CN109883407B - 一种基于红外测距的墙面监测方法及系统 - Google Patents

一种基于红外测距的墙面监测方法及系统 Download PDF

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本发明公开一种基于红外测距的墙面监测方法。其技术方案是：控制标线仪平行在距离墙面为Z的直线上，平行于墙面按规划步长和程序往返移动，控制无人机跟随标线仪，往返平移，并在每次往返平移前改变飞行高度，无人机一侧的激光测距仪测量无人机距墙面的距离，无人机同时测量飞行高度和从标线仪获得平移后的水平位置，无人机存储以上数据集，上位机将以上数据集转变为三维矢量图，用于表示墙面的平直度。本发明具有应用范围广、精确度高和使用方便的优点。

Description

一种基于红外测距的墙面监测方法及系统
技术领域
本发明属于建筑检测，具体涉及一种基于红外测距的墙面监测方法及系统。
背景技术
建筑墙面垂直度平整度或顺直度是建筑领域的一个重要指标。墙面的垂直度平整度或顺直度整体对墙面的美观以及质量有着很重要的影响，现有的建筑墙面垂直度平整度或顺直度的检测一般采用经纬仪或全站仪，只能对墙面进行抽样检测，并不能体现整个墙面的垂直度平整度或顺直度及数据。
建筑物垂直度偏差测量步骤：选好待测的建筑物，须满足良好的通视条件，在距离建筑物高度1.5H以上且相互垂直墙的两个方向的点都能看到建筑物的顶部和底部；安置好经纬仪或者全站仪，对中整平；转动望远镜瞄准建筑物一条棱边上的顶点，锁定水平制动螺旋和望远镜制动螺旋，使用水平微调螺旋使十字丝精确对准建筑物顶端的一个目标；松开水平制动螺旋不动，松开望远镜制动螺旋转动瞄准待测建筑物下部，在地面上放置一把水平尺量出建筑物距离望远镜十字丝的距离，该读数为建筑物上下两点的垂直度偏差值。
利用经纬仪或者全站仪竖直度盘测量一个面的平整度，需要根据测量精度的要求分割建筑物外立面，再按照上述的方法检测建筑物竖向的垂直度，形成的整个数据进行评判该建筑物整体的平整度。该测量精确测出各个点的详细数据一般较困难，操作难度大、比较浪费时间。
发明内容
本发明的目的是针对现有墙面监测系统存在的不足，提供一种基于红外测距的墙面监测方法。该方法应用范围广、精确度高，解决普通墙面监测系统测试面积小的技术问题，本发明的另一个目的在于提供一种基于红外测距的墙面监测系统，使用无人机携带的激光测距仪按照飞行路径，根据飞行步长控制激光测距仪测量无人机至墙面的距离。
本发明的优点在于：对于墙面垂直平整度或顺直度的测量大大提高了传统工作效力，大大降低了对数据采集的经济和时间代价。
对于一些特定环境有着明显的优势如复杂的异形结构、山区，水流，人们难以达到的区域更能体现本创新的工作效益和成本效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于红外测距的墙面监测方法，包括以下步骤：
S1.驱动标线仪沿与墙面底部垂直距离为Z的直线L，平行于水平面平移，所述标线仪每次移动步长a便停止，直至接收到平移信号，当标线仪平移总行程为D时，驱动所述标线仪沿直线L反向按步长a和总行程D平移，标线仪平移的起点和终点分别正对于所述墙面的两侧宽边，所述墙面宽度为D，在标线仪平移过程中标线仪发射的激光标线垂直于水平面且平行于墙面；
S2.驱动无人机升高到距地面高度为yj的飞行水平面，沿步骤S1的方向水平飞行，直到无人机检测到标线仪位于无人机正下方，且无人机处于水平位置，控制无人机启动激光测距仪测量无人机一侧与墙面高度为yj处的距离zi，存储采集的数据集
Figure GDA0002956289640000031
距离zi、高度yj、基长xi，基长xi为标线仪距起点的水平距离；
S3.每完成一次数据集
Figure GDA0002956289640000033
采集，无人机向标线仪广播平移信号，直至无人机平移总行程为D时，改变一次所述飞行水平面的高度，再驱动所述无人机在升高或降低后的飞行水平面上沿步骤S2的反方向跟随标线仪水平飞行，并测量、存储采集的数据集
Figure GDA0002956289640000036
每次改变所述飞行水平面的高度值为b，直至所述飞行水平面距地面的垂直最大高度差为B，其中最大高度差B大于或等于所述墙面的高度H；
