一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法技术

本发明专利技术公开了一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法，属于检测定位技术领域。该方法利用水下机器人和空中无人机从空域和水域两域协同进行渡槽裂缝检测并确定其位置，控制中心对两域设备的检测结果进行比对，若渡槽仅有一侧存在裂缝，则将裂缝位置坐标存储下来，以便后期再检测时直接进行比对；若渡槽两侧的同一位置处均检测到存在裂缝，则将裂缝位置坐标以及检测结果存储下来，并发出修补信息。本方法采用水空两域裂缝位置信息的对比，能够更准确的判断渡槽破损的严重程度，并为渡槽的裂缝检修提供更加精准的定位信息。修提供更加精准的定位信息。修提供更加精准的定位信息。

【技术实现步骤摘要】
一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法


[0001]本专利技术涉及检测定位
，尤其是指一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法。

技术介绍

[0002]为解决水资源时空分布不平衡的问题，实现水资源的优化配置，可采用跨地区、跨流域、长距离的调水工程。若调水工程的渡槽出现裂缝，将不仅会造成水资源的浪费，更有可能造成整个建设工程的失败。因此，检测渡槽是否存在裂缝并精准确定裂缝位置以供维修人员对渡槽进行及时维修至关重要。
[0003]针对空域检测定位，现有研究包括GPS差分定位技术，载波相位差分的高精度无人机导航系统，基于KGP算法的INS/GPS组合导航定位系统，将单目视觉定位方法与包含GPS信息的无人机定位方法相结合的定位技术等。针对水域检测定位，现有技术包括水下机器人定位导航系统，基于等效声速的TOA/AOA水声定位系统，基于重复广义估计相互关系时延的超短水声基线定位系统，基于水下双目视觉系统的水下机器人导航定位系统。
[0004]但是，现有技术仅局限于单域(水域或者空域)定位，检测及定位结果精确度欠佳。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服以上不足，提供一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法，其利用水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)和空中无人机(Unmanned AerialVehicle，UAV)从水域和空域两个维度同时对渡槽进行裂缝检测，检测结果准确，并能对裂缝的位置进行精准定位。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法，其包括以下步骤：
[0008](1)控制中心控制水下机器人和空中无人机进行渡槽裂缝检测；水下机器人和空中无人机均配备有双目摄像头；当水下机器人检测到裂缝时，执行步骤(201)～(202)，当空中无人机检测到裂缝时，执行步骤(301)～(302)；
[0009](201)水下机器人确定自身在世界坐标系下的位置坐标，然后通过双目视觉定位方法处理其所拍摄的裂缝图片，确定裂缝位置的坐标，接着将裂缝坐标发送至水面GPS浮标基阵，再通过基阵发送至控制中心；
[0010](202)控制中心将水下机器人检测到的裂缝坐标发送至空中无人机，空中无人机运行至该坐标处，检测渡槽外围是否存在裂缝，并将裂缝位置信息和检测结果发送至控制中心；然后转到步骤(4)；
[0011](301)空中无人机确定自身在世界坐标系下的位置坐标，然后通过双目视觉定位方法处理其所拍摄的裂缝图片，确定裂缝位置的坐标，接着将裂缝坐标发送至控制中心；
[0012](302)控制中心将空中无人机检测到的裂缝坐标发送至水下机器人，水下机器人运行至该坐标处，检测渡槽内部是否存在裂缝，并将裂缝位置信息和检测结果发送至控制
中心；然后转到步骤(4)；
[0013](4)控制中心对两设备的检测结果进行比对，若渡槽仅有一侧存在裂缝，则将裂缝位置坐标存储下来，以便后期再检测时直接进行比对；若渡槽两侧的同一位置处均检测到存在裂缝，则将裂缝位置坐标以及检测结果存储下来，并发出修补信息。
[0014]进一步的，水下机器人确定自身在世界坐标系下的位置坐标的具体方式为：
[0015](1)水下机器人检测到裂缝时进行制动；
[0016](2)将水下机器人与四个水听器所在的浮标基阵的距离表示为：
[0017][0018]其中，第i个浮标的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，待定位水下水下机器人的位置为(x,y,z)，t
i
为从水下机器人上的发射换能器发射声波经传播达到第i个水听器所在的浮标基阵的时间，c为声波的传播速度；
[0019](3)由定位空间方程求差处理得到线性方程：
[0020][0021]即：
[0022][0023]其中，r
i
为第i个浮标到坐标原点的距离；
[0024]令
[0025][0026]则式(3)化为：
[0027]Ax＝B
ꢀꢀ
(4)
[0028](4)构造增广矩阵C＝[
‑
B|A]，对其进行奇异值分解得：
[0029][0030]上式中，U、V分别为增广矩阵的左、右奇异矩阵，Π是半正定对角矩阵，u
k
和v
k
分别为左、右奇异向量，u
k
为矩阵U的第k列，v
k
为矩阵V的第k列，σ
k
为C对应的奇异值，且满足σ1≥σ2≥σ3≥σ4；
[0031](5)当没有测量误差时，则有rank{C}＝3，此时σ4＝0，并且Ax＝B式存在唯一解；当测量误差存在时，则有rank{C}＝4；此时σ4≠0，Ax＝B式存在唯一的总体最小二乘算法的解：
[0032][0033](6)令
[0034][0035]对式(7)在(x0,y0,z0)处进行泰勒级数展开，忽略高阶项，则有：
