CN110988871B - 一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法 - Google Patents

一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法，该检测系统包括：穿墙雷达，用来对高层建筑物外墙进行扫描，并通过采集的回波数据对墙体进行成像分析；无人机单元，用来搭载穿墙雷达并绕高层建筑物外墙进行飞行，并回传位置、姿态信号至地面站；地面站，用来对无人机单元的飞行路线进行规划、对飞行状态进行调整，并接受穿墙雷达和无人机单元的回传数据进行分析，完成对高层建筑墙体健康的检测。该检测方法主要基于上述检测系统来实施。本发明具有结构简单、操作简便、自动化程度高、检测效果好等优点。

Description

一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检 测方法
技术领域
本发明主要涉及到建筑物健康状态检测技术领域，特指一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法。
背景技术
近年来，全国各地高层建筑物墙体脱落事件时有发生，严重威胁人民群众生命财产安全，引起政府、群众、社会媒体的广泛关注。就目前来说，运用于建筑物外墙检测的方法主要有目测法、敲击法、超声脉冲法以及热红外成像检测。
目测法适用于鉴定分析的一般性建筑物和结构物，对于高层建筑物外墙来说，目测法并不现实.目测法通常是聘用经验比较丰富的师傅通过肉眼来观察建筑物的墙体状况，由于肉眼的可视范围有限，因此该方法只适用于鉴定分析的一般性建筑物和结构物，对于高层建筑物外墙来说，目测法并不现实。
超声脉冲法利用超声波遇到由声阻抗不同的介质构成的界面时，将会发生反射的原理，来实现对墙体的检测，但是由于混凝土对超声的强吸收问题、骨料对超声的散射问题、超声的耦合问题、强噪声下弱信号的提取问题和各向异性问题等，限制了超声脉冲法在工程上应用于检测墙体外侧的健康状况。
敲击法是通过在建筑物外墙铺设大量的带有传感器的线路来对建筑物外墙的健康状况进行检测，由于对高层建筑物外墙铺设线路实施难度大且耗时很长，同时因为线路要尽可能的覆盖建筑物外墙，其成本也是巨大的，因此使用该方法来实现对高层建筑物外墙健康状况的检测也是不现实的。
热红外成像检测可以有效地检测建筑物外墙，但是由于红外线的作用距离比较短，但是对于高层建筑物外墙来说也难以实现。
因此，急需一种既简单高效且低成本、快速的高层建筑物外墙健康状况检测系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、操作简便、自动化程度高、检测效果好的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统，其包括：
穿墙雷达，用来对高层建筑物外墙进行扫描，并通过采集的回波数据对墙体进行成像分析；
无人机单元，用来搭载穿墙雷达并绕高层建筑物外墙进行飞行，并回传位置、姿态信号至地面站；
地面站，用来对无人机单元的飞行路线进行规划、对飞行状态进行调整，并接受穿墙雷达和无人机单元的回传数据进行分析，完成对高层建筑墙体健康的检测。
作为本发明系统的进一步改进：所述穿墙雷达包括脉冲源模块、电源模块、时序控制模块、接收机、收发天线模块、数字采集模块以及数据存储模块；所述脉冲源模跟时序控制模块用于产生一定周期的脉冲信号，所述电源模块用来给穿墙雷达中的所有模块供电，所述收发天线模块分别用来接收和发送电磁波，所述接收机用于处理接收收发天线模块中接收天线接收的电磁波，所述数字采集模块用于读出接收机中的雷达数据，所述数据存储模块用于读取出数字采集模块中的雷达数据并在数据采集结束后用于地面站分析墙体健康状况。
作为本发明系统的进一步改进：所述无人机单元包括无人机主体、飞行控制模块、定位模块、惯性导航测量模块、电源模块、动力装置、实时图传模块以及数传模块；所述定位模块用于提供无人机的位置信息，所述惯导导航测量模块用于采集无人机的飞行状态数据，用于无人机的航线规划以及健康程度判断时对有关数据的筛选以及路线数据在二维平面的定位，所述飞行控制模块用来接收来自地面站的飞行路线规划模块的信息，结合自身定位数据以及惯导数据来调整飞行姿态以及飞行路线，所述实时图传模块用来观测无人机执行任务时周围的环境，应对紧急情况的发生，所述数传模块用于传送无人机实时位置数据与惯导数据到地面站，所述电源模块用来给动力装置供电为无人机产生动力。
