CN112748121B - 基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置 - Google Patents

基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置，其方法包括：根据预设巡航路线沿被测水工结构表面进行巡航；获取被测水工结构特征；根据被测水工结构特征优化或裂缝走向预设巡航路线，得到优化巡航线路；根据优化巡航线路沿被测水工结构表面进行巡航；识别被测水工结构存在的裂缝，对裂缝位置进行定位并测量裂缝跨度和裂缝走向；根据裂缝位置、裂缝跨度和裂缝走向，确定裂缝的相对坐标和裂缝特征；根据裂缝的相对坐标和裂缝特征，生成被测水工结构表面裂缝分布图。本公开根据结构特点智能调整拍摄姿态、拍摄距离和拍摄线路，同时实时定位结构表面裂缝位置和实时测量宽度，提高安全巡检效率和质量。

Description

基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置
技术领域
本公开涉及水利工程领域，尤其涉及一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置。
背景技术
水利工程一般位于山涧河谷服役环境复杂，混凝土结构相比城市常见建筑规模更大、形状更复杂，在运行期难免会出现裂缝。对裂缝识别和测量是保证建筑物安全运行的必要措施，以便发现异常及时处理，防止重大事故和灾害。对于水利工程混凝土表面裂缝的检测，通常需要人力巡视检查和使用直尺、读数显微镜、混凝土裂缝观测仪等设备进行现场检测。对于可能有损结构安全的裂缝，例如重力坝下游坝坡折角，需要设置相应的起吊装置将人送至裂缝部分测量，其它相对较小的正在发育的裂缝由于人力所限或者结构形状复杂人力无法触及而无法全部测量。具有复杂结构的水工建筑物，特别是表面由曲面与平面相交或曲面与曲面相交组成的，例如廊道顶部曲面、泄水隧洞内部表面、坝体溢流段曲面和闸墩等，均难以高效准确地定位与测量表面裂缝，存在着未查明和监控的安全隐患。
无人机结构小巧，可搭载多种监测设备或计算平台，通过对裂缝进行拍摄，将图像数据传输至本地或者云服务器，利用无人机巡检可以解决裂缝实时定位和测量问题。现阶段，无人机在水工建筑物表面获取高精度裂缝图像和实时测量时存在以下不足：
其一，水工建筑物结构表面多有表面折角和曲面，使得裂缝位置隐蔽，需要根据不同结构特点人工编制适用于不同结构表面的无人机拍摄线路和拍摄姿态。
其二，结构规模通常较大，混凝土坝坝面或者溢洪道坡面面积大，高精度裂缝图像需要靠近建筑物表面连续拍摄，增加了图像重叠面积和其它正常表面图像的处理时间，实时检测性能受到影响；远离建筑物表面拍摄虽然增加了单位时间拍摄的面积，但遗漏相对较小正在发育裂缝的概率逐渐增大，无法对裂缝进行有效定位。
其三，在结构裂缝位置和裂缝状态未知时，无人机只能按照提前编制好的路线飞行，待整个结构表面拍摄完成才能了解裂缝分布、宽度和走向。虽能实时识别测量单张照片的裂缝，但大面积混凝土检测效率低下。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置，以解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法，包括：
根据预设巡航路线沿被测水工结构表面进行巡航；
获取所述被测水工结构特征；
根据所述被测水工结构特征或裂缝走向优化所述预设巡航路线，得到优化巡航线路；
根据优化巡航线路沿被测水工结构表面进行巡航；
识别所述被测水工结构存在的裂缝，对裂缝位置进行定位并测量裂缝跨度和裂缝走向；
根据裂缝位置、裂缝跨度和裂缝走向，确定裂缝的相对坐标和裂缝特征；以及
根据裂缝的相对坐标和裂缝特征，生成所述被测水工结构表面裂缝分布图。
在本公开的一些实施例中，所述根据所述被测水工结构特征优化所述预设巡航路线，得到优化巡航线路包括：
不存在已经检测并计算完成的裂缝走向，以预设巡航路线为基础进行巡航线路优化；
根据所述被测水工结构特征，计算所述被测水工结构的表面曲率，确定所述被测水工结构为平面或曲面；
根据确定所述被测水工结构为平面或曲面，寻找所述被测水工结构的面交线；
找到面交线后，计算所述被测水工结构的景深，生成所述被测水工结构的三维模型；
根据所述被测水工结构特征，确定最小拍摄距离；以及
根据所述最小拍摄距离，优化所述预设巡航路线为平行于所述被测水工结构的面交线的巡航线路，得到优化巡航线路。
在本公开的一些实施例中，存在已经检测并计算完成的裂缝走向，以裂缝走向为基础进行巡航线路优化。
根据本公开的一个方面，提供了一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，包括：