[0036][0037]令
[0038][0039]则一阶项U
n
表示为：
[0040][0041](7)以总体最小二乘估计值作为初值(x0,y0,z0)进行迭代，每次迭代时通过水下机器人到水听器阵的测量距离R
n
求出(Δx,Δy,Δz)，然后根据给出的门限η判断下式是否成立：
[0042][0043]若成立则迭代结束，否则将(x0+Δx,y0+Δy,z0+Δz)作为新的初始坐标进行计算，直到满足式(10)的条件，最终得到的坐标即为水下机器人的位置坐标。
[0044]进一步的，空中无人机确定自身在世界坐标系下位置坐标的具体方式为：
[0045](1)空中无人机检测到裂缝时进行制动；
[0046](2)获取惯性导航系统根据无人机的运动角加速度和线加速度经过二次积分运算所得到的无人机位置坐标(x
ins
,y
ins
,z
ins
)；
[0047](3)获取通过导航定位解算得到的无人机位置坐标(x
gps
,y
gps
,z
gps
)；
[0048](4)获取组合导航系统中由姿态误差角、速度误差、位置误差、陀螺仪漂移误差以及加速度计零误差组成的SINS误差状态，得到误差向量为：
[0049][0050]状态方程为：
[0051][0052]式中，W(t)＝[w
gx w
gy w
gz w
ax w
ay w
az
]T
为系统白噪声，F(t)为系统状态转移矩阵：
[0053][0054]式(12)中，F
INS
由惯导基本误差方程决定：
[0055][0056]状态方程中，G(t)为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)控制中心控制水下机器人和空中无人机进行渡槽裂缝检测；水下机器人和空中无人机均配备有双目摄像头；当水下机器人检测到裂缝时，执行步骤(201)～(202)，当空中无人机检测到裂缝时，执行步骤(301)～(302)；(201)水下机器人确定自身在世界坐标系下的位置坐标，然后通过双目视觉定位方法处理其所拍摄的裂缝图片，确定裂缝位置的坐标，接着将裂缝坐标发送至水面GPS浮标基阵，再通过基阵发送至控制中心；(202)控制中心将水下机器人检测到的裂缝坐标发送至空中无人机，空中无人机运行至该坐标处，检测渡槽外围是否存在裂缝，并将裂缝位置信息和检测结果发送至控制中心；然后转到步骤(4)；(301)空中无人机确定自身在世界坐标系下的位置坐标，然后通过双目视觉定位方法处理其所拍摄的裂缝图片，确定裂缝位置的坐标，接着将裂缝坐标发送至控制中心；(302)控制中心将空中无人机检测到的裂缝坐标发送至水下机器人，水下机器人运行至该坐标处，检测渡槽内部是否存在裂缝，并将裂缝位置信息和检测结果发送至控制中心；然后转到步骤(4)；(4)控制中心对两设备的检测结果进行比对，若渡槽仅有一侧存在裂缝，则将裂缝位置坐标存储下来，以便后期再检测时直接进行比对；若渡槽两侧的同一位置处均检测到存在裂缝，则将裂缝位置坐标以及检测结果存储下来，并发出修补信息。2.根据权利要求1所述的一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法，其特征在于，水下机器人确定自身在世界坐标系下的位置坐标的具体方式为：(1)水下机器人检测到裂缝时进行制动；(2)将水下机器人与四个水听器所在的浮标基阵的距离表示为：其中，第i个浮标的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，待定位水下水下机器人的位置为(x,y,z)，t
i
为从水下机器人上的发射换能器发射声波经传播达到第i个水听器所在的浮标基阵的时间，c为声波的传播速度；(3)由定位空间方程求差处理得到线性方程：即：其中，r
i
为第i个浮标到坐标原点的距离；令
则式(3)化为：Ax＝B
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)(4)构造增广矩阵C＝[
‑
B|A]，对其进行奇异值分解得：上式中，U、V分别为增广矩阵的左、右奇异矩阵，Π是半正定对角矩阵，u
k
和v
k
分别为左、右奇异向量，u
k
为矩阵U的第k列，v
k
为矩阵V的第k列，σ
k
为C对应的奇异值，且满足σ1≥σ2≥σ3≥σ4；(5)当没有测量误差时，则有rank{C}＝3，此时σ4＝0，并且Ax＝B式存在唯一解；当测量误差存在时，则有rank{C}＝4；此时σ4≠0，Ax＝B式存在唯一的总体最小二乘算法的解：(6)令对式(7)在(x0,y0,z0)处进行泰勒级数展开，忽略高阶项，则有：令则一阶项U
n
表示为：(7)以总体最小二乘估计值作为初值(x0,y0,z0)进行迭代，每次迭代时通过水下机器人到水听器阵的测量距离R
n
求出(Δx,Δy,Δz)，然后根据给出的门限η判断下式是否成立：若成立则迭代结束，否则将(x0+Δx,y0+Δy,z0+Δz)作为新的初始坐标进行计算，直到
满足式(10)的条件，最终得到的坐标即为水下机器人的位置坐标。3.根据权利要求1所述的一种水空协同的渡槽裂缝检测定位方法，其特征在于，空中无人机确定自身在世界坐标系下位置坐标的具体方式为：(1)空中无人机检测到裂缝时进行制动；(2)获取惯性导航系统根据无人机的运动角加速度和线加速度经过二次积分运算所得到的无人机位置坐标(x
ins
,y
ins
,z
ins
)；(3)获取通过导航定位解算得到的无人机位置坐标(x
gps
,y
gps
,z
gps
)；(4)获取组合导航系统中由姿态误差角、速度误差、位置误差、陀螺仪漂移误差以及加速度计零误差组成的SINS误差状态，得到误差向量为：状态方程为：式中，W(t)＝[w
gx w
gy w
gz w
ax w
ay w
az

【专利技术属性】
技术研发人员：侯华，程萌，黄鼎盛，郭胜杰，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：