新加坡的超級工程深層隧道排污系統(tǒng)（Deep Tunnel Sewerage System，簡稱DTSS） 被視作運輸污水的高速公路。這條造價34億美元的重力式深排隧道系統(tǒng)建于距離地平面以下30-50米的地底，作用是將新加坡西部和北部的污水輸送至中部和東部的污水處理廠。其中長度為48公里的一期工程（隧道直徑為3-6米）已于2008年完工，二期工程預(yù)計在2025年完成。
　
　　圖1. DTSS工程概況，橙色為一期工程，紅色和綠色為二期工程
　　如下圖所示，DTSS工程有許多創(chuàng)新技術(shù)亮點，包括了抗腐蝕的襯砌設(shè)計、光纖監(jiān)測系統(tǒng)、豎井隔離閘以及氣流管理系統(tǒng)。
　　
　　圖2. DTSS的四大創(chuàng)新技術(shù)亮點
　　這些創(chuàng)新設(shè)計也意味著需要對隧道的二次襯砌和長期結(jié)構(gòu)完整性進行定期的常規(guī)監(jiān)測。然而，深層隧道的超長距離和各種潛在的環(huán)境風(fēng)險使得傳統(tǒng)的人工檢修維護工作充滿困難和危險。自2016年以來，新加坡公共事業(yè)局PUB就和國際高校合作，提出基于無人機檢測的解決方案，并開展了一系列測試工作。相關(guān)研發(fā)團隊在IWA國際水協(xié)會期刊《Water Practice & Technology》上分享了他們的階段性成果。
　　技術(shù)難題
　　傳統(tǒng)的隧道機器人或車輛都不適用于DTSS的大直徑深層設(shè)計，而且需要額外的絞車和吊車系統(tǒng)來運送機器人，這會大大增加維護工作的復(fù)雜度。相比之下，無人駕駛飛機（UAV）因為不受地面情況的限制，所以成為了新加坡團隊的考慮對象。但是目前的商用無人機一般都是用于高空航空圖像的拍攝，并不適合隧道表面的短距離細節(jié)成像。此外，自動飛行通常依靠GPS系統(tǒng)實現(xiàn)自動定位，在隧道這種封閉區(qū)域是不可行的。再之，雖然已經(jīng)有不需要GPS的隧道導(dǎo)航系統(tǒng)，但它們依靠的是笨重且耗電的傳感器和計算器輔助設(shè)置，這使得這類無人機的飛行時長需限制在15分鐘以內(nèi)。
　　在這樣的背景之下，新加坡團隊自行設(shè)計開發(fā)了一套全新的無人機智能平臺來滿足DTSS的監(jiān)測需求。這套系統(tǒng)全名Surveyor With Intelligent Rotating Lens（智能旋轉(zhuǎn)攝像測量機器人），簡稱SWIRL（見下圖）。
　　
　　圖3. 在水平隧道（左）和垂直豎閘（右）巡航的無人機
　　
　　表1. SWIRL的關(guān)鍵組成和重量概況
　　借鑒膠囊內(nèi)鏡
　　SWIRL 無人機集成了一個可旋轉(zhuǎn)的攝像頭、高效推進動力系統(tǒng)以及一個輕量級的傳感系統(tǒng)，來滿足DTSS長時間的巡航和監(jiān)測工作。
　　
　　圖4. SWIRL的關(guān)鍵組成
　　攝像頭是這套系統(tǒng)的最大亮點，因為研發(fā)團隊是從生物醫(yī)學(xué)里使用的膠囊內(nèi)鏡（Capsule endoscopy）獲取靈感的。膠囊內(nèi)鏡是一種檢查人體腸道的醫(yī)療儀器，體積就像一顆膠囊藥丸，一般含有高清攝像頭、光源、電池和傳感器。由于拍攝角度是固定在膠囊里的，因此為了獲得最大視野，一般會選擇廣角攝像頭。但這有一個問題，就是廣角攝像頭會造成成像畸變扭曲的問題。對此，有學(xué)者提出用垂直于腸表面而不是常見的平行腸表面的成像來使圖像扭曲最小化。不過這中方法又會減少視場（FOV），因此又有人提出安裝一個作動器（actuator），讓攝像頭沿著縱軸旋轉(zhuǎn)，一邊旋轉(zhuǎn)一邊捕捉圖像。最后通過多張圖像的疊加獲得一張曲線2D圖。高清圖像也便于辨識異常和后期的數(shù)字分類。
　　
　　圖5. 膠囊內(nèi)鏡原理示意圖 | 圖源：medgadget
　　參考醫(yī)學(xué)膠囊內(nèi)鏡的演變史，新加坡團隊研發(fā)了一款可以360°旋轉(zhuǎn)的攝影成像系統(tǒng)。如下圖6所示，攝像機光軸垂直于隧道墻壁，視場范圍如紅色投影區(qū)。節(jié)能高效型LED等提供光源，步進電機以0.6°的精確幅度旋轉(zhuǎn)進，機械增益為3，而且還有實時視頻流。

