CN111707196A - 基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置及测量方法 - Google Patents

基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置及测量方法，属于桥梁检测技术领域。所述桥梁病害尺寸测量装置包括无人机、云台、摄像机和线性激光器，所述线性激光器共有两个，以对称的方式布置在无人机机架平台两端的无遮挡位置处，两个线性激光器可以发出激光束并投射到被测的桥梁上，机载高清摄像机拍摄含有线性激光投影的桥梁底面病害的照片，已知线性激光器之间的距离，然后根据已知激光的距离参数，分析摄像机获取的病害特征图像来获取病害的尺寸。利用本发明所述桥梁病害尺寸测量装置及测量方法，可以实现对桥梁病害尺寸大小的快速有效测量。

Description

基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于桥梁结构病害检测技术领域，具体涉及一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置及测量方法。
背景技术
用于桥梁检测领域的无人机，可以替代人工完成对桥梁的检测工作，从而降低人力成本，提高桥梁检测的效率，具有作业规范、准确度高、自动化程度高的特点。
桥梁检测的内容是桥梁的常规病害图像情况：如锈蚀、水浸、裂纹等。而无人机的检测往往都是直接拍照，无法获取桥梁病害的尺寸信息，而桥梁检测人员往往需要了解并确定病害尺寸信息，以判定该病害对桥梁安全的危害程度，因此，如何通过无人机准确测量该信息对于桥梁检测的有效性至关重要。
专利CN 109060281A(公开日：2018.12.21)涉及一种基于无人机的一体化桥梁检测系统，包括桥梁建模无人机A、桥梁表面数据采集无人机B、地面综合信息处理控制系统组成，采用桥面缺陷检测及标注系统对桥面对应位置的缺陷进行检测，计算缺陷程度指标并标记在模型中，实现了桥梁检测过程的全自动化和检测效率的大幅提高。
专利CN 110070008A(公开日：2019.07.30)公开了一种采用无人机图像的桥梁病害识别方法，桥梁病害图像通过具备高清摄像功能的无人机进行拍摄，经过图像质量优化、范围剪裁与尺寸标定后给出256色的RGB格式图像，并通过全卷积神经网络对桥梁病害进行识别、分类，可避免复杂背景对桥梁结构病害识别与标记的干扰，有效提升桥梁结构检测的效率与准确性。
文献“基于无人机三维建模技术的桥梁检测方法研究”(作者：方留杨，陈华斌，等；期刊：中外公路；年份：2019；卷期：39(1)；页码：109-113)提出了一种基于无人机三维建模技术的桥梁检测方法，自主配置了无人机硬件平台，介绍了无人机桥梁三维建模的具体流程和方法，包括航飞拍摄方案制定、图像预处理、三维立体重建3个步骤，可以对病害进行多视角、全方位的观察，并可进行定量化量测和描述。
然而，上述文献资料主要针对检测系统的构成与完善、桥梁病害的识别与分类、以及三维图像的处理与重建等问题提供了一定价值的技术参考，对于如何了解并确定病害尺寸信息还没有给出很好的技术手段。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置及测量方法，旨在解决现有技术无法快速有效确定桥梁病害尺寸大小的技术问题。
本发明提出的基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，包括无人机、云台、摄像机和线性激光器；所述无人机包括机架、螺旋桨、底座和飞控器；所述云台是安装和固定摄像机的支撑设备；所述摄像机对桥梁进行成像，用于获取桥梁病害的图像；所述线性激光器共有两个，以对称的方式布置在机架平台两端的无遮挡位置处，两个线性激光器可以发出激光束并投射到被测的桥梁上。
所述两个线性激光器之间的距离为已知的确定值。
所述两个线性激光器发出的两条激光束相互平行。
所述激光束在被测桥梁上投射成两条平行的直线，且两条直线之间的距离等于两个线性激光器之间的距离。
在测量时，所述摄像机通过所述云台调整至竖直方向上朝上的位置。