作为本发明系统的进一步改进：所述地面站包括电源模块、显示模块、离线健康检测分析模块、无人机飞行路线规划模块以及数据收发模块，所述显示模块用于显示非健康区域的位置信息以及不健康状况，所述离线健康检测分析模块用于读取并处理雷达数据存储模块中的数据，并结合无人机回传的惯导数据去除一部分无用信息，同时利用无人机的位置数据来对非健康墙体在建立的二维模型中进行定位，所述无人机飞行路线规划模块用来解算无人机惯导数据以及位置数据，实时监控无人机的飞行状态使其按照该部分规划的路线行驶，所述数据收发模块用于跟无人机单元进行通信以及数据的收发。
作为本发明系统的进一步改进：所述数据收发模块使用长波通信，或者使用3G、4G、5G移动网络，用于无人机单元与地面站之间的相互通信和数据收发。
本发明进一步提供一种基于上述检测系统的检测方法，其包括：
步骤S1：系统初始化；无人机单元以及地面站进行初始化，无人机单元由地面站附近启动升空，按照预先设定路线沿建筑物外墙保持安全距离飞至建筑物附近；
步骤S2：建筑物墙体建模；
步骤S3：无人机航线规划；
步骤S4：墙体回波数据采集与存储；
步骤S5：墙体健康离线状况分析。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，若具备建筑物具体参数的话，依据图纸将具体数据输入地面站的离线健康检测分析模块对建筑物外墙进行二维建模，并且在模型中去除非预设区域；若只具备基本的建筑物数据，结合无人机单元的实时图传模块，控制无人机单元飞至建筑物某一面外墙的左上、左下、右上、右下四个顶点处，并且将这四处位置无人机单元的位置数据传回地面站，再根据建筑物的参数在地面站中建立建筑物外墙的二维坐标模型，按照此步骤，依次对建筑物的所有外墙进行建模。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，地面站根据无人机单元初始化时传回给地面站的位置数据、天线的辐射角∝以及穿墙雷达距离墙壁的距离L，根据公式算出穿墙雷达在墙面上探测区域的半径求得穿墙雷达每次在墙壁上的探测区域的面积S＝π*R2，规定无人机单元每次横向移动的距离为/>对建筑物外墙实行“Z”字形扫描方式，即当无人机单元完成一次水平方向上的扫描以后，不用返回到当前次水平扫描的起点，直接在垂直方向上移动/>通过地面站对无人机单元的飞行路线进行规划，地面站依据接收到的位置数据以及惯导数据，结合步骤S2中获得的墙体的二维模型，对无人机单元的飞行轨迹进行实时监控使其按照预定路线飞行。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4中，穿墙雷达通过脉冲源产生脉冲信号，然后经过时序控制模块使其到达天线的信号为一定时间间隔的脉冲信号，利用收发天线模块的发射天线向墙体辐射电磁波，使用接收天线接收来自墙体以及墙体内空洞的反射波，然后在接收机的一端连接一块数字采集卡，通过该数据采集卡采集来自接收机的数据，然后传送到穿墙雷达的数据存储模块。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5中，所述地面站读取穿墙雷达内的雷达数据并根据无人机单元的位置数据以及惯导数据对数据进行筛选，然后将数据通过与预先采集的数据而建立的评判标准相对比，确定墙体的健康程度，并根据无人机单元的位置数据以及步骤S2中建立的建筑物墙体模型，将非健康墙体区域利用坐标系定位，并在地面站的本地显示模块中标记出来。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法，首先可以使用雷达对建筑物外墙进行精确的测量，其次，利用无人机搭载雷达对建筑物外墙进行扫描可以缩短时间上的开销，通过对建筑物建模，再结合无人机的GPS数据和惯导数据，可以很快地对存在安全隐患的墙体区域进行定位，进行维修，大大降低了检测的成本跟时间，并且该系统灵活性高，能适应多种墙体的检测。
2、本发明的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法，主要涉及高层建筑物外墙墙体健康状况的检测与判别，通过无人机搭载穿墙雷达进行高层建筑物墙体健康状况检测，主要适用于城市高层建筑物的外部墙体检测。
3、本发明的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法，可以灵活地检测墙体有问题的区域，较以往其他方法来说，实现相对容易，并且操作难度低，易于应用到工程实践当中。
