金濤，黃俊波，蔡澍雨，龔明義，謝程

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電分公司，云南昆明 650051）

機(jī)器視覺(jué)是指利用機(jī)器設(shè)備來(lái)代替人眼對(duì)待測(cè)物行進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行判斷，在主機(jī)元件的作用下，所有測(cè)量信號(hào)都會(huì)以數(shù)據(jù)信息的形式反饋給各級(jí)應(yīng)用設(shè)備，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸信號(hào)的無(wú)誤轉(zhuǎn)換；另一方面也可以將數(shù)字化信息完整轉(zhuǎn)存于主機(jī)元件之中[1-2]。對(duì)于一些不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)場(chǎng)合而言，以機(jī)器視覺(jué)代替人工視覺(jué)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測(cè)物的有效控制，還可以將信號(hào)參量直接轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信息，以供處理主機(jī)直接調(diào)取與利用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)理論的實(shí)現(xiàn)需要云端電腦、影像攝影機(jī)、影像顯示器、伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等多個(gè)設(shè)備元件的共同配合。

無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢是指利用無(wú)人機(jī)飛行器，對(duì)行進(jìn)區(qū)域內(nèi)的行進(jìn)線路環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)探查，一般來(lái)說(shuō)，與不同行進(jìn)區(qū)域匹配的巡檢節(jié)點(diǎn)布局形式也會(huì)有所不同[3]。由于無(wú)人機(jī)巡向角過(guò)度偏轉(zhuǎn)問(wèn)題的存在，巡檢節(jié)點(diǎn)的實(shí)際布局形式并不能完全符合初始定位需求，這也是導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行器不能按照預(yù)設(shè)路線行進(jìn)的主要原因。為避免上述情況的發(fā)生，有學(xué)者提出基于Cascade R-CNN 的檢測(cè)算法，利用位姿傳感器記錄無(wú)人機(jī)飛行器的實(shí)際行進(jìn)路徑，再根據(jù)既定算法原則，確定巡檢節(jié)點(diǎn)之間的分布配比關(guān)系[4]。然而該方法的執(zhí)行能力有限，并不能完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。為解決該問(wèn)題，引入機(jī)器視覺(jué)理論，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢定位控制方法。

1 基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)巡檢節(jié)點(diǎn)抓取

基于機(jī)器視覺(jué)理論的無(wú)人機(jī)巡檢節(jié)點(diǎn)抓取包含巡檢坐標(biāo)變換、正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解三個(gè)處理流程，具體研究方法如下。

1.1 巡檢坐標(biāo)變換

對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行器而言，坐標(biāo)變換原則能夠同時(shí)滿(mǎn)足機(jī)器視覺(jué)理論與巡檢定位控制的執(zhí)行需求[5-6]。規(guī)定點(diǎn)O為無(wú)人機(jī)巡檢曲線的起始點(diǎn)，其物理坐標(biāo)為(0,0,0)，點(diǎn)R1為一個(gè)隨機(jī)選取的巡檢軌跡節(jié)點(diǎn)，其物理坐標(biāo)為(x1,y1,z1)?？蓪Ⅻc(diǎn)O與點(diǎn)R1之間的間隔距離L1表示為：

設(shè)θ1表示橫縱坐標(biāo)之間的物理夾角，θ2表示縱坐標(biāo)與空間坐標(biāo)之間的物理夾角，θ3表示橫坐標(biāo)與空間坐標(biāo)之間的物理夾角。聯(lián)立公式（1），可將基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)巡檢坐標(biāo)變換原則表示為：

在機(jī)器視覺(jué)理論的認(rèn)知中，物理坐標(biāo)軸之間的夾角數(shù)值越大，表示所選取巡檢節(jié)點(diǎn)與起始點(diǎn)之間的物理間隔距離越大，此時(shí)巡檢坐標(biāo)系中能夠保持對(duì)應(yīng)變換關(guān)系的定位節(jié)點(diǎn)數(shù)量也就越多。