　　圖6. 左：以不同的傾斜度獲取一系列圖像，然后再拼接圖像；右: 旋轉(zhuǎn)攝像系統(tǒng)原型

　　視頻1. 旋轉(zhuǎn)攝像頭外觀
　　測試結(jié)果
　　如下圖7所示，研究團隊在新加坡的一個地下通道里對攝像系統(tǒng)進行測試。系統(tǒng)的圖像拼接算法運行良好。
　　
　　圖7. (a) 在Connaught Drive 地下通道評估全景拼接系統(tǒng); (b) 捕獲的三張圖片；(c) 對圖片進行拼接
　　接著，研究團隊在Eu Tong Sen運河對無人機的飛行情況進行測試。其中水平測試環(huán)境的長、寬、高分別為45m、6m和2m。垂直測試的高度為45m，半徑為2m。
　　
　　圖8. 自動巡航性能評估. (a)為水平方向測試， (b)為垂直方向的測試
　　在水平測試里，無人機的起飛和降落為人工操作，當(dāng)無人機靠近隧道中軸，就切換到自動巡航模式。在自動模式下，無人機嘗試保持沿兩壁居中且在固定高度上飛行，水平飛行速度由操作人員設(shè)定。在這次測試中，無人機通過45米橋底隧道的時間為36秒。圖9顯示了無人機在穿過隧道時的水平位置誤差（y軸）。在第28秒時，由于隧道左壁的出口造成誤差突然增加。在水平測試中，無人機的均方根位置誤差為0.13 m，其偏離中心線的最大值為0.41 m。更多細節(jié)可以點擊觀看下面的視頻：
　　
　　圖9. 水平測試的誤差分析

　　視頻2. 水平飛行測試視頻
　　縱向飛行測試是要評估無人機在DTSS中的豎井隔離閘的飛行情況。無人機通過一個1m人孔進入DTSS一個實際豎井的入口。以便在緊急情況進行回收，無人機有一條安全系繩和絞車相連。無人機經(jīng)人工起飛到豎井中軸左右開始進入自動模式。無人機垂直飛行8米的用時為4.5分鐘。DTSS里的壓力通過人孔溢出，在開口處測得的風(fēng)速高達16m/s。這種持續(xù)的上升氣流對無人機的飛行性能產(chǎn)生不利影響，多旋翼的飛行器受到的影響更嚴重。因此垂直測試的均方根位置誤差為0.53 m，偏離中心線的最大偏差為1.44 m，高于水平試驗的誤差。更多細節(jié)可以點擊觀看下面的視頻：

　　視頻3. 垂直飛行測試視頻
　　耐力和傳感器測試
　　為了評估系統(tǒng)的運行耐久性，無人機被命令在軸的垂直模型中自動保持其中心線位置。在所有系統(tǒng)運行的這種配置中，無人機飛行了35分鐘41秒，在此期間，均方根和最大誤差分別為0.16米和0.46米。
　　而傳感器測試結(jié)果顯示光學(xué)流量傳感器是高度控制算法的合適替代方案，后者通常需要結(jié)合氣壓計和外部距離傳感器（如超聲波傳感器）的數(shù)據(jù)來進行可靠的高度估計。而使用光學(xué)流量傳感器，即使沒有其他傳感器的補償數(shù)據(jù)，也可以提供沿y軸隨時間的位置變化的準(zhǔn)確估計。
　　小結(jié)
　　為了實現(xiàn)對DTSS的有效監(jiān)測工作，新加坡團隊設(shè)計了這款專門用于隧道檢查的新型無人機及成像系統(tǒng)。從目前的測試結(jié)果來說，這款配有360°旋轉(zhuǎn)成像系統(tǒng)的無人機，能夠勝任對整個隧道壁的完整成像任務(wù)，同時無人機的自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)也證明了可行性。
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　　參考資料
　　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