譚楊磊 王勇智 韓 銳 張傲宇 劉錚言

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

由于我國(guó)地理位置分布原因，發(fā)電資源和大容量、遠(yuǎn)距離的輸電線路常常分布在樹木茂密的森林中。據(jù)報(bào)道，全球每年發(fā)生森林林火22萬次，燃燒大約640萬hm2的森林面積，相當(dāng)于全球所有森林面積的0.23%，森林火災(zāi)已經(jīng)成為八大主要自然災(zāi)害之一。隨著全球氣候變化及平均溫度升高，全球森林火災(zāi)發(fā)生頻率也隨之升高，加上清明節(jié)祭祖?zhèn)鹘y(tǒng)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，多起輸電線路跳閘事故是由于林火導(dǎo)致的，林火已經(jīng)成為嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一。林火火線定位對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林火蔓延趨勢(shì)，指導(dǎo)滅火撲救對(duì)輸電線路的搶救具有至關(guān)重要的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于輸電線路的林火監(jiān)測(cè)和預(yù)警進(jìn)行了大量研究，由于衛(wèi)星圖像容易受云層影響，并且衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率較低，在大尺度林火監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較多。對(duì)于精細(xì)化的林火管理，無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)明顯，近年來，隨著無人機(jī)的高速發(fā)展，迅速應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，作為搭載平臺(tái)無人機(jī)在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有著良好的發(fā)展前景。鑒于林火對(duì)于輸電線路的危害，為了解決上述問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)的吊艙系統(tǒng)對(duì)林火進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位來減少林火對(duì)于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害。

1 林火監(jiān)測(cè)定位無人機(jī)吊艙系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

林火監(jiān)測(cè)定位無人機(jī)吊艙系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方式：該林火監(jiān)測(cè)定位無人機(jī)吊艙系統(tǒng)是由吊艙主體、減震裝置、相機(jī)雷達(dá)模塊三部分組成，吊艙主體內(nèi)置高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)以及配套的電源裝置；減震裝置負(fù)責(zé)吊艙主體以及相機(jī)雷達(dá)模塊的連接以及減震作用，相機(jī)雷達(dá)模塊通過三維激光雷達(dá)、紅外相機(jī)和可見光相機(jī)的配合采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)的處理傳輸回地面計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)對(duì)林火的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體布局如圖1，圖2所示。

圖1，圖2中：1為緊固件；2為無人機(jī)連接板；3為固定電池架；4為相機(jī)吊艙；5為承載電池；6為上承載板；7為開發(fā)板；8為下承載板；9為減震球；10為減震板連接架；11為減震板上；12為減震板下；13為相機(jī)云臺(tái)連接架；14為螺紋孔；15為小型電機(jī)；16為相機(jī)云臺(tái)架；17為激光雷達(dá)；18為相機(jī)固定架；19為紅外相機(jī)。

2 林火監(jiān)測(cè)定位無人機(jī)吊艙系統(tǒng)組件的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 吊艙主體的設(shè)計(jì)

吊艙主體采用光敏樹脂材料3D打印一體化成型，吊艙主體設(shè)計(jì)分為上承載板和下承載板。無人機(jī)通過連接架4個(gè)螺栓與吊艙主體相連接，上承載板內(nèi)置3個(gè)承載電池定位槽，定位槽與固定電池架通過螺栓相配合緊固承載電池，電池通過導(dǎo)線連接為高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)、紅外相機(jī)、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供電源支持。下承載板通過螺栓連接高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)，高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)通過導(dǎo)線連接將紅外相機(jī)、三維激光雷達(dá)和可見光相機(jī)所獲取地面林火的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并傳輸回地面計(jì)算機(jī)。

2.2 減震裝置的設(shè)計(jì)

無人機(jī)振動(dòng)主要來自電動(dòng)機(jī)和螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的低頻和高頻振動(dòng)，經(jīng)過無人機(jī)傳遞到吊艙系統(tǒng)的相機(jī)雷達(dá)模塊導(dǎo)致畫面構(gòu)圖模糊畸變。設(shè)計(jì)減震裝置包括減震板上、減震板下、硅膠減震球，減震板上4個(gè)角處設(shè)有直徑大于吊艙連接立柱直徑的通孔，設(shè)計(jì)立軸有4根，每根立軸的上下端連接相機(jī)吊艙和下減震板，上減震板和下減震板中間貫通，上減震板與相機(jī)云臺(tái)連接架通過螺栓固定連接，減震板上和減震板下之間安裝4個(gè)減震球，無人機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)由機(jī)身經(jīng)過減震球的減弱傳遞到相機(jī)雷達(dá)模塊。具體布局見圖3。

圖3中：9為減震球；10為減震板連接架；11為減震板上；12為減震板下。

2.3 相機(jī)雷達(dá)模塊的設(shè)計(jì)

相機(jī)云臺(tái)連接架設(shè)置一小型電機(jī)輸出與相機(jī)云臺(tái)架相連，相機(jī)云臺(tái)架內(nèi)部裝有紅外相機(jī)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，外部安裝激光雷達(dá)。小型電機(jī)控制相機(jī)固定架X軸方向的旋轉(zhuǎn)以及小型電機(jī)控制相機(jī)固定架Y軸方向的旋轉(zhuǎn)。相機(jī)固定架內(nèi)壁固定安裝慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，用于測(cè)量無人機(jī)速度偏航角等信息反饋給高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)。相機(jī)固定架通過螺栓結(jié)構(gòu)固定可見光相機(jī)和紅外相機(jī)。通過減震結(jié)構(gòu)減小空氣阻力干擾和一些由于機(jī)器本身帶來的震動(dòng)，從而增加吊艙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也大大減小相機(jī)鏡頭的晃動(dòng)，提高相機(jī)拍攝的穩(wěn)定性，并設(shè)置兩個(gè)小型電機(jī)實(shí)現(xiàn)相機(jī)云臺(tái)雙自由度旋轉(zhuǎn)，提高了相機(jī)拍攝的靈活性。具體布局見圖4。