4、本发明的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统及检测方法，较目测法、超声波脉冲探测法来说精度更高，即可以更加准确地识别建筑物外墙体非健康区域，而且速度较快。
附图说明
图1是本发明检测系统的结构原理示意图。
图2是本发明在具体应用实例中应用场景的示意图。
图3是本发明在具体应用实例中穿墙雷达的结构原理示意图。
图4是本发明检测方法的处理流程示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统，包括：
穿墙雷达100，所述穿墙雷达100包括脉冲源模块110(UWB脉冲源)、电源模块120、时序控制模块130、接收机140、收发天线模块150、数字采集模块160以及数据存储模块170；其中，脉冲源模,110跟时序控制模块130用于产生一定周期的脉冲信号，电源模块120用来给雷达中的所有模块供电，收发天线模块150分别用来接收和发送电磁波，接收机140用于处理接收收发天线模块150中接收天线接收的电磁波，数字采集模块160用于读出接收机140中的雷达数据，数据存储模块170用于读取出数字采集模块160中的雷达数据并在数据采集结束后用于地面站300分析墙体健康状况；
无人机单元200，包括无人机主体210、飞行控制模块220、定位模块230(如GPS定位)、惯性导航测量模块240、电源模块250(如电池)、动力装置260、实时图传模块280以及数传模块270；其中，在具体应用中，无人机主体210为翼展为1m的四旋翼无人机机架，GPS定位模块230用于提供无人机的位置信息，惯导导航测量模块240用于采集无人机的飞行状态数据，用于无人机的航线规划以及健康程度判断时对有关数据的筛选以及路线数据在二维平面的定位，飞行控制模块220用来接收来自地面站300的飞行路线规划模块的信息，结合自身GPS数据以及惯导数据来调整飞行姿态以及飞行路线，实时图传模块280用来观测无人机执行任务时周围的环境，应对紧急情况的发生，数传模块270用于传送无人机实时GPS数据与惯导数据到地面站300，电源模块250用来给动力装置供电为无人机产生动力。
地面站300，包括电源模块350、显示模块310、离线健康检测分析模块320(如计算处理模块)、无人机飞行路线规划模块330以及数据收发模块340，其中，显示模块310为一块中型液晶显示屏，用于显示非健康区域的位置信息以及不健康状况，离线健康检测分析模块320用于读取并处理雷达数据存储模块中的数据，并结合无人机回传的惯导数据去除一部分无用信息，同时利用无人机的GPS数据来对非健康墙体在建立的二维模型中进行定位，无人机飞行路线规划模块330解算无人机惯导数据以及GPS数据，实时监控无人机的飞行状态使其按照该部分规划的路线行驶，数据收发模块340用于跟无人机单元200进行通信以及相关数据的收发。其中，所述数据收发模块340使用长波通信，也可以使用3G或者4G移动网络，用于无人机单元200与地面站300之间的相互通信和数据收发。
参见图4，并结合图1-图3，本发明的一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：系统初始化；
无人机单元200以及地面站300进行初始化，无人机单元200由地面站300附近启动升空，按照地面站300的无人机飞行路线规划模块330里预先设定路线沿建筑物外墙保持安全距离飞至建筑物最高处，此期间不断检测无人机单元200与地面站300的连接情况，保证无人机单元200在执行任务期间能正确执行地面站300指令，并且检测无人机单元的实时图传模块280工作状况以及与地面站300之间通信是否良好，以应对执行任务期间的突发状况。
步骤S2：建筑物墙体建模；
在系统初始化完成后，若合作方能提供建筑物的建筑的设计图等具备建筑物各具体参数的话，只需依据图纸将具体数据输入地面站300的离线健康检测分析模块320，对建筑物外墙进行二维建模，并且在模型中去除玻璃、金属等材质的区域。
若合作方只能提供基本的建筑物数据(如建筑物高度、宽度等)，则需要结合无人机单元200的实时图传模块280，地面站300控制无人机单元200飞至建筑物某一面外墙的左上、左下、右上、右下四个顶点处，并且将这四处位置无人机单元的GPS数据传回地面站300，再根据合作方提供的建筑物的相关参数(高度，外墙宽度等)，在地面站300的离线健康检测分析模块320中建立建筑物外墙的二维坐标模型，按照此步骤，依次对建筑物的所有外墙进行建模，以便于离线分析。
步骤S3：无人机航线规划；
