CN111207728A - 一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,包括无人机本体,还包括:飞行控制系统,维持无人机飞行稳定以及接收响应无线传输的指令并完成相应操作。优点在于:通过对待测量的边坡区域进行三维建模与可视化表达实现计算出土方量的重要前提,利于机动灵活的低空无人机搭载数码相机获取了边坡序列影像,依据计算机视觉原理生成了边坡体稠密三维点云,实现了边坡体三维数字模型制作,该技术可快速构建边坡精细地形,有效降低了作业成本和劳动强度,克服了传统单点测量方式以点带面的局限性,生成的三维模型可全面表达边坡整体形体和局部细节特征,使边坡测量的更为准确,填挖土方的位置以及土方量的大小可完美解决。
Description
技术领域
本发明涉及土石方工程技术领域,尤其涉及一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备。
背景技术
地球表面到处存在着或高或低的坡地及其边坡,在土建项目中,经常遇到路堑开挖、大型场地平整、边坡治理基坑开挖等需要填挖土方的问题,这就需要确定边坡填挖土方量。土方量的计算是工程施工中的一个重要步骤,它是工程费用概算及方案优选的重要因素,也是工程设计的一个重要组成部分,直接关系到工程造价。
在目前的边坡土方量计算中,常用的是断面法等传统人工计算方法,或者基于土方计算软件进行计算。利用不同计算方法得到的计算结果差别也较大,存在一定的主观性,精确度也不能保证。利用土方软件计算的方法,归根结底还是对传统方法的优化和包装,操作不同时计算得到的土方量也会有差别。由于边坡一般情况下地形变化较复杂、截面也不规则,在利用现有方法计算时,其精确度就更加难以保证。还有采用传统单点测量方式,以点带面,建立三维数字模型存在误差以及较大的局限性。
为解决上述问题,我们提出了一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备。
发明内容
本发明的目的是为了解决精确度不高、传统单点测量方式,以点带面,建立三维数字模型存在误差以及较大的局限性的问题,而提出的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,包括:
飞行控制系统,维持无人机飞行稳定以及接收响应无线传输的指令并完成相应操作;
无人机定位系统,接收卫星信号并向飞行控制系统提供无人机所在位置以及方位信息;
无人机搭载相机,搭载在无人机机架上并对边坡区域进行多频次地拍照存储;
三维激光扫描系统,其与无人机控制系统连接,能够提供扫描边坡区域表面的三维点云数据,并将三维点云数据存储,所述三维激光扫描系统为三维激光扫描仪;
还包括相互连接的数据传输系统与数据存储系统,数据传输系统用于无线接收数据,数据存储系统用于接收并存储数据传输系统所发送的数据信息;
还包括计算机,用于对数据存储系统存储的数据进行处理并生成三维数字模型;
还包括与无人机控制系统连接的相机姿态调整系统和与无人机控制系统连接的相机快门控制系统,相机姿态调整系统用于调整无人机搭载相机的拍摄方向与角度,当无人机控制系统向相机快门控制系统发送一次指令后,相机快门控制系统触发拍照动作,完成一次拍照。
在上述的无人机测量边坡及基坑开挖量的设备中,还包括:
能源分配系统,用于对无人机控制系统、相机姿态调整系统、相机快门控制系统、三维激光扫描系统提供充足电能;
遥控系统,为人为遥控设备,操作人员可通过触摸屏或数字按键向无人机控制系统发送指令,无人机控制系统接收指令并响应。
在上述的无人机测量边坡及基坑开挖量的设备中,所述无人机为 8轴旋翼无人机。
在上述的无人机测量边坡及基坑开挖量的设备中,所述无人机搭载相机为松下DMC-FX75数码相机。
在上述的无人机测量边坡及基坑开挖量的设备中,所述相机姿态调整系统包括用于旋转无人机搭载相机的电机以及改变无人机搭载相机拍摄角度的电动推杆一,所述电机的输出端固定连接有无人机搭载电机,所述电机的一侧固定连接有边架,所述边架靠近电机的一侧与电动推杆一转动连接,所述电动推杆一的输出端与无人机搭载电机转动连接。