利用所述测量装置，本发明还提出了一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量方法，包括如下步骤：
步骤S1，校正两个线性激光器之间的距离，并调整摄像机的方位；
步骤S2，将无人机飞行到桥梁底部，采集桥梁病害的特征图像；
步骤S3，分析病害的特征图像，获取病害尺寸的大小。
所述步骤S3包括如下三个子步骤：
步骤S3a，利用图像识别算法对病害的特征图像进行分析，获取病害的类型；
步骤S3b，采用公式
Figure BDA0002489374290000021
计算病害在长度方向的尺寸，其中，A为所分析病害在长度方向上的最大尺寸，D为两个激光器之间的距离，为已知的确定值，n0表示图像中两条激光束直线之间的总像素点，n1表示图像中病害在长度方向上占据的像素点；
步骤S3c，采用公式
Figure BDA0002489374290000022
计算病害在宽度方向的尺寸，其中，B为所分析病害在宽度方向上的最大尺寸；n2表示图像中病害在宽度方向上占据的像素点。
本发明技术方案的有益效果主要体现在以下两个方面：
第一，本发明所述桥梁病害尺寸测量装置是利用两条平行的确定宽度的激光束在被测桥梁上进行投射以作为标志线，通过获取病害特征图像来计算病害尺寸信息，因而利用本发明所述测量装置及测量方法，可以实现对桥梁病害尺寸大小的快速有效测量。
第二，本发明利用摄像机进行测量，还具有无需与被测桥梁接触(即非接触式测量)、采集速度快等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明所述桥梁病害尺寸测量装置组成及工作原理示意图；
图2为摄像机观测的病害图像示意图；
图3为本发明所述桥梁病害尺寸测量方法的流程图。
附图标记：1—无人机；11—机架；12—螺旋桨；13—底座；2—云台；3—摄像机；4—线性激光器；41—激光束；5—桥梁；51—桥身；52—桥墩；53—病害。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明针对难以快速有效获取桥梁病害尺寸大小的技术问题，提出如下一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置：
参见图1，本发明所述测量装置主要包括无人机1、云台2、摄像机3和线性激光器4等构成，其中，所述无人机1包括机架11、螺旋桨12、底座13和飞控器等，所述云台2是安装和固定摄像机的支撑设备；所述摄像机3对桥梁进行成像，用于获取桥梁病害的图像；所述线性激光器4共设有两个，以对称的方式布置在机架平台两端的无遮挡位置处，两个线性激光器可以发出激光束41并投射到被测的桥梁上。
本实施例中，无人机选用杭州智鹍科技有限公司的桥梁检测无人机产品，其整体尺寸为1.1m(长)×1.1m(高)×1.2m(宽)，重量为7.6kg，飞行时间大于20分钟；云台采用Sony公司生产的三轴无刷云台，型号为BMPCC G4，支持感度参数调节和软件三维姿态显示，并支持摇杆速率模式和角度模式；摄像机采用SONY QX1微单相机，有效像素2010万；激光器采用优铄信公司生产的激光模组，输出为一字红色(650nm)，尺寸Φ12.0×35mm，净重13.5g，电压3.0V-5V，最大电流40mA。
所述两个线性激光器4之间的中心距离为已知的确定值，即两者的布置宽度为已知宽度，这里将其记为D，该值可作为一个设计值，并根据具体的桥梁检测任务需要进行设计。
所述两个线性激光器发出的两条激光束41相互平行，所述激光束在被测桥梁上投射成两条平行的直线，且两条直线之间的距离等于两个线性激光器之间的距离D。
另外，在测量时，为了不造成摄像机3(包括云台2)对激光束41的遮挡，所述摄像机3通过所述云台2调整至竖直方向上(即垂直于机架平台的方向)朝上的位置。
利用本发明提出的基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，对桥梁病害进行测量的方法流程图如图3所示，其主要包括以下3个步骤：
步骤S1，校正两个线性激光器之间的距离，并调整摄像机的方位；
