一种基于无人机的结构动位移测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无人机的结构动位移测量方法及系统，结合无人机的机动性优势可实现大型结构近距离的快速位移测量，方法包括：将黑白靶标贴于待测结构表面，架设静止的激光灯射于靶标附近，调整无人机至合适位置并拍摄视频，通过对视频逐帧图像处理和计算，得到靶标与光斑间的距离，并按时间序列排列，从而得到结构的动位移。本发明专利技术的测量方法通过实时检测人工靶标的尺度信息计算无人机距离结构表面的实时位置换算关系，通过圆检测方法检测人工靶标与光斑，将标记的中心点与固定的激光投射点作差得到像素相对位移，通过比例换算获得结构的物理动位移。本发明专利技术能够切实有效地实现大型结构近距离动位移快速测量与分析，具有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机的结构动位移测量方法及系统


[0001]本专利技术属于视觉测量
，具体涉及一种基于无人机的结构动位移测量方法及系统。

技术介绍

[0002]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。然而在当前的传感技术下，结构的位移测量手段仍存在许多局限，如需要固定在静止物体上、需长期供电或定期更管电池、安装维护费时费力、只能布置在有限数量的离散位置上等。近年来，陆续有研究人员开展了基于视觉的结构健康监测研究，提供了有效的非接触式位移测量方法。然而，现有的基于视觉的位移测量方法受限于需要合适的固定位置安放图像采集设备，尤其对于例如大跨桥梁、超高层建筑等结构，传统的视觉测量方法无法满足结构检测和评估的需要。
[0003]无人机可以克服上述图像采集设备位置部署的局限性。通过无人机搭载高清云台相机，能够在高空任意点悬停，可实现合适距离、合适角度的数据采集。但是由于无人机平台在悬停过程中受风和其它大气扰动影响，其姿态和位置实时变化，因此不能通过直接跟踪视频中物体的位移得到物体的真实位移。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服目前现有结构测量技术在实际工程应用时存在的局限，本专利技术提出一种基于无人机的结构动位移测量方法及系统。
[0005]技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术首先提出一种基于无人机的结构动位移测量方法，具体包括如下步骤：
[0006]步骤1，将预先制作好的黑白靶标贴于待测结构表面的测点位置，黑白靶标的中心与测点位置重合；所述黑白靶标具体为黑色背景，其上均匀分布有四个半径相同的白色圆点；四个白色圆点分别位于黑色背景的上、下、左、右四个位置；
[0007]步骤2，架设激光灯并调整激光灯位置，使激光灯光束在待测结构表面形成激光光斑，且激光光斑与测点位置的距离在预设距离范围内，固定激光灯并使激光灯保持静止状态；
[0008]步骤3，将无人机飞至待测结构靶标位置的预设范围内，调整无人机位置，使无人机拍摄画面包含靶标与激光光斑，悬停无人机并连续拍摄得到待测结构运动视频；
[0009]步骤4，对待测结构运动视频进行逐帧图像处理后，计算帧图像在拍摄时的比例换算因子；通过对帧图像计算靶标中心与激光光斑中心的像素长度，利用比例换算因子得到帧图像拍摄时靶标中心与激光光斑中心的物理长度，并按照拍摄时间序列连接得到结构动位移。
[0010]进一步地，所述结构动位移测量方法还包括步骤5，对步骤4得到的结构动位移进行结构频谱分析，得到结构振动频率；具体如下：
[0011]输入待测结构测点位置的位移响应信号，计算功率谱密度函数，对功率谱密度函数进行奇异值分解，得到最大奇异值及最大奇异值对应的奇异值特征向量，进而得到模态参数。
[0012]进一步地，所述步骤2中激光灯光束在待测结构表面形成的激光光斑，作为待测结构动位移测量的静止参考点。
[0013]进一步地，所述步骤4的具体方法如下：
[0014]步骤4.1：将无人机拍摄到的结构运动视频拆解为连续帧图像，并对每一帧图像设置同一感兴趣区域；所述感兴趣区域包括靶标、激光光斑以及待测结构运动区域；
[0015]步骤4.2：对拆解得到的连续帧图像进行逐帧图像处理，得到靶标中圆点的圆心坐标以及激光光斑中心的坐标；
[0016]步骤4.3：对每一帧图像计算靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的像素长度，并利用上述两个圆点中心连线的物理长度，计算得到每一帧图像在拍摄时结构的物理长度与图像的像素长度的比值，即比例换算因子；第i帧图像拍摄时的比例换算因子的计算公式如下：
[0017][0018]式中，s
i
表示第i帧图像拍摄时的比例换算因子；D
target
表示靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的物理长度；d
target,i
表示第i帧图像靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的像素长度；
[0019]步骤4.5：将每一帧图像中靶标的四个圆点中心坐标的平均值作为靶标的位置坐标，将激光光斑中心的坐标作为激光光斑的位置坐标，计算靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值；
[0020]步骤4.6：以第一帧图像作为参考图像，第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值作为参考原点坐标，后续帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值均与第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值作差作为当前帧图像位移；
[0021]则第一帧图像位移表示为：d1＝(0,0)；
[0022]第i帧图像位移表示为：d
i
＝(
△
x
i
‑△
x1,
△
y
i
‑△
y1)；