微型计算机，包括：一个或多个处理器和存储器，存储器用于存储一个或多个程序；当一个或多个所述程序被一个或多个所述处理器执行时，使得一个或多个所述处理器实现权利要求1至3中任一项所述的方法；
无人机骨架，与结构外壳相连；所述微型计算机设置在所述结构外壳内；
至少一个螺旋桨，与所述无人机骨架相连；
导轨，套设在所述结构外壳上；
旋转角度控制装置，与所述导轨相连；以及
至少一个距离测定装置，分别设置在所述结构外壳表面。
在本公开的一些实施例中，所述旋转角度控制装置包括：
第一旋转角度控制部，与所述导轨相连；所述第一旋转角度控制部沿所述导轨绕所述结构外壳转动；
第二旋转角度控制部，与所述第一旋转角度控制部同轴相连；
镜头固定装置，与所述第二旋转角度控制部同轴相连；所述镜头固定装置上设置至少一个镜头；以及
第三旋转角度控制部，与所述镜头固定装置相连，且所述第三旋转角度控制部的转动轴线与所述第一旋转角度控制部和所述第二旋转角度控制部的转动轴线相垂直。
在本公开的一些实施例中，所述旋转角度控制装置还包括：至少一个摄像补光灯，设置在所述第三旋转角度控制部和/或所述镜头固定装置上。
在本公开的一些实施例中，每个所述距离测定装置测量其在所述结构外壳的所在面与所述被测水工结构表面间的距离。
在本公开的一些实施例中，多个所述螺旋桨在所述结构外壳上对称设置。
在本公开的一些实施例中，所述距离测定装置为双目镜头。
在本公开的一些实施例中，所述双目镜头的个数为6个。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开提供的巡航路线的优化，能够实时获取裂缝分布、宽度和走向，不再自始至终按照预设巡航路线飞行，提高大面积混凝土检测效率。
(2)本公开无人机的旋转角度控制装置，适用于不同结构表面的无人机拍摄线路和拍摄姿态，能够拍摄到处于隐蔽位置的裂缝，并保证摄像装置轴线垂直于结构表面，进而较少拍摄图片扭曲加快对裂缝图像的处理。
附图说明
图1为本公开实施例基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法的示意图。
图2为本公开实施例预设巡航路线优化方法的示意图。
图3为本公开实施例基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置的示意图。
图4为本公开实施例基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置中旋转角度控制装置的示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-结构外壳；
2-无人机骨架；
3-螺旋桨；
4-导轨；
5-距离测定装置；
6-第一旋转角度控制部；
7-第二旋转角度控制部；
8-镜头固定装置；
9-第三旋转角度控制部；
10-摄像补光灯。
具体实施方式
本公开提供了一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置，其方法包括：根据预设巡航路线沿被测水工结构表面进行巡航；获取被测水工结构特征；根据被测水工结构特征或裂缝走向优化预设巡航路线，得到优化巡航线路；根据优化巡航线路沿被测水工结构表面进行巡航；识别被测水工结构存在的裂缝，对裂缝位置进行定位并测量裂缝跨度和裂缝走向；根据裂缝位置、裂缝跨度和裂缝走向，确定裂缝的相对坐标和裂缝特征；根据裂缝的相对坐标和裂缝特征，生成被测水工结构表面裂缝分布图。本公开根据结构特点智能调整拍摄姿态、拍摄距离和拍摄线路，同时实时定位结构表面裂缝位置和实时测量宽度，提高安全巡检效率和质量。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法。图1为本公开实施例基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法的示意图。如图1所示，本公开基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法包括：操作110～操作170。
在操作110中，根据预设巡航路线或裂缝走向沿被测水工结构表面进行巡航。
在操作120中，获取被测水工结构特征。
在操作130中，根据被测水工结构特征优化预设巡航路线，得到优化巡航线路。
在操作140中，根据优化巡航线路沿被测水工结构表面进行巡航。
在操作150中，识别被测水工结构存在的裂缝，对裂缝位置进行定位并测量裂缝跨度和裂缝走向。
在操作160中，根据裂缝位置、裂缝跨度和裂缝走向，确定裂缝的相对坐标和裂缝特征。
在操作170中，根据裂缝的相对坐标和裂缝特征，生成被测水工结构表面裂缝分布图。