启动线性激光器开关，量测两个线性激光器中心之间的距离，并与原设计值D(即两个线性激光器之间确定的布置宽度)进行比对，如果存在误差，则通过调整线性激光器的安装基座对该距离作进一步校正；启动无人机上的云台和摄像机，并将通过云台将摄像机调整至竖直方向朝上的位置。
步骤S2，将无人机飞行到桥梁底部，采集桥梁病害的特征图像；
启动无人机，利用无人机的飞控器，遥控无人机起飞并飞行到被测桥梁的底部，并打开无人机上搭载的摄像机，对桥梁病害的特征图像进行采集。
步骤S3，分析病害的特征图像，获取病害尺寸的大小。
该步骤具体包括以下三个子步骤：
步骤S3a，利用图像识别算法对病害的特征图像进行分析，获取病害的类型，例如锈蚀、裂缝、水侵等；
步骤S3b，采用如下公式计算病害在长度方向的尺寸：
Figure BDA0002489374290000041
式中，A为所分析病害在长度方向上的最大尺寸；D为两个激光器之间的距离，为已知的确定值；n0表示图像中两条激光束直线之间的总像素点；n1表示图像中病害在长度方向上占据的像素点；
步骤S3c，采用如下公式计算病害在宽度方向的尺寸：
Figure BDA0002489374290000042
式中，B为所分析病害在宽度方向上的最大尺寸；n2表示图像中病害在宽度方向上占据的像素点。
由于本发明所述桥梁病害尺寸测量装置是利用两条平行的确定宽度的激光束在被测桥梁上进行投射以作为标志线，通过获取病害特征图像来计算病害尺寸信息，因而利用本发明所述测量装置及测量方法，可以实现对桥梁病害尺寸大小的快速有效测量。
此外，本发明利用摄像机进行图像测量，还具有无需与被测桥梁接触(即非接触式测量)、采集速度快等优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，其特征在于，包括无人机、云台、摄像机和线性激光器；所述无人机包括机架、螺旋桨、底座和飞控器；所述云台是安装和固定摄像机的支撑设备；所述摄像机对桥梁进行成像，用于获取桥梁病害的图像；所述线性激光器共有两个，以对称的方式布置在机架平台两端的无遮挡位置处，两个线性激光器可以发出激光束并投射到被测的桥梁上。
2.如权利要求1所述的一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，其特征在于，所述两个线性激光器之间的距离为已知的确定值。
3.如权利要求1所述的一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，其特征在于，所述两个线性激光器发出的两条激光束相互平行。
4.如权利要求1或3所述的一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，其特征在于，所述激光束在被测桥梁上投射成两条平行的直线，且两条直线之间的距离等于两个线性激光器之间的距离。
5.如权利要求1所述的一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，其特征在于，在测量时，所述摄像机通过所述云台调整至竖直方向上朝上的位置。
6.一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，校正两个线性激光器之间的距离，并调整摄像机的方位；
步骤S2，将无人机飞行到桥梁底部，采集桥梁病害的特征图像；
步骤S3，分析病害的特征图像，获取病害尺寸的大小。
7.如权利要求6所述的一种基于无人机的桥梁病害尺寸测量装置，其特征在于，所述步骤S3包括如下三个子步骤：
步骤S3a，利用图像识别算法对病害的特征图像进行分析，获取病害的类型；
步骤S3b，采用公式
Figure FDA0002489374280000011
计算病害在长度方向的尺寸，其中，A为所分析病害在长度方向上的最大尺寸，D为两个激光器之间的距离，为已知的确定值，n0表示图像中两条激光束直线之间的总像素点，n1表示图像中病害在长度方向上占据的像素点；
步骤S3c，采用公式
Figure FDA0002489374280000021
计算病害在宽度方向的尺寸，其中，B为所分析病害在宽度方向上的最大尺寸；n2表示图像中病害在宽度方向上占据的像素点。
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