S4.将步骤S1～S3获得所有数据集
Figure GDA0002956289640000035
转变为三维矩阵：
Figure GDA0002956289640000032
再将三维矩阵变为三维矢量图；
i表示平移的次序，j表示垂直升降的次序，i<m，m＝D/a，i mod m＝c，基长xi＝c×a，mod表示取余数。
优选地，步骤S2和步骤S3中还包括无人机沿步骤S1的方向水平飞行的步骤：
T1.当无人机通过倾角传感器采集到处于水平时，调整无人机飞行姿态至布置在无人机机腹的光栅传感器垂直于所述墙面，再通过光栅传感器接收所述标线仪发射的激光标线，测量所述激光标线在所述光栅传感器的位置d，若所述位置d相对于所述光栅传感器的中心偏移，则驱动无人机沿垂直于墙面的方向飞行直至位置d处于光栅传感器的中心，所述光栅传感器为长条形；
T2.无人机通过布置在机腹相机采集下方的图像，当所述标线仪出现在图像中，且距图像中心距离低于阈值时，无人机停止步骤S2或S3中的水平飞行；
T3.重复步骤T1～T2，直至位置d处于光栅传感器的中心，且所述图像中标线仪距图像中心距离低于阈值。
一种基于红外测距的墙面监测系统，包括无人机、标线仪、标线仪移动装置、上位机，
所述标线仪移动装置用于在距离墙面Z处平行于墙面水平平移所述标线仪，并向无人机广播所述标线仪距所述标线仪移动装置平移标线仪的起始位置的基长xi，同时接收无人机发出的平移信号，操控标线仪平移，所述标线仪用于在距离墙面Z处平行于墙面发射垂直于水平面的激光标线；
所述无人机机腹安装有CCD相机和长条形光栅传感器，无人机面向墙面的一侧安装有激光测距仪，光栅传感器平行于激光测距仪的轴线方向，高度测量仪用于测量无人机的飞行高度yj，激光测距仪用于测量无人机面向墙面的一侧到墙面距离zi，光栅传感器用于测量无人机相对激光标线的位置d，CCD相机用于采集无人机下方图像，所述无人机和标线仪移动装置还安装有用于传输基长xi和平移信号的无线通讯模块，所述无人机还安装有用于测量无人机飞行姿态的电子罗盘和倾角测量仪、用于控制无人机飞行调整水平度和飞行方向和飞行步长和飞行高度的飞行控制器、用于处理图像并判断图像中标线仪距离图像中心距离的图像处理器、用于控制CCD相机和光栅传感器和激光测距仪进行测量的测量控制器、用于存储距离zi和高度yj和基长xi的存储器；
上位机，用于读取存储器中的数据。
本发明的有益效果如下：
无人机在所述飞行平面按步长a飞行时，能保证无人机的每个测量点都在所述的飞行平面内；且每个每次利用激光测距仪测量无人机距墙面的距离时，无人机都相对于标线仪投影的竖直平面固定距离，
利用系统控制程序规划监测路线，采用激光测距仪测距，精确度高，可覆盖整个墙面，有效监测整个墙面，提高了墙面监测的整体准确率。
操控无人机进行监测，使用方便灵活，节约人力成本。
系统将三维矩阵的数据变为三维矢量图，用于表示墙面的平直度，使监测数据更加形象易懂。
本发明克服了普通监测系统测试面积小，精确度低，不能反映整体墙面的建筑质量等技术问题。本发明具有应用范围广、精确度高和使用方便的优点。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的工作示意图；
图3为本发明的红外测距点示意图；
图4为本发明的系统示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明提供了一种基于红外测距的墙面监测方法，步骤如下，
1.先驱动标线仪沿与墙面底部垂直距离为Z的直线L，平行于水平面平移，所述标线仪每次移动步长a便停止，直至接收到平移信号，在标线仪平移过程中标线仪发射的激光标线垂直于水平面且平行于墙面；
2.再驱动无人机升高到距地面高度为y1的飞行水平面，沿步骤1的方向水平飞行，直到无人机检测到标线仪位于无人机正下方，且无人机处于水平位置，控制无人机启动激光测距仪测量无人机一侧与墙面高度为y1处的距离z1，存储采集的数据集
Figure GDA0002956289640000075
距离z1、高度y1、基长x1，基长x1为标线仪距起点的水平距离；
3.每完成一次数据集
Figure GDA0002956289640000072
采集，无人机向标线仪广播平移信号，然后驱动标线仪按照步骤1平移后停止，平移距离为步长a，重复步骤2存储采集的数据集
