既有建筑外墙无人机检测技术应用

■ 王俊伟 WANG Junwei 周 云 ZHOU Yun 赵 鸿 ZHAO Hong 杨 阳 YANG Yang

0 前言

红外热像法是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形，再反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得与物体表面热分布场相对应的红外热像图。通俗地讲，红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度，进而分析外墙的空鼓情况。

红外热像仪作为一种高效技术手段，近年来普遍应用于建筑外墙检测中，取得了良好效果，为处理建筑外墙缺陷提供了重要的检测分析报告。但在工程实践中，由于仪器设备的精度、拍摄人员的专业程度、拍摄的角度、拍摄的距离、天气的影响、缺陷本身的大小、深度、材料的特性等，可能会影响到基于红外图像分析识别建筑外墙缺陷的准确性和可靠性，造成局部识别的误判、漏判等。如张德芳研究了不同红外仪器、不同人员、不同拍摄距离和角度等对可靠性的影响（表1），得到“拍摄红外热像仪视准轴应尽可能垂直于被检测面，可提高检测质量的可靠性（准确率）”的结论[1]。

近年来，随着无人机技术、设备的飞速发展，利用无人机搭载红外热像仪器拍摄建筑外墙，消除因拍摄角度、距离对缺陷识别的影响，成为可能。

表1 不同角度拍摄识别可靠性对比

1 无人机搭载红外热像仪的技术研究

为实现无人机搭载红外热像仪对建筑外墙缺陷的检测，特别是高层建筑外墙的检测，需要选择合适的无人机平台（需要考虑无人机自身及可搭载的重量、飞行高度、飞行时间）可供搭载的红外热像仪（传统手持式的热像仪重量较大，且无实现远程控制的接口等无法直接安装在无人机上使用），以及对无人机和红外热像仪器实现远程控制的模块。

1.1 无人机平台的选择

根据重量，无人机通常分为4种，即：微型（7 kg以下）、轻型（7～116 kg）、中型（116～5 700 kg）、大型（5 700 kg以上）。目前，民用无人机多为轻型或微型。针对高层外墙的检测，拟采用微型无人机搭载红外相机进行表面拍摄。为提高视频处理的准确性，降低后期处理的难度，获取的视频图像应稳定、清晰、无抖动。

市面上的无人机型号众多，大疆无人机是其中较为稳定的一类。基于现有条件，选取大疆经纬M100无人机作为图像采集平台（图1），其轴距650 mm，最大起飞重量3.6 kg，搭载FlirVue Pro相机时，可悬停20 min，满足建筑外墙信息采集的时长需求。遥控器的信号有效距离为5 km，最大飞行高度为120 m，可满足建筑外墙信息采集的低空飞行要求。

图1 大疆经纬M100系列无人机平台照片

1.2 红外热像仪的选择

基于实际检测要求，通过对市面上的红外摄像仪性能比选，拟采用某品牌红外相机（图2）。该相机体积小，可轻易搭载在无人机上，其详细参数见表2。

红外相机搭配专用的三轴云台连接（图3）。使用时，需接好云台的供电、视频输出、航向pwm、俯仰pwm 通道。云台供电为12 V/DC、GND，通电后要保持水平姿态，直到云台自稳定。

红外热成像机芯是定焦镜头，这样就需要按照无人机与目标的平均距离进行对焦，使红外图像清晰、温度信息准确。

1.3 无人机的安全控制

无人机在进行外墙检测等相关作业时，存在一定安全隐患。在不排除极端特殊情况下，意外因素会造成无人机突然失控而从高空坠落，虽然有紧急安全处理模块，但仍会具有一定危险性，可能对行人或过往车辆造成伤害。此时，需要被动安全模块发挥相应作用，在其与杆和墙面相撞时，能够有相应的防护模块对无人机本身及其机载设备进行保护。

图2 FlirVue Pro红外相机

表2 某品牌红外热像相机的技术参数

此外，无人机在飞行作业时，遇风可能会改变无人机位置，使其偏离预设飞行轨迹，虽有自稳功能，但或多或少都需要调整。这时，加入主动安全控制模块，可以提高飞行安全性，对无人机自身和设备实现主动安全防护。

