導讀

TAPS 是德國 Fraunhofer 研究所為河道測量而設計的半自動測向系統，通過搭載兩臺友思特uEyeFA工業相機實現對海岸區域進行高效精準的三維建模和航道地圖重建。

水路航道測繪的新選項

準確的航道地圖是實現安全、高效航運交通的先決條件。在德國，聯邦海事和水文局等機構以及私人港口運營商都有義務隨時提供最新版本的航道地圖。這樣做的主要原因是為了避免因路線不正確或過時而造成事故。它涉及聯邦水道的分類、里程、現有水閘、升降機和攔河壩、其他周邊水域、地點和邊界等信息。目前，測繪工作由經過培訓的人員在傳統船舶上進行，這必然導致大量耗費時間和金錢成本，還可能出現在某一特定位置的測量時間過長的情況，效率十分低下。

通過具有避障和交通探測功能的自主平臺對水道進行半自動監測，可以優化這一過程，并在更短的時間內提供地圖。Fraunhofer光電、系統技術和圖像開發研究所（IOSB），利用一個為期3年的內部研究項目，開發出了一種能夠自主勘測水體的自動水面飛行器，并使用聲納進行記錄。該設備通過友思特伙伴 IDS 生產的帶有兩臺集成工業相機的光學系統對堤岸區域及其表面結構進行監控，并將所獲信息整合并傳輸到周圍環境的三維地圖中。

搭載IDS相機的半自動測向系統

精確測量水體是一項具有挑戰性的任務。TAPS 是Fraunhofer IOSB 為河流和湖泊設計的半自動測向系統，能夠在水下和水上進行測量。該設備尺寸約為 2×1.5×1m，可沿相關水道行駛，并自動避開靜止或移動的障礙物，能夠以 3.7km/h 的速度執行連續20個小時的測繪任務。

為了繪制海岸區域的可視地圖，TAPS 在桅桿上安裝了兩臺 uEye工業相機，分別面向右舷和左舷，保證視場不重疊。借由高分辨率工業相機，可以對碼頭巖壁等相關基礎設施進行視覺檢查，并根據記錄的圖像數據對海岸區域進行三維建模。

表面結構的 3D 模型

“我們使用自動系統進行智能圖像采集，當相機對準預設的感興趣區域時，圖像記錄就會開始”，Fraunhofer IOSB 自主機器人系統研究小組的攝影測量學專家 Boitumelo Ruf 說：“車輛自身的運動只用于存儲從不同角度記錄的圖像數據，因此在內容方面具有附加值。GNSS（全球導航衛星系統，如 GPS）和 IMU（用于確定位置的慣性測量單元）數據是確定 TAPS 平臺位置和方向的基礎。在拍攝圖像時，會使用當前的 GNSS 位置數據來豐富圖像，并使用 IMU 來分配精確坐標。”

水上飛機可自動環繞充氣船航行

數據采集完成后，所記錄圖像與 GNSS 數據一起傳送到地面控制站，在那里進行攝影測量重建。Boitumelo Ruf 詳細介紹了這一程序：“除其他外，我們還使用 COLMAP 攝影測量工具箱。它利用出色的圖像特征，首先對輸入圖像進行比較，計算出它們的相對位置，然后創建一個逼真的三維環境模型。然后，我們使用該工具逐個像素地匹配圖像，即搜索對應的像素并準確合并。其結果是使用 GNSS 位置進行地理參照的密集三維點云，即提供相應的當前坐標"。生成的三維模型隨后可用于如目視檢查或堤岸監測等其他任務中。

堅固耐用的工業相機可抵御風雨

在相機方面，Fraunhofer研究所使用了兩臺 IDS uEyeFA工業相機。帶 PoE 的堅固耐用型號是苛刻環境的理想選擇。相機外殼、鏡筒和螺紋接頭符合 IP65/67 防護等級的要求，因此具有最佳的防污、防塵和防水功能。

TAPS 在桅桿上安裝了兩臺來自 IDS 的?uEye?FA 工業相機，用于繪制海岸線區域的可視地圖

所使用的型號配備了索尼公司生產的 IMX304 大尺寸 1.1 英寸 CMOS 傳感器，可提供分辨率為 4096 × 3000 像素的非常清晰的無噪點圖像。Pregius 系列第二代像素的全局快門傳感器具有出色的動態范圍和極高的靈敏度，特別適用于計量等應用領域。

正是這些特點決定了 Fraunhofer 研究所對相機的選擇。除了堅固耐用和不受天氣影響外，對相機的重要要求還包括外形小巧和圖像分辨率高，以便進行詳細的目視檢查。傳感器還應具有較高的動態范圍，以便在晴天和陰天都能捕捉到細節豐富的圖像。通過標準的GigEVision 接口進行集成，可為配備不同攝像頭的多個系統開發和使用一個驅動程序。

所使用的相機能提供非常清晰、無噪音的圖像。該傳感器具有出色的動態范圍和極高的靈敏度。正是這些特點決定了我們對攝像機的選擇。——Boitumelo Ruf，Fraunhofer IOSB 自主機器人系統研究小組攝影測量專家

TAPS 系統應用前景

除了設備的硬件需求以外，缺乏熟練工人也是水道測量的一個主要問題。水道自動測繪不僅可以降低成本，還可以減少測繪時間，以及人工測量帶來的誤差。

TAPS 項目的目的是為這項任務開發一個原型，并在相關場景中展示其潛力。作為一個研究機構，Fraunhofer通常會在系統的功能性和適用性已得到驗證的水平上進行技術開發，而后進入與工業伙伴開展合作的階段。Fraunhofer IOSB 自主機器人系統研究小組負責人 Janko Petereit 博士表示："我們正在積極尋找合作伙伴，共同邁出商業化的最后一步。鑒于我們初步測試的積極結果，以及對準確、最新水道地圖日益增長的需求，預計未來幾年對該項目技術的需求將十分旺盛，并用于更廣泛的領域。自動化水運工具可用于海上或內陸水道的人員和貨物運輸，還可能用于挖掘水道和自主勘測。”

該項目展示了機器人系統與數字圖像處理之間互動的巨大潛力，未來，在視覺環境捕捉和場景解讀方面，熱門技術和應用可能會重新洗牌。

友思特IDS相機產品

uEyeFA

使用PoE的高防護等級工業相機 (IP65/67)，堅固耐用，防污、防塵、防濺水，內置120MB圖像內存，有多樣且同樣堅固的周邊配件，是各行業自動化應用的最佳選擇。所用型號：GV-5200FA 。

客戶：Fraunhofer

Fraunhofer光電技術、系統技術和圖像開發研究所（IOSB）的目標是通過其在三大核心能力方面的工作，為客戶做出明智決策、優化流程和智能控制自主系統提供有效支持，這也是研究所名稱的由來。主要業務范圍為新型視覺系統的開發，包括激光光源、傳感器的最佳使用和聯網，以及由此產生的數據流的處理。

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審核編輯 黃宇