既有建筑外墻無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

■ 王俊偉 WANG Junwei 周 云 ZHOU Yun 趙 鴻 ZHAO Hong 楊 陽(yáng) YANG Yang

0 前言

紅外熱像法是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，再反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得與物體表面熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖。通俗地講，紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度，進(jìn)而分析外墻的空鼓情況。

紅外熱像儀作為一種高效技術(shù)手段，近年來(lái)普遍應(yīng)用于建筑外墻檢測(cè)中，取得了良好效果，為處理建筑外墻缺陷提供了重要的檢測(cè)分析報(bào)告。但在工程實(shí)踐中，由于儀器設(shè)備的精度、拍攝人員的專業(yè)程度、拍攝的角度、拍攝的距離、天氣的影響、缺陷本身的大小、深度、材料的特性等，可能會(huì)影響到基于紅外圖像分析識(shí)別建筑外墻缺陷的準(zhǔn)確性和可靠性，造成局部識(shí)別的誤判、漏判等。如張德芳研究了不同紅外儀器、不同人員、不同拍攝距離和角度等對(duì)可靠性的影響（表1），得到“拍攝紅外熱像儀視準(zhǔn)軸應(yīng)盡可能垂直于被檢測(cè)面，可提高檢測(cè)質(zhì)量的可靠性（準(zhǔn)確率）”的結(jié)論[1]。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)、設(shè)備的飛速發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀器拍攝建筑外墻，消除因拍攝角度、距離對(duì)缺陷識(shí)別的影響，成為可能。

表1 不同角度拍攝識(shí)別可靠性對(duì)比

1 無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀的技術(shù)研究

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀對(duì)建筑外墻缺陷的檢測(cè)，特別是高層建筑外墻的檢測(cè)，需要選擇合適的無(wú)人機(jī)平臺(tái)（需要考慮無(wú)人機(jī)自身及可搭載的重量、飛行高度、飛行時(shí)間）可供搭載的紅外熱像儀（傳統(tǒng)手持式的熱像儀重量較大，且無(wú)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的接口等無(wú)法直接安裝在無(wú)人機(jī)上使用），以及對(duì)無(wú)人機(jī)和紅外熱像儀器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的模塊。

1.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)的選擇

根據(jù)重量，無(wú)人機(jī)通常分為4種，即：微型（7 kg以下）、輕型（7～116 kg）、中型（116～5 700 kg）、大型（5 700 kg以上）。目前，民用無(wú)人機(jī)多為輕型或微型。針對(duì)高層外墻的檢測(cè)，擬采用微型無(wú)人機(jī)搭載紅外相機(jī)進(jìn)行表面拍攝。為提高視頻處理的準(zhǔn)確性，降低后期處理的難度，獲取的視頻圖像應(yīng)穩(wěn)定、清晰、無(wú)抖動(dòng)。

市面上的無(wú)人機(jī)型號(hào)眾多，大疆無(wú)人機(jī)是其中較為穩(wěn)定的一類?；诂F(xiàn)有條件，選取大疆經(jīng)緯M100無(wú)人機(jī)作為圖像采集平臺(tái)（圖1），其軸距650 mm，最大起飛重量3.6 kg，搭載FlirVue Pro相機(jī)時(shí)，可懸停20 min，滿足建筑外墻信息采集的時(shí)長(zhǎng)需求。遙控器的信號(hào)有效距離為5 km，最大飛行高度為120 m，可滿足建筑外墻信息采集的低空飛行要求。

圖1 大疆經(jīng)緯M100系列無(wú)人機(jī)平臺(tái)照片

1.2 紅外熱像儀的選擇

基于實(shí)際檢測(cè)要求，通過(guò)對(duì)市面上的紅外攝像儀性能比選，擬采用某品牌紅外相機(jī)（圖2）。該相機(jī)體積小，可輕易搭載在無(wú)人機(jī)上，其詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

紅外相機(jī)搭配專用的三軸云臺(tái)連接（圖3）。使用時(shí)，需接好云臺(tái)的供電、視頻輸出、航向pwm、俯仰pwm 通道。云臺(tái)供電為12 V/DC、GND，通電后要保持水平姿態(tài)，直到云臺(tái)自穩(wěn)定。

紅外熱成像機(jī)芯是定焦鏡頭，這樣就需要按照無(wú)人機(jī)與目標(biāo)的平均距離進(jìn)行對(duì)焦，使紅外圖像清晰、溫度信息準(zhǔn)確。

1.3 無(wú)人機(jī)的安全控制

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行外墻檢測(cè)等相關(guān)作業(yè)時(shí)，存在一定安全隱患。在不排除極端特殊情況下，意外因素會(huì)造成無(wú)人機(jī)突然失控而從高空墜落，雖然有緊急安全處理模塊，但仍會(huì)具有一定危險(xiǎn)性，可能對(duì)行人或過(guò)往車輛造成傷害。此時(shí)，需要被動(dòng)安全模塊發(fā)揮相應(yīng)作用，在其與桿和墻面相撞時(shí)，能夠有相應(yīng)的防護(hù)模塊對(duì)無(wú)人機(jī)本身及其機(jī)載設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

圖2 FlirVue Pro紅外相機(jī)

表2 某品牌紅外熱像相機(jī)的技術(shù)參數(shù)

此外，無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)，遇風(fēng)可能會(huì)改變無(wú)人機(jī)位置，使其偏離預(yù)設(shè)飛行軌跡，雖有自穩(wěn)功能，但或多或少都需要調(diào)整。這時(shí)，加入主動(dòng)安全控制模塊，可以提高飛行安全性，對(duì)無(wú)人機(jī)自身和設(shè)備實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全防護(hù)。