[0023]其中，d1表示第一帧图像位移；d
i
表示第i帧图像位移；
△
x
i
表示第i帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的横坐标；
△
y
i
表示第i帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的纵坐标；
△
x1表示第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的横坐标；
△
y1表示第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的纵坐标；
[0024]步骤4.7：利用每一帧图像的比例换算因子计算得到每一帧图像拍摄时的结构物理位移，计算公式如下：
[0025][0026]式中，D
i
表示第i帧图像拍摄时的结构物理位移；
[0027]步骤4.8：将每一帧图像拍摄时的结构物理位移按照拍摄时间序列连接得到结构动位移。
[0028]进一步地，步骤4.2所述对拆解得到的连续帧图像进行逐帧图像处理，方法具体如下：
[0029]将每一帧图像的感兴趣区域转换为灰度图像；
[0030]对灰度图像进行双边滤波，消除由于测量环境影响导致的噪点等；
[0031]对双边滤波后的图像进行二值化操作，此时图片变为黑白双色图片，靶标白色圆点与激光光斑呈白色，其余背景呈黑色，然而，因光斑亮度不均匀、结构反光等原因，画面中还可能会存在一些小的其他白色图块；
[0032]对二值化操作后的图像进行开操作，断开图像中断开较窄的狭颈并消除细的突出物，使白色图块的轮廓光滑。
[0033]进一步地，步骤4.2所述得到靶标中圆点的圆心坐标以及激光光斑中心的坐标，方法具体如下：
[0034]对逐帧图像处理后的每一帧图像获取图像中的全部白色图块的轮廓，并选取大于设定阈值的白色图块轮廓，得到上述白色图块轮廓各自对应的最小包络圆及每一个包络圆的圆心坐标，即得到靶标中圆点的圆心坐标以及激光光斑中心的坐标。
[0035]本专利技术还提出一种基于无人机的结构动位移测量系统，包括：黑白靶标、激光灯、采集装置和数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1，将预先制作好的黑白靶标贴于待测结构表面的测点位置，黑白靶标的中心与测点位置重合；所述黑白靶标具体为黑色背景，其上均匀分布有四个半径相同的白色圆点；四个白色圆点分别位于黑色背景的上、下、左、右四个位置；步骤2，架设激光灯并调整激光灯位置，使激光灯光束在待测结构表面形成激光光斑，且激光光斑中心与测点位置的距离在预设距离范围内，固定激光灯并使激光灯保持静止状态；步骤3，将无人机飞至待测结构靶标位置的预设范围内，调整无人机位置，使无人机拍摄画面包含靶标与激光光斑，悬停无人机并连续拍摄得到待测结构运动视频；步骤4，对待测结构运动视频进行逐帧图像处理后，计算帧图像在拍摄时的比例换算因子；通过对帧图像计算靶标中心与激光光斑中心的像素长度，利用比例换算因子得到帧图像拍摄时靶标中心与激光光斑中心的物理长度，并按照拍摄时间序列连接得到结构动位移。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，所述结构动位移测量方法还包括步骤5，利用频域分解法对步骤4得到的结构动位移进行结构频谱分析，得到结构振动频率；具体如下：输入待测结构测点位置的位移响应信号，计算功率谱密度函数，对功率谱密度函数进行奇异值分解，得到最大奇异值及最大奇异值对应的奇异值特征向量，进而得到模态参数。3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，所述步骤2中激光灯光束在待测结构表面形成的激光光斑，作为待测结构动位移测量的静止参考点。4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，所述步骤4的具体方法如下：步骤4.1：将无人机拍摄到的结构运动视频拆解为连续帧图像，并对每一帧图像设置同一感兴趣区域；所述感兴趣区域包括靶标、激光光斑以及待测结构运动区域；步骤4.2：对拆解得到的连续帧图像进行逐帧图像处理，得到靶标中圆点的圆心坐标以及激光光斑中心的坐标；步骤4.3：对每一帧图像计算靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的像素长度，并利用上述两个圆点中心连线的物理长度，计算得到每一帧图像在拍摄时结构的物理长度与图像的像素长度的比值，即比例换算因子；第i帧图像拍摄时的比例换算因子的计算公式如下：式中，s
i
表示第i帧图像拍摄时的比例换算因子；D
target
表示靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的物理长度；d
target,i
表示第i帧图像靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的像素长度；步骤4.5：将每一帧图像中靶标的四个圆点中心坐标的平均值作为靶标的位置坐标，将激光光斑中心的坐标作为激光光斑的位置坐标，计算靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐
标的差值；步骤4.6：以第一帧图像作为参考图像，第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值作为参考原点坐标，后续帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值均与第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值作差作为当前帧图像位移；则第一帧图像位移表示为：d1＝(0,0)；第i帧图像位移...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴刚，韩怡天，冯东明，张建，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：