1.4 红外热像仪器的远程控制

选择IR-H控制线路模块为本系统机载相机控制模块。IR-H是一款体积小巧、功能丰富的控制产品，适用于移动、联通、电信4G 等网络制式，以“透传”及双相机同步控制为功能核心，高度易用，不仅可应用于大疆经纬M100的外设双相机远程控制，也可用于其他机载设备的远程控制。其支持大部分的外设接口，对于基本的远程双相机控制，用户只需要通过简单的设置，即可实现手机端或网页端的远程双相机控制，若需要控制其他外设，需通过keil等单片机软件编写程序，进行开发。

图3 无人机搭载的红外照片拍摄模块

图4 控制模块测试数据拓扑图

IR-H实现机载双相机与地面站，进行远距离（运营商网络）同步控制而开发的产品，通过简单的设备号查找，即可轻松使用本产品实现机载双相机的同步控制。IR-H及其专用的相机FlirVue Pro与Firefly 5s等配件的测试数据拓扑图见图4。

2 无人机搭载红外热像仪的应用实践

2.1 现场测试

利用购置的无人机及电池组、红外相机、控制模块等组装完成了整套设备，并现场进行飞行测试，初步实现了无人机搭载红外热像仪对外墙进行检测的目标（图5）。

利用无人机搭载红外热像仪器、高清数码照相机，可以实现拍摄外热像仪垂直于被检测面，可以调整拍摄距离，采用广角镜头可以实现完整检测面拍摄；还可以通过控制无人机近距离观察墙面是否存在开裂、渗漏、起壳等等在较远距离无法观察的情况（图6）。

目前，利用无人机搭载红外热像仪系统拍摄的红外图片尚未实现自动分析，暂时以设备自带的存储卡进行存储，拍摄完成后，再经人工分析处理。

2.2 分析处理

经实际工程测试，初步实现了无人机搭载红外热像仪对外墙进行检测的目标。利用无人机搭载红外热像仪器、高清数码照相机，可以实现拍摄外热像仪垂直于被检测面，可以调整拍摄距离；同时，当采用广角镜头时，可以实现完整检测面的拍摄；此外，还可以通过控制无人机近距离观察墙面是否存在开裂、渗漏、起壳等等在较远距离无法观察的情况。

对比分析手持红外热像仪和无人机搭载红外相机拍摄的照片（图7、8），结果表明，无人机搭载红外相机、数码相机在控制拍摄位置的高度、水平距离等方面有着明显的优势，可以降低因仰角过大等问题造成的漏判（如图8蓝圈所示为仰角拍摄漏判部位）或错判的可能，提高准确性。

图5 无人机搭载红外相机现场检测照片

3 结语

图6 无人机搭载红外相机、数码相机拍摄的红外、数码照片

图7 手持红外热像仪仰角拍摄的红外照片及处理结果

图8 无人机搭载红外热像仪水平拍摄的红外照片及处理结果

综上所述，本文利用无人机搭载红外热像仪、数码相机，实现了高空下对外墙进行水平检测的目标，可解决视角、距离等带来的准确性降低的问题。但是，在实践中，我们也发现无人机搭载红外相机检测技术尚存在一些问题，需进一步研究优化。如：①无人机本身特性，包括飞行的安全性、稳定性、持续时间、无人机载重等，需要从市场上现有的无人机设备寻找更加合适的机型；②无人机的远程控制，主要包括无人机网格化定点巡航、悬停拍摄等，如何自动实现较为准确的定位及记录是需要进一步解决的问题；③对于红外热像仪的远程控制，目前可用于无人机搭载的红外相机较少，FLIR红外相机拍摄的红外图片分析处理效果不够理想，且无法实现同时拍摄红外图片及对应的数码照片，造成红外图片和数码图片的对应存在问题；④利用无人机搭载红外热像仪系统拍摄的红外图片尚未实现自动分析，如能进一步实现数据的采集、存储、实时的分析处理及结果的传输，则能进一步提高效率。