)信息要利用正射影像的方式匹配,確定重疊后的柵格數(shù)據(jù)DEM點(diǎn),找準(zhǔn)切面,顯示控制結(jié)果。
為了檢測本文設(shè)計的基于無人機(jī)航拍技術(shù)的地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)際效果,與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對比,在串級姿態(tài)下對控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),選用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文設(shè)定的控制系統(tǒng)對同一批地面施工設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行控制,分析兩種系統(tǒng)在控制過程中產(chǎn)生的誤差,從而判定兩種系統(tǒng)的工作效果。
沿x軸產(chǎn)生的控制誤差對比結(jié)果如圖6所示。
圖6 傳統(tǒng)系統(tǒng)沿x軸產(chǎn)生的控制誤差
觀察圖6,在沿x軸進(jìn)行控制時,系統(tǒng)移動方向會存有一定的誤差,通過對控制過程產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)結(jié)果進(jìn)行分析,判斷控制效果。分析結(jié)果可知,傳統(tǒng)系統(tǒng)在對施工設(shè)備質(zhì)量信息進(jìn)行控制時,產(chǎn)生的誤差很大,與理想的控制狀態(tài)不符,使用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量信息時很容易出現(xiàn)定位誤差,尤其在5個自由度方向下,傳統(tǒng)系統(tǒng)產(chǎn)生的定位誤差很大。造成這一現(xiàn)象的主要原因是理想系統(tǒng)的測量裝置存在誤差,在地面進(jìn)行測量,很難確保測量精度,定位結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差很多,工作人員根據(jù)得到的控制結(jié)果進(jìn)行控制時,很容易出現(xiàn)問題。
傳統(tǒng)系統(tǒng)在零點(diǎn)定位上有著很大局限性,一旦零點(diǎn)定位不準(zhǔn)確,水平調(diào)整也會不標(biāo)準(zhǔn),一旦空間位置不平衡,系統(tǒng)在控制時就會出現(xiàn)不均勻和不穩(wěn)定的結(jié)果。和遠(yuǎn)程控制相比,地面控制更容易受到環(huán)境影響,地面的溫度、濕度、振動和氣壓等條件都會影響控制結(jié)果。
除此之外,傳統(tǒng)系統(tǒng)過于依賴人工操作,如果控制人員知識不夠充足,就會導(dǎo)致控制結(jié)果不準(zhǔn)確。即使工作人員經(jīng)驗(yàn)豐富,也會出現(xiàn)大意或疏忽。為了降低人工誤差帶來的損失,必須要多次重復(fù)執(zhí)行控制工作,才能得到比較好的控制結(jié)果,多次操作又導(dǎo)致工作成本大大提高。
圖7 本文系統(tǒng)沿x軸產(chǎn)生的控制誤差
本文研究的控制系統(tǒng)引入了無人機(jī)航拍技術(shù),只需要由中心系統(tǒng)分析無人機(jī)航拍得到的影像即可,不需要過多的人工操作,絕大多數(shù)的操作都可以由機(jī)器設(shè)備直接執(zhí)行,精準(zhǔn)度高,控制能力強(qiáng)。由于不需要地面測量,整個控制過程不會受到外部環(huán)境影響,定位結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較吻合。本文系統(tǒng)強(qiáng)化了硬件設(shè)備和軟件設(shè)備,在設(shè)施的使用中加以強(qiáng)化,優(yōu)良的操控系統(tǒng)和硬件設(shè)施,有效加強(qiáng)了控制結(jié)果。將傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)的控制誤差結(jié)果輸入至Origin軟件中呈現(xiàn)如下圖像:
圖8 控制誤差對比
由圖8可知傳統(tǒng)方法自由度為1時,誤差值為2.31,自由為2時,誤差值為2.3自由度為3時,誤差值為2.4,自由度為4時,誤差值為2.7,自由度為5時,誤差值為3。本文系統(tǒng)的自由度為1時,誤差值為0.27,自由為2時,誤差值為0.25自由度為3時,誤差值為0.23,自由度為4時,誤差值為0.2自由度為5時,誤差值為0.2。
綜上所述,本文設(shè)計的地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的控制能力,在控制過程中,產(chǎn)生的誤差率小,控制效果好,花費(fèi)成本低,對于人力、物力和財力更小。相較于傳統(tǒng)控制系統(tǒng),本文研究的系統(tǒng)在控制過程展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢,具有很廣闊的發(fā)展前景。
無人機(jī)航拍技術(shù)能夠利用無人機(jī)對地面上的施工設(shè)備進(jìn)行多角度航空拍攝,從而獲得較為精準(zhǔn)地設(shè)備信息。本文將無人機(jī)航拍技術(shù)引入到地面施工設(shè)備質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計中,該系統(tǒng)能夠取代傳統(tǒng)的控制模式,在遠(yuǎn)距離就可以實(shí)現(xiàn)地面施工設(shè)備質(zhì)量的控制工作,消耗成本更低,靈活性強(qiáng),同時更加安全,對于提高地面施工質(zhì)量有著很強(qiáng)的促進(jìn)意義。
雖然本文系統(tǒng)具備上述優(yōu)點(diǎn),但是在工作過程仍然會產(chǎn)生一定的誤差,為進(jìn)一步提高地面施工設(shè)備質(zhì)量信息控制工作的效果,減少誤差,未來需要在以下幾方面進(jìn)行深入研究:引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),提高控制精度;優(yōu)化控制系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù),擴(kuò)大控制范圍;增加驅(qū)動設(shè)備,實(shí)現(xiàn)全自動化控制;加強(qiáng)軟件設(shè)備,增加審核系統(tǒng),減小工作過程產(chǎn)生的誤差率。