圖4中：10為減震板連接架；16為相機(jī)云臺(tái)架；17為激光雷達(dá)；18為相機(jī)固定架；19為紅外相機(jī)；20為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；21為小型電機(jī)。

2.4 工作原理

2.4.1吊艙軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)三自由度無人機(jī)云臺(tái)，由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制相機(jī)云臺(tái)的橫滾和俯仰角度，將三維激光雷達(dá)和紅外雙光相機(jī)(即紅外、可見光一體相機(jī))搭載于無人機(jī)本體，同時(shí)在無人機(jī)機(jī)身安裝高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)用于并行處理采集到的三維點(diǎn)云及圖像等數(shù)據(jù)。

2.4.2數(shù)據(jù)融合

(我們對(duì)吊倉(cāng)平臺(tái)在同一時(shí)刻采集到的紅外相機(jī)、可見光相機(jī)和激光雷達(dá)三種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合)同一時(shí)刻采集得紅外相機(jī)、可見光相機(jī)和激光雷達(dá)三種數(shù)據(jù)融合，通過匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的三維點(diǎn)與圖像數(shù)據(jù)中的像素點(diǎn)，生成“同名”點(diǎn)對(duì)，在多對(duì)“同名”的基礎(chǔ)上，應(yīng)用非線性優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)三種數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)被賦予紅外溫度屬性和可見光灰度屬性，同時(shí)紅外圖像及可見光圖像的像素均被賦予三維物理坐標(biāo)屬性的目標(biāo)。

2.4.3多幀數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

無人機(jī)飛行過程中在不同位置采集林火數(shù)據(jù)，必須通過計(jì)算幀間位姿將所有數(shù)據(jù)變換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。設(shè)計(jì)基于尺度不變特征點(diǎn)的幀間數(shù)據(jù)配準(zhǔn)算法，進(jìn)而應(yīng)用圖結(jié)構(gòu)位姿算法優(yōu)化計(jì)算多幀數(shù)據(jù)采集時(shí)的無人機(jī)位姿，從而根據(jù)該位姿融合所有數(shù)據(jù)幀。

2.4.4林火行為圖像

獲得帶有紅外溫度和可見光灰度屬性的完整三維點(diǎn)云。把通過配準(zhǔn)得到的三維點(diǎn)云進(jìn)一步加工處理，獲得多通道林火行為圖像，用以表示林火狀態(tài)，作為林火蔓延模型的統(tǒng)一化數(shù)據(jù)表示。圖像通道包括：用于表示地形特征的高程通道、用于表示林內(nèi)地面溫度的溫感通道和用于表示森林景觀狀態(tài)的灰度通道。

2.4.5火線定位

在林火行為圖像的基礎(chǔ)上應(yīng)用邊緣檢測(cè)算法識(shí)別火線，通過林火行為圖像的高程通道計(jì)算火線實(shí)際位置。

3 林火監(jiān)測(cè)定位無人機(jī)吊艙系統(tǒng)的有益效果

無人機(jī)吊艙系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的林火點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)于林火監(jiān)測(cè)定位無人機(jī)吊艙系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀察實(shí)驗(yàn)得到的理論數(shù)據(jù)與實(shí)際點(diǎn)燒數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比對(duì)可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在實(shí)際情況由于森林林火常常伴隨著大量的煙霧阻礙對(duì)火線的定位，難以對(duì)輸電線路進(jìn)行有效的救援搶救滅火工作，基于這一原因，利用搭載三維激光雷達(dá)、紅外相機(jī)和可見光相機(jī)無人機(jī)吊艙系統(tǒng)，利用算法完成對(duì)三維激光雷達(dá)、紅外相機(jī)和可見光相機(jī)所采集的不同類別的實(shí)地勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行林火行為數(shù)據(jù)融合，采用林火火線定位算法能有效的對(duì)森林林火的火線精準(zhǔn)定位，能實(shí)時(shí)的監(jiān)控森林林火從而高效精準(zhǔn)的處理森林林火并及時(shí)對(duì)輸電線路進(jìn)行搶救。該系統(tǒng)對(duì)于國(guó)家正在建立的林火智能預(yù)警系統(tǒng)，以及對(duì)于火線的蔓延趨勢(shì)以及火線的準(zhǔn)確定位，在滅火指揮和輸電線路搶救方面提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)從而有效的對(duì)林火采取合理快速的滅火方案。

4 結(jié)語

本課題所研制的林火監(jiān)測(cè)定位無人機(jī)吊艙系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)火線情況為輸電線路的搶救滅火提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)火線進(jìn)行精準(zhǔn)定位，對(duì)火線的蔓延趨勢(shì)進(jìn)行判斷。同時(shí)，這套裝置具有應(yīng)用范圍廣，應(yīng)用靈活等諸多特點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)林火智能預(yù)警系統(tǒng)的建立和推廣具有一定推動(dòng)作用，具有著良好的參考價(jià)值和廣闊的發(fā)展空間。