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借鉴医学技术,新加坡团队研发新型无人机监测深隧

发布日期:2021-02-01 来源: IWA国际水协会
  新加坡的超级工程深层隧道排污系统(Deep Tunnel Sewerage System,简称DTSS) 被视作运输污水的高速公路。这条造价34亿美元的重力式深排隧道系统建于距离地平面以下30-50米的地底,作用是将新加坡西部和北部的污水输送至中部和东部的污水处理厂。其中长度为48公里的一期工程(隧道直径为3-6米)已于2008年完工,二期工程预计在2025年完成。
 
  图1. DTSS工程概况,橙色为一期工程,红色和绿色为二期工程
  如下图所示,DTSS工程有许多创新技术亮点,包括了抗腐蚀的衬砌设计、光纤监测系统、竖井隔离闸以及气流管理系统。
  
  图2. DTSS的四大创新技术亮点
  这些创新设计也意味着需要对隧道的二次衬砌和长期结构完整性进行定期的常规监测。然而,深层隧道的超长距离和各种潜在的环境风险使得传统的人工检修维护工作充满困难和危险。自2016年以来,新加坡公共事业局PUB就和国际高校合作,提出基于无人机检测的解决方案,并开展了一系列测试工作。相关研发团队在IWA国际水协会期刊《Water Practice & Technology》上分享了他们的阶段性成果。
  技术难题
  传统的隧道机器人或车辆都不适用于DTSS的大直径深层设计,而且需要额外的绞车和吊车系统来运送机器人,这会大大增加维护工作的复杂度。相比之下,无人驾驶飞机(UAV)因为不受地面情况的限制,所以成为了新加坡团队的考虑对象。但是目前的商用无人机一般都是用于高空航空图像的拍摄,并不适合隧道表面的短距离细节成像。此外,自动飞行通常依靠GPS系统实现自动定位,在隧道这种封闭区域是不可行的。再之,虽然已经有不需要GPS的隧道导航系统,但它们依靠的是笨重且耗电的传感器和计算器辅助设置,这使得这类无人机的飞行时长需限制在15分钟以内。
  在这样的背景之下,新加坡团队自行设计开发了一套全新的无人机智能平台来满足DTSS的监测需求。这套系统全名Surveyor With Intelligent Rotating Lens(智能旋转摄像测量机器人),简称SWIRL(见下图)。
  
  图3. 在水平隧道(左)和垂直竖闸(右)巡航的无人机
  
  表1. SWIRL的关键组成和重量概况
  借鉴胶囊内镜
  SWIRL 无人机集成了一个可旋转的摄像头、高效推进动力系统以及一个轻量级的传感系统,来满足DTSS长时间的巡航和监测工作。
  
  图4. SWIRL的关键组成
  摄像头是这套系统的最大亮点,因为研发团队是从生物医学里使用的胶囊内镜(Capsule endoscopy)获取灵感的。胶囊内镜是一种检查人体肠道的医疗仪器,体积就像一颗胶囊药丸,一般含有高清摄像头、光源、电池和传感器。由于拍摄角度是固定在胶囊里的,因此为了获得最大视野,一般会选择广角摄像头。但这有一个问题,就是广角摄像头会造成成像畸变扭曲的问题。对此,有学者提出用垂直于肠表面而不是常见的平行肠表面的成像来使图像扭曲最小化。不过这中方法又会减少视场(FOV),因此又有人提出安装一个作动器(actuator),让摄像头沿着纵轴旋转,一边旋转一边捕捉图像。最后通过多张图像的叠加获得一张曲线2D图。高清图像也便于辨识异常和后期的数字分类。
  
