一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面，进行桥梁振动过程的图像采集；对采集得到的图像逐帧通过数字图像相关技术进行追踪分析，提取得到桥梁结构的位移；对采集得到的图像通过张正友标定法进行标定，求解得到无人机的运动位移；将所述桥梁结构的位移与所述无人机的运动位移作差，得到校正后的桥梁结构的真实位移。本发明专利技术利用无人机任意点高空悬停观测和图像实时传输的优点，并通过张正友标定法分析剔除无人机运动带来的误差位移，得到桥梁结构位移的准确测量结果，解决了现有的桥梁结构位移测量方法存在难以找到具有适当视线的部署位置、部署复杂、测量准确度低等问题。

A bridge displacement measurement method based on UAV system

The invention discloses a bridge structure displacement measurement method based on the UAV system, which enables the UAV to hover on the surface of the bridge structure to be measured at a fixed point for image acquisition in the process of bridge vibration; track and analyze the collected image frame by frame through the digital image related technology to extract the displacement of the bridge structure; calibrate the collected image with the Zhang Zhengyou method The real displacement of the bridge structure after correction is obtained by making a difference between the displacement of the bridge structure and that of the UAV. The invention makes use of the advantages of hovering observation and real-time image transmission at any point of UAV, analyzes and eliminates the error displacement caused by UAV movement through Zhang Zhengyou calibration method, and obtains the accurate measurement result of bridge structure displacement, which solves the problems of existing bridge structure displacement measurement methods, such as difficult to find the deployment position with proper line of sight, complex deployment and low measurement accuracy. Problem.