所述地面站300根据无人机单元200初始化时传回给地面站300的GPS数据、天线的辐射角∝以及穿墙雷达100距离墙壁的距离L，根据公式可以推算出穿墙雷达100在墙面上探测区域的半径于是求得穿墙雷达100每次在墙壁上的探测区域的面积S＝π*R2，为了保证穿墙雷达100对整个高层建筑物外墙实现100％的扫描，规定无人机单元200每次横向移动的距离为/>对建筑物外墙实行“Z”字形扫描方式，即当无人机单元200完成一次水平方向上的扫描以后，不用返回到当前次水平扫描的起点，直接在垂直方向上移动/>在预知建筑物外墙的高度，宽度等具体数值以后，通过地面站300的无人机飞行路线规划模块330对无人机单元200的飞行路线进行规划，地面站300依据接收到的GPS数据以及惯导数据，结合步骤S2中获得的墙体的二维模型，对无人机单元200的飞行轨迹进行实时监控使其按照预定路线飞行。
步骤S4：墙体回波数据采集与存储；
所述穿墙雷达100通过UWB脉冲源产生脉冲信号，然后经过时序控制模块130使其到达天线的信号为时间间隔为2ms的脉冲信号，利用收发天线模块150的发射天线向墙体辐射电磁波，使用接收天线接收来自墙体以及墙体内空洞的反射波，然后在接收机140的一端连接一块高速数字采集卡，通过该高速数据采集卡采集来自接收机的数据，然后传送到穿墙雷达100的数据存储模块170。
步骤S5：墙体健康离线状况分析；
所述地面站300中的离线健康检测分析模块320读取穿墙雷达100中数据存储模块170内的雷达数据并根据无人机单元200的GPS数据以及惯导数据对数据进行筛选，然后将数据通过与预先采集的数据而建立的评判标准相对比，确定墙体的健康程度，并根据无人机单元200的GPS数据以及步骤S2中建立的建筑物墙体模型，将非健康墙体区域利用坐标系定位，并在地面站300的本地显示模块310中标记出来。
在具体应用实例中，在步骤S1中，本发明根据实际需要可以采用卡尔曼滤波方法对惯性导航测量模块240的信息进行解算来获取无人机的飞行姿态，以此在步骤S4中进行墙体健康状况判别时去除一部分因无人机单元200飞行不稳定而产生较大偏差的数据。
在具体应用实例中，在步骤S4中数据存储模块170跟高速数字采集模块160之间采用USB2.0进行通信，在步骤S5中离线健康检测分析模块320读取数据存储模块170仍采用USB2.0接口。
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润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统，其特征在于，包括：
穿墙雷达，用来对高层建筑物外墙进行扫描，并通过采集的回波数据对墙体进行成像分析；
无人机单元，用来搭载穿墙雷达并绕高层建筑物外墙进行飞行，并回传位置、姿态信号至地面站；
地面站，用来对无人机单元的飞行路线进行规划、对飞行状态进行调整，并接受穿墙雷达和无人机单元的回传数据进行分析，完成对高层建筑墙体健康的检测；
若具备建筑物具体参数的话，依据图纸将具体数据输入地面站的离线健康检测分析模块对建筑物外墙进行二维建模，并且在模型中去除非预设区域；若只具备基本的建筑物数据，结合无人机单元的实时图传模块，控制无人机单元飞至建筑物某一面外墙的左上、左下、右上、右下四个顶点处，并且将这四处位置无人机单元的位置数据传回地面站，再根据建筑物的参数在地面站中建立建筑物外墙的二维坐标模型，按照此步骤，依次对建筑物的所有外墙进行建模；
地面站根据无人机单元初始化时传回给地面站的位置数据、天线的辐射角以及穿墙雷达距离墙壁的距离L，根据公式算出穿墙雷达在墙面上探测区域的半径/>，求得穿墙雷达每次在墙壁上的探测区域的面积/>，规定无人机单元每次横向移动的距离为/>，对建筑物外墙实行“Z”字形扫描方式，即当无人机单元完成一次水平方向上的扫描以后，不用返回到当前次水平扫描的起点，直接在垂直方向上移动/>；通过地面站对无人机单元的飞行路线进行规划，地面站依据接收到的位置数据以及惯导数据，结合上述步骤中获得的墙体的二维模型，对无人机单元的飞行轨迹进行实时监控使其按照预定路线飞行。
2.根据权利要求1所述的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统，其特征在于，所述穿墙雷达包括脉冲源模块、电源模块、时序控制模块、接收机、收发天线模块、数字采集模块以及数据存储模块；所述脉冲源模跟时序控制模块用于产生一定周期的脉冲信号，所述电源模块用来给穿墙雷达中的所有模块供电，所述收发天线模块分别用来接收和发送电磁波，所述接收机用于处理接收收发天线模块中接收天线接收的电磁波，所述数字采集模块用于读出接收机中的雷达数据，所述数据存储模块用于读取出数字采集模块中的雷达数据并在数据采集结束后用于地面站分析墙体健康状况。