在上述的无人机测量边坡及基坑开挖量的设备中,所述相机快门控制系统包括用于按压无人机搭载相机快门的电动推杆二。
在上述的无人机测量边坡及基坑开挖量的设备中,所述相机姿态调整系统包括通过球头杆端关节轴承设置在无人机本体下端的安装杆,所述无人机搭载相机固定在安装杆的下端,所述无人机本体以安装杆为圆心周向均布有多个调节装置,所述调节装置包括关于安装杆对称固定在无人机本体下端的固定板和电动卷线轮,所述固定板上安装有自动复位卷线轮,所述电动卷线轮与自动复位卷线轮上均绕设有牵引绳,且牵引绳的另一端与安装杆固定连接。
在上述的无人机测量边坡及基坑开挖量的设备中,所述球头杆端关节轴承包括球形关节头、碗状关节臼以及填充于其中的胶状粘液,所述球形关节头与碗状关节臼相对自由转动,所述球头关节头固定在无人机本体的下端,所述碗状关节臼固定在安装杆的上端。
与现有的技术相比,本无人机测量边坡及基坑开挖量的设备的优点在于:
选定待测量的边坡区域,选用8轴旋翼无人机,搭载松下 DMC-FX75数码相机,通过遥控设备手动遥控无人机对边坡区域进行低空飞行定焦(焦距4mm)拍摄,共获取多幅不同角度的高重叠度航空影像;三维激光扫描仪依次扫描边坡区域,通过相机姿态调整系统以及相机快门控制系统调整相机的拍摄方位、拍摄角度与拍摄频次,也可将三维激光扫描仪与无人机搭载相机固定安装为一体,实现同步位置调整,并将扫描数据与拍摄图像通过数据传输系统发送至数据存储系统(计算机);对无人机影像特征点提取和高精度影像匹配;
通过对待测量的边坡区域进行三维建模与可视化表达实现计算出土方量的重要前提,利于机动灵活的低空无人机搭载数码相机获取了边坡序列影像,依据计算机视觉原理生成了边坡体稠密三维点云, 实现了边坡体三维数字模型制作,该技术可快速构建边坡精细地形,有效降低了作业成本和劳动强度,克服了传统单点测量方式以点带面的局限性,生成的三维模型可全面表达边坡整体形体和局部细节特征, 使边坡测量的更为准确,填挖土方的位置以及土方量的大小可完美解决。
附图说明
图1为本发明提出的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备通过无人机航拍的系统示意图;
图2为本发明提出的一种无人机测量边坡及基坑开挖量实施例1 的设备的结构示意图;
图3为本发明提出的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备的流程图;
图4为本发明提出的一种无人机测量边坡及基坑开挖量实施例2 的设备的结构示意图。
图中:10无人机本体、20电机、30边架、40无人机搭载相机、 50电动推杆二、60电动推杆一;100球形关节头、110碗状关节臼、 120安装杆、130电动卷线轮、140固定板、150自动复位卷线轮。
具体实施方式
以下实施例仅处于说明性目的,而不是想要限制本发明的范围。
实施例1
参照图1-3,一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,包括无人机本体10,还包括:
飞行控制系统,维持无人机飞行稳定以及接收响应无线传输的指令并完成相应操作;
无人机定位系统,接收卫星信号并向飞行控制系统提供无人机所在位置以及方位信息;
无人机搭载相机40,搭载在无人机机架上并对边坡区域进行多频次地拍照存储;
三维激光扫描系统,其与无人机控制系统连接,能够提供扫描边坡区域表面的三维点云数据,并将三维点云数据存储,三维激光扫描系统为三维激光扫描仪,三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术,是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法,大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据,可以快速、大量的采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由其具有快速性,不接触性,实时、动态、主动性,高密度、高精度,数字化、自动化等特性;