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法
本专利技术涉及视觉测量
，尤其涉及一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法。
技术介绍
基于振动的结构健康监测是评估民用基础设施安全性最常用的方法之一。健康监测的应用都是从测量结构的动力响应开始的，但是由于需要一个固定的参考点、高成本和低精度等影响，位移测量一直受到限制。近年来，研究人员开展了基于视觉的结构健康监测研究，提供了非接触和有效的测量方法。然而，现有的基于视觉的位移测量方法依赖于摄像机固定静止摆放，它们面临的挑战是找到一个具有适当视线的地点来部署摄像机，尤其是在监测关键的民用基础设施，例如桥梁。目前我国桥梁数量巨大，上述视觉方法对桥梁进行检测和评估无法满足需要。无人机系统可以克服上述摄像机位置部署的局限性。通过无人机承载高清摄像机，能够在高空任意点悬停在民用基础设施附近监测并且具备无线通信能力，达到图像实时传输。但是由于无人机平台重量较轻，容易受到风和其它大气扰动的影响，产生不稳定姿态和位移变化，运动导致相机在成像时刻无法保持绝对水平，采集的图像发生相应的变形，不能直接表示物体的真实位置，将无人机系统运用在桥梁结构位移测量上，虽克服了固定摄像机仪器架设困难的缺陷，但精确度仍较低。
技术实现思路
本专利技术为解决现有的桥梁结构位移测量方法存在难以找到具有适当视线的部署位置、部署复杂、测量准确度低等问题，提供了一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法。为实现以上专利技术目的，而采用的技术手段是：一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，所述无人机系统装配有摄像机，包括以下步骤：S1.使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面，进行桥梁振动过程的图像采集；S2.对步骤S1采集得到的图像逐帧通过数字图像相关技术进行追踪分析，提取得到桥梁结构的位移；S3.对步骤S1采集得到的图像通过张正友标定法进行标定，求解得到无人机的运动位移；S4.将所述桥梁结构的位移与所述无人机的运动位移作差，得到校正后的桥梁结构的真实位移。上述方案中，利用无人机任意点高空悬停观测和图像实时传输的优点，采用无人机对桥梁结构近距离图像采集，结合数字图像相关技术获取结构的位移信息；并利用张正友标定法分析剔除无人机运动带来的误差位移，得到桥梁结构位移的准确测量结果。优选的，所述步骤S1中使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面时，保持待测量的桥梁结构表面与无人机摄像机的镜头光心垂直。优选的，所述步骤S2提取得到桥梁结构的位移包括桥梁结构的真实位移以及无人机的运动位移。优选的，所述步骤S2的具体步骤为：桥梁结构的位移即桥梁结构变形前图像与桥梁结构变形后图像的位移，在所述变形前图像中取以待求点P(x,y)为中心的参考子区，在变形后图像中，以与所述参考子区同样大小的子区图像，计算位移为(Δx,Δy)时的变形前后子区的灰度相关系数：其中x,y为图像的像素坐标；I,J分别为变形前图像像素的灰度分布和变形后图像像素的灰度分布；B为参考子区的面积；0≤C≤1；当C为极大值时，输出向量(Δx,Δy)即为P(x,y)的位移。优选的，所述步骤S3包括：在所述桥梁结构下放置一块棋盘标定板作为标定图像的采集对象，所述无人机的摄像机为针孔成像模型，利用无人机的摄像机在不同时刻采集标定图像，建立三维世界坐标到摄像机图像坐标的映射关系，并进行标定获得摄像机的固定内参数与摄像机在不同时刻的外参数，根据所述摄像机在不同时刻的外参求解得到无人机的运动位移。优选的，所述步骤S3的具体步骤为：S31.在所述桥梁结构下放置一块棋盘标定板作为标定图像的采集对象，所述无人机的摄像机为针孔成像模型，利用无人机的摄像机在不同时刻采集标定图像；S32.当所述无人机处于第一个时刻时，(xi,yi)表示摄像机采集的第一标定图像中的第i个二维点，(Xi,Yi,Zi)表示相应的三维世界坐标中的三维点，第一标定图像的三维点与第一标定图像投影的关系为：其中s1为无人机第一个时刻时的任意尺度因子，R1为无人机第一个时刻时的3×3旋转矩阵，t1为无人机第一个时刻时的1×3平移向量，K为摄像机的固有内参数矩阵：其中，fx,fy为图像横纵坐标轴的尺度因子，即焦距与像素宽和高的比值；(x0,y0)为摄像机光轴与图像平面交点的坐标；S33.当无人机处于第二个时刻时，在三维世界坐标中以相同的三维点(Xi,Yi,Zi)捕捉场景，三维点与第二标定图像投影的关系为：其中s2为无人机第二个时刻时的任意尺度因子，R2为无人机第二个时刻时的3×3旋转矩阵，t2为无人机第二个时刻时的1×3平移向量；S34.通过求得无人机的摄像机在不同时刻的外参数，得到无人机在不同时刻采集标定图像瞬间的姿态和位置，从而求解得无人机的运动位移。优选的，步骤S34中所述无人机的摄像机在不同时刻的外参数包括旋转向量和平移向量，其中平移向量具体为t＝[txtytz]T，其中tx、ty、tz分别表示无人机在X,Y,Z方向上的平移；则在Y方向无人机的运动位移Δty＝ty2-ty1；其中ty1表示在第一时刻无人机在Y方向上的平移，ty2表示在第二时刻无人机在Y方向上的平移，Δty表示无人机的运动位移。优选的，所述步骤S4具体为：求解所述桥梁结构的真实位移在y方向上进行求解，则：ydis＝Δy-Δty其中ydis为在y方向上桥梁结构的真实位移，Δy为在y方向上桥梁结构的位移，Δty为在y方向上无人机的运动位移。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术方法采用无人机对桥梁结构近距离图像采集，结合数字图像相关技术获取结构的位移信息；针对无人机平台由于重量较轻使其容易受到风和其它大气扰动的影响，产生不稳定姿态和位移变化的特点，利用张正友标定法对不同时刻的连续图像进行摄像机标定，得到反映不同时刻无人机姿态和位置的外参数从而求解得到并校正无人机的运动位移带来的误差，得到桥梁结构位移的准确测量结果。本专利技术方法由于无需进行复杂的部署，可以在桥梁正常运行下能实现对桥梁结构位移测量，解决了现有的桥梁结构位移测量方法存在难以找到具有适当视线的部署位置、部署复杂、测量准确度低等问题。附图说明图1为本实施例的流程框图。图2为本实施例中无人机运动类型示意图。图3为本实施例中桥梁结构位移测量实验的布置示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。实施例一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，所述无人机系统装配有摄像机，如图1所示，包括以下步骤：S1.使无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，所述无人机系统装配有摄像机，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面，进行桥梁振动过程的图像采集；/nS2.对步骤S1采集得到的图像逐帧通过数字图像相关技术进行追踪分析，提取得到桥梁结构的位移；/nS3.对步骤S1采集得到的图像通过张正友标定法进行标定，求解得到无人机的运动位移；/nS4.将所述桥梁结构的位移与所述无人机的运动位移作差，得到校正后的桥梁结构的真实位移。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，所述无人机系统装配有摄像机，其特征在于，包括以下步骤：
S1.使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面，进行桥梁振动过程的图像采集；
S2.对步骤S1采集得到的图像逐帧通过数字图像相关技术进行追踪分析，提取得到桥梁结构的位移；
S3.对步骤S1采集得到的图像通过张正友标定法进行标定，求解得到无人机的运动位移；
S4.将所述桥梁结构的位移与所述无人机的运动位移作差，得到校正后的桥梁结构的真实位移。


2.根据权利要求1所述的基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤S1中使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面时，保持待测量的桥梁结构表面与无人机摄像机的镜头光心垂直。


3.根据权利要求2所述的基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤S2提取得到桥梁结构的位移包括桥梁结构的真实位移以及无人机的运动位移。


4.根据权利要求3所述的基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：
桥梁结构的位移即桥梁结构变形前图像与桥梁结构变形后图像的位移，在所述变形前图像中取以待求点P(x,y)为中心的参考子区，在变形后图像中，以与所述参考子区同样大小的子区图像，计算位移为(Δx,Δy)时的变形前后子区的灰度相关系数：



其中x,y为图像的像素坐标；I,J分别为变形前图像像素的灰度分布和变形后图像像素的灰度分布；B为参考子区的面积；0≤C≤1；当C为极大值时，输出向量(Δx,Δy)即为P(x,y)的位移。


5.根据权利要求3所述的基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：在所述桥梁结构下放置一块棋盘标定板作为标定图像的采集对象，所述无人机的摄像机为针孔成像模型，利用无人机的摄像机在不同时刻采集标定图像，建立三维世界坐标到摄像机图像坐标的映射关系，并进行标定获得摄像机的固定内参数与摄像机在不同时刻的外参数，根据所述摄像机在不同时刻的外参求解得到无人机的运动位移。


6.根据权利要求3所述的基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈贡发，钟文韬，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44