一种多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统，包括无人机模块和桥梁形变检测工作站模块。无人机模块主要由无人机和检测桥梁形变的多传感器组成。桥梁形变检测工作站模块由地面控制中心移动端和桥梁形变检测工作站模块两部分组成。桥梁检测人员设置无人机的作业模式。无人机通过搭载的传感器获取桥梁检测的数据并传回地面移动工作站,采集的数据通过桥梁形变检测数据管理系统进行存储、管理、处理、分析、可视化，另外可利用系统中桥梁风险评估模型进行桥梁风险评估，并建立桥梁健康档案。本发明专利技术具有自动化、智能化程度高、作业效率高、安全系数高、实施成本低等特点，在公路桥梁的形变检测方面具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统
本
技术实现思路
涉及公路桥梁形变检测方法及系统，特别是利用一种多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及其无人机公路桥梁形变检测管理系统，属于公路桥梁形变检测技术应用领域。
技术介绍
公路桥梁作为我国现代化建设的重要基础设施，在交通线中发挥着极其重要的作用，公路桥梁在建成后长期受到环境因素、自然条件、载荷作用等因素影响，加之桥梁设计、施工建设过程中的缺陷问题，以及超载、超负荷运营，必然造成公路桥梁使用功能的降低以及服务质量的退化，甚至发生坍塌、影响交通等重大事故，为了确保公路桥梁运营安全，及时采取有效的运营管理措施与维修养护方案，因此对公路桥梁形变进行科学合理的检测成为公路桥梁养护部门必不可少的工作。公路桥梁在日常的运营和维护期间所进行的检测工作主要有，对桥面、桥墩的形变监测、对桥梁底板裂缝的检测，传统的桥面形变检测仪器主要有，水准仪、全站仪、GPS接收机、测量机器人等，传统方法是利用这些仪器对桥梁进行连续、定期的单点观测，获得多期观测数据，经过分析离散监测点的位移变化，对桥梁的安全性能做出评价，传统方法在对桥梁进行检测时需保证车流量小，外界干扰小，甚至有时需要阻断交通，这影响了人们的正常出行，此外，对桥梁至关重要的桥梁底板裂缝的检测，主要依靠桥梁巡检车、检测员，在检测过程中巡检车通过吊篮装置将人工吊至桥面底板下面，然后检测人员通过放大镜观测桥梁底板裂缝情况，传统的检测方法存在着安全性、便捷性、高效性、手段单一、可靠性低、观测的整体性不足等方面的缺陷。无人机、传感器技术以及云计算的快速发展，为我们提供了一种新型的作业方式，使我们能够很好的结合三者的诸多优点去完成日常的公路桥梁形变检测工作，通过无人机飞行平台搭载能够采集桥梁形变、裂缝的传感器去完成数据采集工作，另外通过对无人机采集的数据进行处理和分析完成桥梁的检测工作，这种作业方式相比传统的作业方式具有；可以直接到达检测部位,无需其它辅助措施，相比传统的桥梁检测车（注，此处的桥梁检测车非传统意义上的桥梁检测车，而是一种便捷的、小型的移动办公平台）节省大量经费和人力资源，可以检测桥墩、支座、桥腹等桥检车不易够到的危险场所，无需搭架或者吊篮配合人员检测，大大地提高了作业的安全性，同时对于部分无法企及或者极难检测到的桥腹、拉索等部位，无人机（注，本专利技术所述的无人机为四旋翼或六旋翼无人机，另外需要续航时间长，能有效搭载多种传感器工作,具有可扩展模块，如大疆的经纬M200系列）可以抵近观察了解更多细节，在一些高速跨线桥或者城市桥梁进行定期检测时，用无人机技术无需中断交通，不会影响到人们的正常出行。在现有技术中，主要有以下文献与本专利技术申请相关。文献1株洲时代电子技术有限公司于2018年1月5日申请，并于2018年7月27日公开，公开号为CN108332926A的中国专利技术专利《一种桥梁巡检系统》，该系统包括无人机、数据传输模块、地面控制中心,及搭载于无人机上的数据采集模块，数据采集模块包括激光三维扫描仪和地质雷达，无人机采集的现场数据通过数据传输模块发送至地面控制中心，地面控制中心的数据处理与故障检测模块对采集数据进行处理,完成对桥梁被检测区域的三维建模,数据处理与故障检测模块通过对三维建模和雷达回波数据进行分析,检测出桥梁的缺陷及缺陷所在的位置。文献2武汉大学于2015年04月28日申请，并于2017年04月19日公开，公开号为CN104843176A的中国专利技术专利《一种用于桥梁隧道自动巡检旋翼无人机系统及导航方法》，该专利技术描述的桥梁隧道自动巡检旋翼无人机系统依靠GPS与激光雷达、IMU进行自主导航的旋翼无人机巡检系统，实现了在空旷的桥梁区域利用GPS导航系统与封闭隧道里面利用激光雷达导航系统进行自主巡检，依靠自动避障系统实现对桥梁隧道以及机动车的闪避，拍摄重点区域的图像发回地面站，由地面站生成桥隧的病害专题图，供相关人员使用。文献3为天津大学于2018年1月11日申请，并于2018年5月29日公开，公开号为CN108082515A的专利技术专利《一种基于无人机机载成像的桥梁裂缝识别装置》，该装置包括避雷针、螺旋桨、螺旋杆、支撑杆、横杆、封盖、数控平台、连接杆、相机、固定平台、动力系统、导航系统、通讯系统、控制系统、成像系统、辅助系统、无线网、电源、led灯、报警系统、存储器和语音提示模块，该装置可在雷雨天气使用，具有避雷的效果，稳定性强，受力均匀，识别功能强，成本低。文献4武汉大学于2017年2月24日申请，并于2017年5月10日公布，公布号为CN106645205A的中国专利技术专利《一种无人机桥梁底面裂纹检测方法及系统》，该专利技术的内容包括无人机端和地面工作站，无人机端利用机载激光雷达和惯性测量单元对无人机进行定位，并形成无人机周围障碍物点云，进行避障和路径规划，机载云台相机以固定频率拍摄桥梁底面并将高清影像存储在存储器中,地面工作站端对拍摄的影像进行处理，对桥墩间的影像进行拼接形成大尺度的桥底面影像，之后对影像信息进行提取。