具体的,还包括相互连接的数据传输系统与数据存储系统,数据传输系统用于无线接收数据,数据存储系统用于接收并存储数据传输系统所发送的数据信息;
具体的,还包括计算机,用于对数据存储系统存储的数据进行处理并生成三维数字模型;
具体的,还包括与无人机控制系统连接的相机姿态调整系统和与无人机控制系统连接的相机快门控制系统,相机姿态调整系统用于调整无人机搭载相机40的拍摄方向与角度,当无人机控制系统向相机快门控制系统发送一次指令后,相机快门控制系统触发拍照动作,完成一次拍照。
本无人机测量边坡及基坑开挖量的设备还包括:
能源分配系统,用于对无人机控制系统、相机姿态调整系统、相机快门控制系统、三维激光扫描系统分配并提供充足电能;
遥控系统,为人为遥控设备,操作人员可通过触摸屏或数字按键或遥控手柄向无人机控制系统发送指令,无人机控制系统接收指令并响应。
具体的,无人机为8轴旋翼无人机,当然不仅仅局限于8轴旋翼无人机,还可以采用6轴、4轴旋翼无人机,前提是能够承载上述组件的重量,并能上升至一定高度且能接收信号。
具体的,无人机搭载相机40为松下DMC-FX75数码相机,还可以采用其他品牌、型号的数码相机,但必须满足拍摄需求。
具体的,相机姿态调整系统包括用于旋转无人机搭载相机40的电机20以及改变无人机搭载相机40拍摄角度的电动推杆一60,所述电机20的输出端固定连接有无人机搭载电机40,所述电机20的一侧固定连接有边架30,所述边架30靠近电机20的一侧与电动推杆一60转动连接,所述电动推杆一60的输出端与无人机搭载电机40转动连接,即可通过电机20、电动推杆60一对无人机搭载相机 40进行旋转或带动其发生倾斜,改变无人机搭载相机40的姿态。
在相机姿态调整系统中另外选用XWM3-50高精度三维电子罗盘实时测得无人机搭载相机40的俯仰角(罗盘俯仰方向与水平面夹角)、水平角(罗盘与磁北偏角)和横滚角(罗盘横滚方向与水平面夹角)。并根据罗盘数据、GPS数据和目标点坐标计算出无人机搭载相机40照准目标时的水平方位角和俯仰角,调整相机,自动照准目标。当摄像机照准某--区域时,根据相机姿态自动解算出的相机空间姿态和GPS数据,自动定位到对应的数字地图的区域。无人机本体10升空后,由于风速、风向等影响,相机的空间姿态时刻在变化着,根据罗盘、无人机搭载相机40和地面三者之间的关系实时获得相机的空间姿态, 自动控制相机照准目标及拍照。使无人机搭载相机40在拍照过程中定位、姿态调整性能更强。
具体的,相机快门控制系统包括用于按压无人机搭载相机40快门的电动推杆二50,电动推杆二50的伸缩端设置在无人机搭载相机 40快门位置,并与无人机搭载相机40固定为一体,负责按压快门,完成拍摄。
在本实施例中,利用无人机航拍来计算边坡土方量的流程如下:
1、选定待测量的边坡区域,选用8轴旋翼无人机,搭载松下 DMC-FX75数码相机,通过遥控设备手动遥控无人机对边坡区域进行低空飞行定焦(焦距4mm)拍摄,共获取多幅不同角度的高重叠度航空影像,像素大小均为2560x1920,平均地面分辨率为3cm;
2、三维激光扫描仪依次扫描边坡区域,通过相机姿态调整系统以及相机快门控制系统调整相机的拍摄方位、拍摄角度与拍摄频次,也可将三维激光扫描仪与无人机搭载相机40固定安装为一体,实现同步位置调整,并将扫描数据与拍摄图像通过数据传输系统发送至数据存储系统(计算机);
3、对无人机影像特征点提取和高精度影像匹配是运动恢复结构算法的首要步骤,具体如下:
首先,利用SIFT(Scale-Invariant Features Transform)特征提取算子对每幅无人机影像进行特征点提取;其次,利用基于K-D树的近似最邻近(Approximate NearestNeighbors,ANN)算法进行粗匹配;然后利用基于随机抽取--致性(Random SampleConsensus,RANSAC) 框架的8点算法计算基本矩阵,剔除误匹配点,建立满足对极几何约束的精匹配特征点集,完成同名特征点匹配;
最后,用稀疏光束法平差(parse Bundler Adjustment)算法逐步迭代,不断最小化投影点和观测图像点之间的重投影误差,解算出最佳相机位置、姿态和场景三维点云坐标,由于SfM算法重建得到的是场景稀疏点云,需要结合基于面片多视图立体视觉(Patch-based Multi-View Stereo,PMVS)算法进行加密处理,PMVS算法是在SfM 获取相机参数基础上,通过特征点的匹配、重建以及空间点的扩散、过滤等步骤,得到精度相对较高的稠密点云模型;
需要说明的是,目前,该领域非常有代表性和影响力的开源软件包括:Snavely等发布的Bundler,Wu Changchang的VisualSFM等,这些系统都具有全自动和鲁棒性等特点。在商业领域,如 PhotoModeler,PhotoScan等软件也集成了SfM和PMVS算法,在低空无人机摄影测量方面,市场上非常著名的商业软件是由Pix4D公司研发的无人机航空影像全自动快速处理软件Pix4Dmapper,即可将无人机影像制作成专业的二维地图和三维模型。
4、利用SfM-MVS算法进行边坡无人机影像全自动数据处理,生成三维点云模型,该模型可以形象、直观地表达边坡区域地貌特征,对精细识别和解译滑坡具有重要的指导意义,为了使边坡模型更加逼真,对逼真,对数字高程模型上的每个三角单元逐个进行纹理映射,制作了露天边坡三维数字模型,可以从图上量取边坡区域的长度、宽度、坡度高程、体积等信息,并可计算得出填挖土方量。
通过对待测量的边坡区域进行三维建模与可视化表达实现计算出土方量的重要前提,利于机动灵活的低空无人机搭载数码相机获取了边坡序列影像,依据计算机视觉原理生成了边坡体稠密三维点云, 实现了边坡体三维数字模型制作,该技术可快速构建边坡精细地形,有效降低了作业成本和劳动强度,克服了传统单点测量方式以点带面的局限性,生成的三维模型可全面表达边坡整体形体和局部细节特征, 使边坡测量的更为准确,填挖土方的位置以及土方量的大小可完美解决。
实施例2
参照图4,相机姿态调整系统包括通过球头杆端关节轴承设置在无人机本体10下端的安装杆120,无人机搭载相机40固定在安装杆 120的下端,无人机本体10以安装杆120为圆心周向均布有多个调节装置,调节装置包括关于安装杆120对称固定在无人机本体10下端的固定板140和电动卷线轮130,固定板140上安装有自动复位卷线轮150,自动复位卷线轮150为卷线轮与扭簧的配合设置实现自动复位,提高安装杆120的稳定性,电动卷线轮130与自动复位卷线轮 150上均绕设有牵引绳,且牵引绳的另一端与安装杆120固定连接。
球头杆端关节轴承包括球形关节头100、碗状关节臼110以及填充于其中的胶状粘液,胶状粘液具有润滑和阻滞作用,可调节球形关节头100的转动速度,球形关节头100与碗状关节臼110相对自由转动,球头关节头10固定在无人机本体10的下端,碗状关节臼110固定在安装杆120的上端。
需要说明的是,调节装置的数目至少为2个,或4个、6个、8 个等,也可以为奇数个,无论数目多少,其均周向分布在安装杆120 的外周壁上,调节装置的数目的多少决定无人机搭载相机40可在多个垂直面上转动。
本实施例通过设置球头杆端关节轴承、安装杆120、调节装置替代实施例1中的电机20、电动推杆等组件,球头杆端关节轴承可使无人机搭载相机40自由转动,并通过调节装置带动无人机搭载相机 40在其关于无人机本体10垂直面上自由转动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,包括无人机本体(10),其特征在于,还包括:
飞行控制系统,维持无人机飞行稳定以及接收响应无线传输的指令并完成相应操作;