1.4 紅外熱像儀器的遠(yuǎn)程控制

選擇IR-H控制線路模塊為本系統(tǒng)機(jī)載相機(jī)控制模塊。IR-H是一款體積小巧、功能豐富的控制產(chǎn)品，適用于移動(dòng)、聯(lián)通、電信4G 等網(wǎng)絡(luò)制式，以“透?jìng)鳌奔半p相機(jī)同步控制為功能核心，高度易用，不僅可應(yīng)用于大疆經(jīng)緯M100的外設(shè)雙相機(jī)遠(yuǎn)程控制，也可用于其他機(jī)載設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。其支持大部分的外設(shè)接口，對(duì)于基本的遠(yuǎn)程雙相機(jī)控制，用戶只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)端或網(wǎng)頁(yè)端的遠(yuǎn)程雙相機(jī)控制，若需要控制其他外設(shè)，需通過(guò)keil等單片機(jī)軟件編寫(xiě)程序，進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

圖3 無(wú)人機(jī)搭載的紅外照片拍攝模塊

圖4 控制模塊測(cè)試數(shù)據(jù)拓?fù)鋱D

IR-H實(shí)現(xiàn)機(jī)載雙相機(jī)與地面站，進(jìn)行遠(yuǎn)距離（運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)）同步控制而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)備號(hào)查找，即可輕松使用本產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)機(jī)載雙相機(jī)的同步控制。IR-H及其專用的相機(jī)FlirVue Pro與Firefly 5s等配件的測(cè)試數(shù)據(jù)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖4。

2 無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

利用購(gòu)置的無(wú)人機(jī)及電池組、紅外相機(jī)、控制模塊等組裝完成了整套設(shè)備，并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行飛行測(cè)試，初步實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀對(duì)外墻進(jìn)行檢測(cè)的目標(biāo)（圖5）。

利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀器、高清數(shù)碼照相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)拍攝外熱像儀垂直于被檢測(cè)面，可以調(diào)整拍攝距離，采用廣角鏡頭可以實(shí)現(xiàn)完整檢測(cè)面拍攝；還可以通過(guò)控制無(wú)人機(jī)近距離觀察墻面是否存在開(kāi)裂、滲漏、起殼等等在較遠(yuǎn)距離無(wú)法觀察的情況（圖6）。

目前，利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀系統(tǒng)拍攝的紅外圖片尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析，暫時(shí)以設(shè)備自帶的存儲(chǔ)卡進(jìn)行存儲(chǔ)，拍攝完成后，再經(jīng)人工分析處理。

2.2 分析處理

經(jīng)實(shí)際工程測(cè)試，初步實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀對(duì)外墻進(jìn)行檢測(cè)的目標(biāo)。利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀器、高清數(shù)碼照相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)拍攝外熱像儀垂直于被檢測(cè)面，可以調(diào)整拍攝距離；同時(shí)，當(dāng)采用廣角鏡頭時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完整檢測(cè)面的拍攝；此外，還可以通過(guò)控制無(wú)人機(jī)近距離觀察墻面是否存在開(kāi)裂、滲漏、起殼等等在較遠(yuǎn)距離無(wú)法觀察的情況。

對(duì)比分析手持紅外熱像儀和無(wú)人機(jī)搭載紅外相機(jī)拍攝的照片（圖7、8），結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)搭載紅外相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)在控制拍攝位置的高度、水平距離等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可以降低因仰角過(guò)大等問(wèn)題造成的漏判（如圖8藍(lán)圈所示為仰角拍攝漏判部位）或錯(cuò)判的可能，提高準(zhǔn)確性。

圖5 無(wú)人機(jī)搭載紅外相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片

3 結(jié)語(yǔ)

圖6 無(wú)人機(jī)搭載紅外相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)拍攝的紅外、數(shù)碼照片

圖7 手持紅外熱像儀仰角拍攝的紅外照片及處理結(jié)果

圖8 無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀水平拍攝的紅外照片及處理結(jié)果

綜上所述，本文利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀、數(shù)碼相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高空下對(duì)外墻進(jìn)行水平檢測(cè)的目標(biāo)，可解決視角、距離等帶來(lái)的準(zhǔn)確性降低的問(wèn)題。但是，在實(shí)踐中，我們也發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)搭載紅外相機(jī)檢測(cè)技術(shù)尚存在一些問(wèn)題，需進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。如：①無(wú)人機(jī)本身特性，包括飛行的安全性、穩(wěn)定性、持續(xù)時(shí)間、無(wú)人機(jī)載重等，需要從市場(chǎng)上現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)設(shè)備尋找更加合適的機(jī)型；②無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制，主要包括無(wú)人機(jī)網(wǎng)格化定點(diǎn)巡航、懸停拍攝等，如何自動(dòng)實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位及記錄是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題；③對(duì)于紅外熱像儀的遠(yuǎn)程控制，目前可用于無(wú)人機(jī)搭載的紅外相機(jī)較少，F(xiàn)LIR紅外相機(jī)拍攝的紅外圖片分析處理效果不夠理想，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)拍攝紅外圖片及對(duì)應(yīng)的數(shù)碼照片，造成紅外圖片和數(shù)碼圖片的對(duì)應(yīng)存在問(wèn)題；④利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀系統(tǒng)拍攝的紅外圖片尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析，如能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)的分析處理及結(jié)果的傳輸，則能進(jìn)一步提高效率。