文献5王泽启于2018年2月6日申请，并于2018年7月27日公布，公布号为CN108332928A的专利技术专利《一种基于物联网的高精度桥梁裂缝智能检测设备》，该基于物联网的高精度桥梁裂缝智能检测设备，当无人机需要利用摄像头对桥梁某部位进行精确拍摄时，通过启动固定装置，可将机身固定在桥梁上，避免无人机始终处于边飞行边拍摄的状态，使其能够在静止状态下进行拍摄，提高了摄像头拍摄画面的清晰度，当拍摄完成后，再次启动固定装置，可将机身与桥梁分离。文献6刘凯于2014年12月25日申请，并于2015年4月22日公布，申请公布号为CN104535649A的中国专利技术专利《裂缝无人智能检测机》，该检测机包括机身、收缩脚架、减震平稳云台、安全气囊包、电机、电池仓、浆，另外机身上还设有与飞行控制器电路连接的超声探伤仪、红外测距传感仪、GPS、图像传送器、前置摄像头、上置摄像头、激光灯、电机、电机调速器，在工作环境复杂的地方自动发现水利、桥梁、建筑各个地方的裂缝,对事故裂缝进行安全而精确的测量,最后由计算机清楚的显现其结果。文献7柳州欧维姆机械股份有限公司于2016年7月21日申请，并于2016年11月16日公布，申请号为CN106124517A的专利技术专利《检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测结构件表面裂缝的方法》，一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，包括多旋翼无人机、控制系统和无线通信系统，所述用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机包括机体、动力系统和传感系统，所述的控制系统包括上位机、下位机以及手持遥控器。虽然，以上7篇专利中有6篇都提出了利用无人机搭载的相应检测仪器对桥梁、隧道等交通基础设施进行检测，但是，上述六篇文献描述的技术方案中还存在以下明显的缺陷。本专利技术通过利用无人机平台搭载相机对桥梁裂缝检测识别的实验中，发现有些桥梁的部位是无法利用相机进行拍摄的，比如有遮挡的部位、阴暗处、光线无法到达处，另外，由于公路桥梁形变检测精度的实际需要、桥梁周边环境的复杂性，需要保证采集桥梁细胞数据的可靠性，单纯的采用高清相机去拍摄，存在较高的不确定性和低的可靠性，这时就需要我们借助一些本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统，其特征在于，该多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统包括用于检测公路桥梁形变、桥梁底板裂缝、破损的无人机平台模块（Ⅰ）、桥梁形变检测工作站模块（Ⅱ）；所述的用于检测公路桥梁形变和桥梁底板裂缝的多传感器协同的无人机模块（Ⅰ）包括，采集桥梁形变检测数据的传感器平台（11）、支撑无人机飞行的动力系统（12）、用于接收地面控制中心移动端（21）指令、实时传输无人机采集数据的数传和接收模块（13）、无人机机载控制模块（14）、无人机机身（15）；所述的桥梁形变检测工作站模块（Ⅱ）包括，地面控制中心移动端（21）和桥梁形变检测中心（22）；所述的采集桥梁形变检测数据的传感器平台（11）搭载的传感器包括，激光三维扫描仪（111）、微型GPS接收机（112）、激光测距传感器（113）、小型照明装置（114）、红外传感器（115）、高清摄影测量相机（116）、陀螺姿态仪（117）、风速传感器（118）、智能报警传感器（119）、地质雷达（1110）、激光雷达（LiDAR）（1111）、惯性测量单元IMU（1112）、小型机载SAR传感器（1113）；所述的支撑无人机飞行的动力系统（12）包括，电机（121）、桨叶（122）、电池（123）、备用电池（124）；所述的用于接收地面控制中心移动端（21）指令和实时传输无人机采集数据的数传和接收模块（13）包括，信号中心（131）、收发信号天线（132）；所述的地面控制中心移动端（21）包括，桥梁检测工作人员（211）、无人机公路桥梁形变检测管理系统（212）、数传电台（213）、GPS接收机（214）、GPS信号发射天线（215）、电瓶（216）、移动桥梁检测车（217）、移动办公电脑（218）、无人机手持遥控器（219）、GPS‑RTK外挂电台（2110）、高倍望远镜（2111）；所述的桥梁形变检测中心（22）包括，无人机公路桥梁形变检测管理系统（221）和桥梁形变检测中心工作人员（222）；所述的无人机公路桥梁形变检测管理系统（221）包括，无人机搭载传感器采集数据的导入（2211）、无人机搭载传感器采集数据的存储（2212）、无人机搭载传感器采集数据的预处理（2213）、无人机搭载传感器采集数据的处理（2214）、桥梁模型的构建（2215）、SAR传感器数据的处理（2216）、桥梁桥面形变分析提取（2217）、桥梁底板形变数据的处理（2218）、桥面底板裂缝的识别（2219）、无人机公路桥梁形变检测管理系统工作人员（22110）、桥梁风险评估模型（22111）、桥梁风险评估（22112）、桥梁健康档案管理（22113）、桥梁检测报告的生成（22114）、多传感器的专题数据库（22115）、传感器采集数据的备份（22116）、各类传感器形变检测数据的相互协同验证（22117）、形变检测数据的可视化（22118）。...