Figure GDA0002956289640000076
获取距离zi、高度y1、基长xi，直至标线仪、无人机平移总行程为D时；
4.驱动标线仪沿步骤1的反方向按步长a和总行程D平移，标线仪平移的起点和终点分别正对于所述墙面的两侧宽边，所述墙面宽度为D；
5.改变一次无人机的飞行水平面的高度为y2，沿步骤4的方向跟随标线仪水平平移，直到无人机检测到标线仪位于无人机正下方，且无人机处于水平位置，控制无人机启动激光测距仪测量无人机一侧与墙面等高处的距离zi，存储采集的数据集
Figure GDA0002956289640000077
无人机存储距离zi、高度y2、基长xi；
6.然后驱动标线仪按照步骤4平移后停止，平移距离为步长a，重复步骤5存储采集的数据集
Figure GDA0002956289640000084
直至标线仪方向移动总行行程为D；
7.重复步骤1～6，直至无人机的飞行高度大于墙面的高度h；
8.将步骤1～7存储采集的所有数据集
Figure GDA0002956289640000083
转变为三维矩阵：
Figure GDA0002956289640000081
再将三维矩阵变为三维矢量图；
i表示平移的次序，j表示垂直升降的次序，i<m，m＝D/a，i mod m＝c，基长xi＝c×a，mod表示取余数。
步骤2和步骤4中还包括无人机沿步骤1的方向水平飞行的步骤：
T1.当无人机通过倾角传感器采集到处于水平时，调整无人机飞行姿态至布置在无人机机腹的光栅传感器垂直于所述墙面，再通过光栅传感器接收所述标线仪发射的激光标线，测量所述激光标线在所述光栅传感器的位置d，若所述位置d相对于所述光栅传感器的中心偏移，则驱动无人机沿垂直于墙面的方向飞行直至位置d处于光栅传感器的中心，所述光栅传感器为长条形；
T2.无人机通过布置在机腹相机采集下方的图像，当所述标线仪出现在图像中，且距图像中心距离低于阈值时，无人机停止步骤S2或S3中的水平飞行；
T3.重复步骤T1～T2，直至位置d处于光栅传感器的中心，且所述图像中标线仪距图像中心距离低于阈值。
如图4，一种基于红外测距的墙面监测系统，所述墙面监测系统包括无人机1、标线仪2、标线仪移动装置3，上位机4，所述无人机机腹安装有CCD相机11和长条形光栅传感器12，无人机面向墙面的一侧安装有激光测距仪13，光栅传感器平行于激光测距仪的轴线方向，由现有技术可知，无人机内还安装有电子罗盘、倾角传感器、高度测量仪14、存储器、飞行控制器、测量控制器、飞行驱动器、第一无线通讯模块和图像处理器，激光测距仪、存储器、第一无线通讯模块、飞行控制器信号连接测量控制器，CCD相机信号连接图像处理器，图像处理器、电子罗盘、倾角传感器、光栅传感器、高度测量仪信号连接飞行控制器，第一无线通讯模块还和飞行控制器信号连接，飞行控制器信号连接飞行驱动器；
标线仪2布置在标线仪移动装置3上，所述标线仪移动装置在距离墙面Z处平行于墙面水平布置，所述标线仪移动装置内安装有步进电机、驱动控制器、编码器、第二无线通讯模块，编码器监视步进电机运动，用于测量标线仪在标线仪移动装置上相对于起点的基长xi，基长xi为标线仪距起点的水平距离，编码器与驱动控制器信号连接，驱动控制器信号连接第二无线通讯模块和步进电机，分别用于将基长xi通过第二无线通讯模块发送给第一无线通讯模块和控制步进电机运动；
CCD相机连接图像处理器，通过飞行控制器、第一无线通讯模块将平移信号发送给第二无线通讯模块，再传输给驱动控制器，用于驱动标线仪移动装置平移标线仪；
上位机4，用于读取无人机存储的数据集
Figure GDA0002956289640000103
将数据集
Figure GDA0002956289640000102
转变为三维矩阵，再将三维矩阵变为三维矢量图。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和认识，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于红外测距的墙面监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.驱动标线仪沿与墙面底部垂直距离为Z的直线L，平行于水平面平移，所述标线仪每次移动步长a便停止，直至接收到平移信号，在标线仪平移过程中标线仪发射的激光标线垂直于水平面且平行于墙面；