1.2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解

正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解是無(wú)人機(jī)巡檢節(jié)點(diǎn)抓取處理過(guò)程中的關(guān)鍵執(zhí)行步驟，可在已知巡檢坐標(biāo)變換條件的基礎(chǔ)上，計(jì)算無(wú)人機(jī)飛行器在單位運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)行進(jìn)能力[7-8]。假定v1表示無(wú)人機(jī)飛行器的勻加速行進(jìn)速率，此時(shí)巡檢路徑內(nèi)的實(shí)時(shí)加速度為a1，v2表示無(wú)人機(jī)飛行器的勻減速行進(jìn)速率，此時(shí)巡檢路徑內(nèi)的實(shí)時(shí)加速度為a2。設(shè)β表示機(jī)器視覺(jué)作用對(duì)于無(wú)人機(jī)巡檢運(yùn)動(dòng)行為的影響系數(shù)。聯(lián)立上述物理量，可將基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)飛行器正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解結(jié)果表示為：

1.3 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解也是無(wú)人機(jī)巡檢節(jié)點(diǎn)抓取處理過(guò)程中的必要執(zhí)行步驟，作為正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解的反向運(yùn)算過(guò)程，能夠約束無(wú)人機(jī)飛行器的勻減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9-10]。設(shè)表示無(wú)人機(jī)飛行器在勻減速巡檢過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)功率均值，且≥1 的不等式條件恒成立。χ、δ表示兩個(gè)不同的逆運(yùn)動(dòng)系數(shù)，指標(biāo)χ的物理取值也始終大于指標(biāo)δ。規(guī)定φ表示基于機(jī)器視覺(jué)理論的無(wú)人機(jī)逆向運(yùn)動(dòng)參量，聯(lián)立上述物理量，可將基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)飛行器逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解結(jié)果表示為：

其中，ΔE表示無(wú)人機(jī)飛行器在單位時(shí)間通過(guò)的巡檢區(qū)域面積。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程與正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的作用能力相同，但后者只能直接影響無(wú)人機(jī)飛行器在勻減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的行進(jìn)狀態(tài)。

2 無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位與控制方法

2.1 特征點(diǎn)提取

設(shè)μ表示既定的無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢系數(shù)，k1、k2、…、kn表示n個(gè)不同的巡檢特征點(diǎn)指標(biāo)，i表示最大的巡檢路徑定位參量，f表示基于機(jī)器視覺(jué)理論的無(wú)人機(jī)巡檢節(jié)點(diǎn)控制權(quán)限量值[11-12]。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3）、式（4），可將基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢特征點(diǎn)提取表達(dá)式定義為：

對(duì)于后續(xù)的巡檢曲線定位權(quán)限原則而言，特征點(diǎn)提取將無(wú)人機(jī)巡檢節(jié)點(diǎn)限定在了一定的區(qū)域范圍之內(nèi)，使得控制主機(jī)具備了準(zhǔn)確估量無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)行為的能力。

2.2 幀間位姿估計(jì)

設(shè)ω表示一個(gè)隨機(jī)選取的無(wú)人機(jī)巡檢幀節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)，該項(xiàng)指標(biāo)參量的最小取值結(jié)果只能等于自然數(shù)1，lω表示節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)等于ω時(shí)的無(wú)人機(jī)巡檢位姿行為向量，且lω＞0 的不等式條件恒成立[13-14]。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（5），可將無(wú)人機(jī)幀間位姿估算表達(dá)式定義為：

2.3 巡檢曲線定位權(quán)限

巡檢曲線定位權(quán)限決定了主機(jī)元件對(duì)于幀間節(jié)點(diǎn)的控制能力，一般來(lái)說(shuō)，權(quán)限量表達(dá)式的取值結(jié)果越大，表示主機(jī)元件對(duì)于幀間節(jié)點(diǎn)的控制作用能力越強(qiáng)[15-16]。設(shè)z1、z2、…、zn表示無(wú)人機(jī)巡檢路徑中n個(gè)不同的曲率系數(shù)，ξ表示巡檢節(jié)點(diǎn)的定位特征參量，u表示可行性系數(shù)，υ表示無(wú)人機(jī)巡檢路徑中的曲率標(biāo)記度量值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（6），可將基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)巡檢曲線定位權(quán)限表達(dá)式定義為：

至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在不考慮其他參考條件的情況下[17-19]，完成針對(duì)基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢定位控制技術(shù)的研究與分析。