【技术特征摘要】
1.一种多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统，其特征在于，该多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统包括用于检测公路桥梁形变、桥梁底板裂缝、破损的无人机平台模块（Ⅰ）、桥梁形变检测工作站模块（Ⅱ）；所述的用于检测公路桥梁形变和桥梁底板裂缝的多传感器协同的无人机模块（Ⅰ）包括，采集桥梁形变检测数据的传感器平台（11）、支撑无人机飞行的动力系统（12）、用于接收地面控制中心移动端（21）指令、实时传输无人机采集数据的数传和接收模块（13）、无人机机载控制模块（14）、无人机机身（15）；所述的桥梁形变检测工作站模块（Ⅱ）包括，地面控制中心移动端（21）和桥梁形变检测中心（22）；所述的采集桥梁形变检测数据的传感器平台（11）搭载的传感器包括，激光三维扫描仪（111）、微型GPS接收机（112）、激光测距传感器（113）、小型照明装置（114）、红外传感器（115）、高清摄影测量相机（116）、陀螺姿态仪（117）、风速传感器（118）、智能报警传感器（119）、地质雷达（1110）、激光雷达（LiDAR）（1111）、惯性测量单元IMU（1112）、小型机载SAR传感器（1113）；所述的支撑无人机飞行的动力系统（12）包括，电机（121）、桨叶（122）、电池（123）、备用电池（124）；所述的用于接收地面控制中心移动端（21）指令和实时传输无人机采集数据的数传和接收模块（13）包括，信号中心（131）、收发信号天线（132）；所述的地面控制中心移动端（21）包括，桥梁检测工作人员（211）、无人机公路桥梁形变检测管理系统（212）、数传电台（213）、GPS接收机（214）、GPS信号发射天线（215）、电瓶（216）、移动桥梁检测车（217）、移动办公电脑（218）、无人机手持遥控器（219）、GPS-RTK外挂电台（2110）、高倍望远镜（2111）；所述的桥梁形变检测中心（22）包括，无人机公路桥梁形变检测管理系统（221）和桥梁形变检测中心工作人员（222）；所述的无人机公路桥梁形变检测管理系统（221）包括，无人机搭载传感器采集数据的导入（2211）、无人机搭载传感器采集数据的存储（2212）、无人机搭载传感器采集数据的预处理（2213）、无人机搭载传感器采集数据的处理（2214）、桥梁模型的构建（2215）、SAR传感器数据的处理（2216）、桥梁桥面形变分析提取（2217）、桥梁底板形变数据的处理（2218）、桥面底板裂缝的识别（2219）、无人机公路桥梁形变检测管理系统工作人员（22110）、桥梁风险评估模型（22111）、桥梁风险评估（22112）、桥梁健康档案管理（22113）、桥梁检测报告的生成（22114）、多传感器的专题数据库（22115）、传感器采集数据的备份（22116）、各类传感器形变检测数据的相互协同验证（22117）、形变检测数据的可视化（22118）。2.根据权利要求1所述的一种多传感器协同的无人机公路桥梁形变检测方法及系统，其特征在于检测公路桥梁桥面形变和桥梁底板裂缝的无人机平台模块（Ⅰ）通过搭载在采集桥梁形变检测数据的传感器平台（11）的传感器进行桥梁形变及底板裂缝的数据采集，无人机平台模块（Ⅰ）通过由地面控制中心移动端（21）桥梁检测工作人员（211）所控制，获取的公路桥梁形变检测数据导入（2211）无人机公路桥梁形变检测管理系统（221），导入的多传感器所采集的数据存储在多传感器的专题数据库（22115）中，无人机公路桥梁形变检测管理系统（221）对无人机搭载传感器导入数据的存储（2212）、预处理（2213）、处理（2214）、桥梁模型的构建（2215...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓恩，周亮，苏奋振，慕号伟，唐建军，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62