  图5. 胶囊内镜原理示意图 | 图源:medgadget
  参考医学胶囊内镜的演变史,新加坡团队研发了一款可以360°旋转的摄影成像系统。如下图6所示,摄像机光轴垂直于隧道墙壁,视场范围如红色投影区。节能高效型LED等提供光源,步进电机以0.6°的精确幅度旋转进,机械增益为3,而且还有实时视频流。
  图6. 左:以不同的倾斜度获取一系列图像,然后再拼接图像;右: 旋转摄像系统原型
  视频1. 旋转摄像头外观
  测试结果
  如下图7所示,研究团队在新加坡的一个地下通道里对摄像系统进行测试。系统的图像拼接算法运行良好。
  
  图7. (a) 在Connaught Drive 地下通道评估全景拼接系统; (b) 捕获的三张图片;(c) 对图片进行拼接
  接着,研究团队在Eu Tong Sen运河对无人机的飞行情况进行测试。其中水平测试环境的长、宽、高分别为45m、6m和2m。垂直测试的高度为45m,半径为2m。
  
  图8. 自动巡航性能评估. (a)为水平方向测试, (b)为垂直方向的测试
  在水平测试里,无人机的起飞和降落为人工操作,当无人机靠近隧道中轴,就切换到自动巡航模式。在自动模式下,无人机尝试保持沿两壁居中且在固定高度上飞行,水平飞行速度由操作人员设定。在这次测试中,无人机通过45米桥底隧道的时间为36秒。图9显示了无人机在穿过隧道时的水平位置误差(y轴)。在第28秒时,由于隧道左壁的出口造成误差突然增加。在水平测试中,无人机的均方根位置误差为0.13 m,其偏离中心线的最大值为0.41 m。更多细节可以点击观看下面的视频:
  
  图9. 水平测试的误差分析
  视频2. 水平飞行测试视频
  纵向飞行测试是要评估无人机在DTSS中的竖井隔离闸的飞行情况。无人机通过一个1m人孔进入DTSS一个实际竖井的入口。以便在紧急情况进行回收,无人机有一条安全系绳和绞车相连。无人机经人工起飞到竖井中轴左右开始进入自动模式。无人机垂直飞行8米的用时为4.5分钟。DTSS里的压力通过人孔溢出,在开口处测得的风速高达16m/s。这种持续的上升气流对无人机的飞行性能产生不利影响,多旋翼的飞行器受到的影响更严重。因此垂直测试的均方根位置误差为0.53 m,偏离中心线的最大偏差为1.44 m,高于水平试验的误差。更多细节可以点击观看下面的视频:
  视频3. 垂直飞行测试视频
  耐力和传感器测试
  为了评估系统的运行耐久性,无人机被命令在轴的垂直模型中自动保持其中心线位置。在所有系统运行的这种配置中,无人机飞行了35分钟41秒,在此期间,均方根和最大误差分别为0.16米和0.46米。
  而传感器测试结果显示光学流量传感器是高度控制算法的合适替代方案,后者通常需要结合气压计和外部距离传感器(如超声波传感器)的数据来进行可靠的高度估计。而使用光学流量传感器,即使没有其他传感器的补偿数据,也可以提供沿y轴随时间的位置变化的准确估计。
  小结
  为了实现对DTSS的有效监测工作,新加坡团队设计了这款专门用于隧道检查的新型无人机及成像系统。从目前的测试结果来说,这款配有360°旋转成像系统的无人机,能够胜任对整个隧道壁的完整成像任务,同时无人机的自主定位和导航系统也证明了可行性。
  点击下方图片免费下载英文论文。
  
  参考资料
  https://iwaponline.com/wpt/article-abstract/13/4/991/65129/A-smart-unmanned-aerial-vehicle-UAV-based-imaging?redirectedFrom=fulltext
  https://people.sutd.edu.sg/~shao/research/bespoke-inspection-platforms/
  http://www.sgmark.org/project-description/?id=140
  https://www.pub.gov.sg/dtss/about
  https://www.pub.gov.sg/Documents/PUB_InnovationinWater_Issue9.pdf
  https://www.medgadget.com/2018/06/capsule-endoscopy-market-2018-to-soar-at-a-cagr-of-9-2-by-component-wireless-capsule-and-receiver-renowned-players-avail-at-marketreseacrhfuture-com.html