无人机定位系统,接收卫星信号并向飞行控制系统提供无人机所在位置以及方位信息;
无人机搭载相机(40),搭载在无人机机架上并对边坡区域进行多频次地拍照存储;
三维激光扫描系统,其与无人机控制系统连接,能够提供扫描边坡区域表面的三维点云数据,并将三维点云数据存储,所述三维激光扫描系统为三维激光扫描仪;
还包括相互连接的数据传输系统与数据存储系统,数据传输系统用于无线接收数据,数据存储系统用于接收并存储数据传输系统所发送的数据信息;
还包括计算机,用于对数据存储系统存储的数据进行处理并生成三维数字模型;
还包括与无人机控制系统连接的相机姿态调整系统和与无人机控制系统连接的相机快门控制系统,相机姿态调整系统用于调整无人机搭载相机(40)的拍摄方向与角度,当无人机控制系统向相机快门控制系统发送一次指令后,相机快门控制系统触发拍照动作,完成一次拍照。
2.根据权利要求1所述的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,其特征在于,还包括:
能源分配系统,用于对无人机控制系统、相机姿态调整系统、相机快门控制系统、三维激光扫描系统提供充足电能;
遥控系统,为人为遥控设备,操作人员可通过触摸屏或数字按键向无人机控制系统发送指令,无人机控制系统接收指令并响应。
3.根据权利要求1所述的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,其特征在于,所述无人机本体(10)为8轴旋翼无人机。
4.根据权利要求1所述的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,其特征在于,所述无人机搭载相机(40)为松下DMC-FX75数码相机。
5.根据权利要求1所述的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,其特征在于,所述相机姿态调整系统包括用于旋转无人机搭载相机(40)的电机(20)以及改变无人机搭载相机(40)拍摄角度的电动推杆一(60),所述电机(20)的输出端固定连接有无人机搭载电机(40),所述电机(20)的一侧固定连接有边架(30),所述边架(30)靠近电机(20)的一侧与电动推杆一(60)转动连接,所述电动推杆一(60)的输出端与无人机搭载电机(40)转动连接。
6.根据权利要求1所述的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,其特征在于,所述相机快门控制系统包括用于按压无人机搭载相机(40)快门的电动推杆二(50)。
7.根据权利要求1所述的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,其特征在于,所述相机姿态调整系统包括通过球头杆端关节轴承设置在无人机本体(10)下端的安装杆(120),所述无人机搭载相机(40)固定在安装杆(120)的下端,所述无人机本体(10)以安装杆(120)为圆心周向均布有多个调节装置,所述调节装置包括关于安装杆(120)对称固定在无人机本体(10)下端的固定板(140)和电动卷线轮(130),所述固定板(140)上安装有自动复位卷线轮(150),所述电动卷线轮(130)与自动复位卷线轮(150)上均绕设有牵引绳,且牵引绳的另一端与安装杆(120)固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种无人机测量边坡及基坑开挖量的设备,其特征在于,所述球头杆端关节轴承包括球形关节头(100)、碗状关节臼(110)以及填充于其中的胶状粘液,所述球形关节头(100)与碗状关节臼(110)相对自由转动,所述球头关节头(10)固定在无人机本体(10)的下端,所述碗状关节臼(110)固定在安装杆(120)的上端。
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