S2.驱动无人机升高到距地面高度为y1的飞行水平面，沿步骤S1的方向水平飞行，直到无人机检测到标线仪位于无人机正下方，且无人机处于水平位置，控制无人机启动激光测距仪测量无人机一侧与墙面高度为y1处的距离z1，存储采集的数据集
Figure FDA0002956289630000011
距离z1、高度y1、基长x1，基长x1为标线仪距起点的水平距离；
S3.每完成一次数据集
Figure FDA0002956289630000012
采集，无人机向标线仪广播平移信号，然后驱动标线仪按照步骤S1平移后停止，平移距离为步长a，重复步骤S2存储采集的数据集
Figure FDA0002956289630000013
获取距离zi、高度y1、基长xi，直至标线仪、无人机平移总行程为D时；
S4.驱动标线仪沿步骤S1的反方向按步长a和总行程D平移，标线仪平移的起点和终点分别正对于所述墙面的两侧宽边，所述墙面宽度为D；
S5.改变一次所述飞行水平面的高度为y2，沿步骤S4的方向跟随标线仪水平平移，直到无人机检测到标线仪位于无人机正下方，且无人机处于水平位置，控制无人机启动激光测距仪测量无人机一侧与墙面等高处的距离zi，存储采集的数据集
Figure FDA0002956289630000021
无人机存储距离zi、高度y2、基长xi；
S6.然后驱动标线仪按照步骤S4平移后停止，平移距离为步长a，重复步骤5存储采集的数据集
Figure FDA0002956289630000022
直至标线仪、无人机平移总行行程为D；
S7.重复步骤S1～S6，直至无人机的飞行高度大于墙面的高度h；
S8.将步骤S1～S7获得所有数据集
Figure FDA0002956289630000023
转变为三维矩阵：
Figure FDA0002956289630000024
再将三维矩阵变为三维矢量图；
i表示平移的次序，j表示垂直升降的次序，i<m，m＝D/a，i mod m＝c，基长xi＝c×a，mod表示取余数。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，步骤S2和步骤S3中还包括无人机沿步骤S1的方向水平飞行的步骤：
T1.当无人机通过倾角传感器采集到处于水平时，调整无人机飞行姿态至布置在无人机机腹的光栅传感器垂直于所述墙面，再通过光栅传感器接收所述标线仪发射的激光标线，测量所述激光标线在所述光栅传感器的位置d，若所述位置d相对于所述光栅传感器的中心偏移，则驱动无人机沿垂直于墙面的方向飞行直至位置d处于光栅传感器的中心，所述光栅传感器为长条形；
T2.无人机通过布置在机腹相机采集下方的图像，当所述标线仪出现在图像中，且距图像中心距离低于阈值时，无人机停止步骤S2或S3中的水平飞行；
T3.重复步骤T1～T2，直至位置d处于光栅传感器的中心，且所述图像中标线仪距图像中心距离低于阈值。
3.一种基于红外测距的墙面监测系统，包括无人机、标线仪、标线仪移动装置、上位机，其特征在于，
所述标线仪移动装置用于在距离墙面Z处平行于墙面水平平移所述标线仪，并向无人机广播所述标线仪距所述标线仪移动装置平移标线仪的起始位置的基长xi，同时接收无人机发出的平移信号，操控标线仪平移，所述标线仪用于在距离墙面Z处平行于墙面发射垂直于水平面的激光标线；
所述无人机机腹安装有CCD相机和长条形光栅传感器，无人机面向墙面的一侧安装有激光测距仪，光栅传感器平行于激光测距仪的轴线方向，高度测量仪用于测量无人机的飞行高度yj，激光测距仪用于测量无人机面向墙面的一侧到墙面距离zi，光栅传感器用于测量无人机相对激光标线的位置d，CCD相机用于采集无人机下方图像，所述无人机和标线仪移动装置还安装有用于传输基长xi和平移信号的无线通讯模块，所述无人机还安装有用于测量无人机飞行姿态的电子罗盘和倾角测量仪、用于控制无人机飞行调整水平度、飞行方向、飞行步长和飞行高度的飞行控制器、用于处理图像并判断图像中标线仪距离图像中心距离的图像处理器、用于控制CCD相机、光栅传感器和激光测距仪进行测量的测量控制器、用于存储距离zi、高度yj和基长xi的存储器；
上位机，用于读取存储器中的数据。
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