3.根据权利要求1所述的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统，其特征在于，所述无人机单元包括无人机主体、飞行控制模块、定位模块、惯性导航测量模块、电源模块、动力装置、实时图传模块以及数传模块；所述定位模块用于提供无人机的位置信息，所述惯导导航测量模块用于采集无人机的飞行状态数据，用于无人机的航线规划以及健康程度判断时对有关数据的筛选以及路线数据在二维平面的定位，所述飞行控制模块用来接收来自地面站的飞行路线规划模块的信息，结合自身定位数据以及惯导数据来调整飞行姿态以及飞行路线，所述实时图传模块用来观测无人机执行任务时周围的环境，应对紧急情况的发生，所述数传模块用于传送无人机实时位置数据与惯导数据到地面站，所述电源模块用来给动力装置供电为无人机产生动力。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统，其特征在于，所述地面站包括电源模块、显示模块、离线健康检测分析模块、无人机飞行路线规划模块以及数据收发模块，所述显示模块用于显示非健康区域的位置信息以及不健康状况，所述离线健康检测分析模块用于读取并处理雷达数据存储模块中的数据，并结合无人机回传的惯导数据去除一部分无用信息，同时利用无人机的位置数据来对非健康墙体在建立的二维模型中进行定位，所述无人机飞行路线规划模块用来解算无人机惯导数据以及位置数据，实时监控无人机的飞行状态使其按照该部分规划的路线行驶，所述数据收发模块用于跟无人机单元进行通信以及数据的收发。
5.根据权利要求4所述的无人机载穿墙雷达高层建筑墙体健康离线检测系统，其特征在于，所述数据收发模块使用长波通信，或者使用3G、4G、5G移动网络，用于无人机单元与地面站之间的相互通信和数据收发。
6.一种基于上述权利要求1-5中任意一项检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：系统初始化；无人机单元以及地面站进行初始化，无人机单元由地面站附近启动升空，按照预先设定路线沿建筑物外墙保持安全距离飞至建筑物附近；
步骤S2：建筑物墙体建模；若具备建筑物具体参数的话，依据图纸将具体数据输入地面站的离线健康检测分析模块对建筑物外墙进行二维建模，并且在模型中去除非预设区域；若只具备基本的建筑物数据，结合无人机单元的实时图传模块，控制无人机单元飞至建筑物某一面外墙的左上、左下、右上、右下四个顶点处，并且将这四处位置无人机单元的位置数据传回地面站，再根据建筑物的参数在地面站中建立建筑物外墙的二维坐标模型，按照此步骤，依次对建筑物的所有外墙进行建模；
步骤S3：无人机航线规划；
步骤S4：墙体回波数据采集与存储；
步骤S5：墙体健康离线状况分析；
所述步骤S3中，地面站根据无人机单元初始化时传回给地面站的位置数据、天线的辐射角以及穿墙雷达距离墙壁的距离L，根据公式算出穿墙雷达在墙面上探测区域的半径，求得穿墙雷达每次在墙壁上的探测区域的面积/>，规定无人机单元每次横向移动的距离为/>，对建筑物外墙实行“Z”字形扫描方式，即当无人机单元完成一次水平方向上的扫描以后，不用返回到当前次水平扫描的起点，直接在垂直方向上移动；通过地面站对无人机单元的飞行路线进行规划，地面站依据接收到的位置数据以及惯导数据，结合步骤S2中获得的墙体的二维模型，对无人机单元的飞行轨迹进行实时监控使其按照预定路线飞行。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，穿墙雷达通过脉冲源产生脉冲信号，然后经过时序控制模块使其到达天线的信号为一定时间间隔的脉冲信号，利用收发天线模块的发射天线向墙体辐射电磁波，使用接收天线接收来自墙体以及墙体内空洞的反射波，然后在接收机的一端连接一块数字采集卡，通过该数据采集卡采集来自接收机的数据，然后传送到穿墙雷达的数据存储模块。
8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述地面站读取穿墙雷达内的雷达数据并根据无人机单元的位置数据以及惯导数据对数据进行筛选，然后将数据通过与预先采集的数据而建立的评判标准相对比，确定墙体的健康程度，并根据无人机单元的位置数据以及步骤S2中建立的建筑物墙体模型，将非健康墙体区域利用坐标系定位，并在地面站的本地显示模块中标记出来。
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