3 實(shí)例分析

利用moc studio2.0 v2.63 軟件對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢運(yùn)動(dòng)的視覺(jué)圖像進(jìn)行模擬（如圖1 所示），調(diào)節(jié)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，將無(wú)人機(jī)巡檢范圍控制在一個(gè)5 km×5 km的正方形區(qū)域內(nèi)。

圖1 無(wú)人機(jī)巡檢運(yùn)動(dòng)的模擬視覺(jué)圖像

將所選巡檢區(qū)域劃分成四部分，并分別對(duì)其標(biāo)號(hào)為1、2、3、4（如圖2 所示），且每一部分的邊長(zhǎng)值水平完全相等。首先利用基于機(jī)器視覺(jué)理論的應(yīng)用方法對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，將所得數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組變量；然后利用基于Cascade R-CNN 的檢測(cè)算法對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，將所得數(shù)據(jù)作為對(duì)照組變量；最后對(duì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。

圖2 無(wú)人機(jī)巡檢區(qū)域劃分

實(shí)驗(yàn)以無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)作為參考變量。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)處于0°～95°的數(shù)值區(qū)間時(shí)，表示控制主機(jī)對(duì)于巡檢節(jié)點(diǎn)的定位能力較強(qiáng)，當(dāng)前巡檢節(jié)點(diǎn)的布局形式也就更符合實(shí)際應(yīng)用需求；若巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)超過(guò)95°，則表示控制主機(jī)對(duì)于巡檢節(jié)點(diǎn)的定位能力相對(duì)較弱。

圖3 反映了無(wú)人機(jī)飛行器在4 個(gè)巡檢區(qū)域內(nèi)的巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)變化情況。

圖3 巡向角偏轉(zhuǎn)曲線

在1 號(hào)區(qū)域中，實(shí)驗(yàn)組無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)保持來(lái)回波動(dòng)的變化狀態(tài)，全局最大值僅能達(dá)到79.8°，低于理想極限值95°；對(duì)照組無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)保持先上升、再下降的變化狀態(tài)，全局最大值達(dá)到了110.8°，高于理想極限值95°。

在2 號(hào)區(qū)域中，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)均呈現(xiàn)出不斷增大的變化狀態(tài)，前者最大值為84.7°，低于理想極限值95°，后者最大值為110.4°，高于理想極限值95°。

在3 號(hào)區(qū)域中，實(shí)驗(yàn)組無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)呈現(xiàn)先大幅上升、再小幅下降、最后基本穩(wěn)定的變化狀態(tài)，全局最大值僅能達(dá)到78.6°，低于理想極限值95°；對(duì)照組無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)呈現(xiàn)先大幅上升、再不斷波動(dòng)的變化狀態(tài)，全局最大值為108.9°，高于理想極限值95°。

在4 號(hào)區(qū)域中，實(shí)驗(yàn)組無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)保持階段性上升的變化狀態(tài)，全局最大值為75.7°，低于理想極限值95°；對(duì)照組無(wú)人機(jī)巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)保持先上升、再波動(dòng)、最后繼續(xù)上升的變化狀態(tài)，全局最大值達(dá)到了113.5°，高于理想極限值95°。

綜上，在基于機(jī)器視覺(jué)理論的應(yīng)用方法的作用下，無(wú)人機(jī)飛行器在各個(gè)行進(jìn)區(qū)域內(nèi)的巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)值均處于0°～95°的數(shù)值區(qū)間，表示控制主機(jī)對(duì)于巡檢節(jié)點(diǎn)的定位能力始終較強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)器視覺(jué)理論的作用下，無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢定位控制方法針對(duì)巡向角過(guò)度偏轉(zhuǎn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)已知的巡檢坐標(biāo)變換原則，得到準(zhǔn)確的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解結(jié)果，又利用各個(gè)特征點(diǎn)提取指標(biāo)，定義幀間位姿的計(jì)算表達(dá)式，從而得到巡檢曲線定位權(quán)限指標(biāo)的具體數(shù)值。隨著基于機(jī)器視覺(jué)理論的控制方法的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)飛行器的巡向角偏轉(zhuǎn)度數(shù)值得到了較好控制，巡檢節(jié)點(diǎn)布局形式更符合實(shí)際定位需求。