图2为本公开实施例预设巡航路线优化方法的示意图。如图2所示，操作130具体包括操作210～操作250。
在操作210中，判断是否存在已经检测并计算完成的裂缝走向，如果存在已经检测并计算完成的裂缝走向则以裂缝走向为基础，执行以下操作，如果不存在已经检测并计算完成的裂缝走向则以预设巡航路线为基础，执行以下操作。
在操作220中，根据被测水工结构特征，计算被测水工结构的表面曲率，确定被测水工结构为平面或曲面。
在操作230中，根据确定被测水工结构为平面或曲面，寻找被测水工结构的面交线。
在操作240中，找到面交线后，计算被测水工结构的景深，生成被测水工结构的三维模型。
在操作250中，根据被测水工结构特征，确定最小拍摄距离。
在操作260中，根据最小拍摄距离，优化预设巡航路线为平行于被测水工结构的面交线的巡航线路，得到优化巡航线路。
在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置。图3为本公开实施例基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置的示意图。如图3所示，无人机包括：微型计算机、结构外壳1、无人机骨架2、螺旋桨3、导轨4、旋转角度控制装置和距离测定装置5。
结构外壳1内部设置微型计算机。微型计算机，包括：一个或多个处理器和存储器。存储器用于存储一个或多个程序；当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现如上所述述的基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法。
无人机骨架2分别与结构外壳1和至少一个螺旋桨3相连，结构骨架1将至少一个螺旋桨3和结构外壳1组装为整体。导轨4套设在结构外壳1上，旋转角度控制装置与导轨4相连，这里不再对导轨4的具体结构进行限定，以能够实现旋转角度控制装置绕结构外壳1转动为准。至少一个距离测定装置5分别设置在结构外壳1表面。例如，结构外壳1的每个面均设置至少一个距离测定装置5或者结构外壳1上需要测定其与被测水工结构表面间的距离的面设置至少一个距离测定装置5。每个距离测定装置5用于测量其在结构外壳1的所在面与被测水工结构表面间的距离。
图4为本公开实施例基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置中旋转角度控制装置的示意图。如图4所示，旋转角度控制装置包括：第一旋转角度控制部6、第二旋转角度控制部7、镜头固定装置8和第三旋转角度控制部9。
第一旋转角度控制部6与导轨4相连；第一旋转角度控制部6沿导轨4绕结构外壳1转动。第二旋转角度控制部7与第一旋转角度控制部6同轴相连。镜头固定装置8与第二旋转角度控制部7同轴相连。镜头固定装置8上设置至少一个镜头，镜头数量可以为一个，两个或其他测量需要的镜头数量，这里不再一一限定。第三旋转角度控制部9与镜头固定装置8相连，且第三旋转角度控制部9的转动轴线与第一旋转角度控制部6和第二旋转角度控制部7的转动轴线相垂直。
旋转角度控制装置精确控制镜头拍摄方位，三个旋转角度控制部实现全方位360°拍摄角度。镜头固定装置8将摄像头固定在旋转角度控制装置上。
为保证拍摄画面的清晰度，还包括至少一个摄像补光灯10。一个或多个分别设置在第三旋转角度控制部9、镜头固定装置8或者同时设置在第三旋转角度控制部9和镜头固定装置8上，以实现在环境光低于阈值时自动调整补光亮度。
关于螺旋桨3的设置，提供一个具有四个螺旋桨3的实施例，但螺旋桨3的设置个数及设置位置并不具体限定，以能够保证无人机稳定飞行为准。
在一个实施例中，距离测定装置5选用双目镜头，六对双目镜头镶嵌在结构外壳1的上下左右前后的六个面上。六对双目镜头分别测量对应面与结构表面距离。观察并识别结构特征使无人机做出针对结构特征的姿态调整以实现结构自适应拍摄。被测水工结构表面与镜头间距离，为测量裂缝宽度提供依据。
本公开定位装置选用RTK外接定位设备，与放置于被测水工结构上已知距离定点的RTK外接定位设备实时交换数据，计算无人机所处三维相对坐标，为裂缝定位、宽度和分布计算提供依据。
微型计算平台将采用如上述检测方法计算无人机飞行控制和设备运行参数，实时识别拍摄的图片与视频中含有的裂缝，计算裂缝宽度，判断裂缝走向与发育程度。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法及装置，根据结构特点智能调整拍摄姿态、拍摄距离和拍摄线路，同时实时定位结构表面裂缝位置和实时测量宽度，提高安全巡检效率和质量。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测方法，包括：
根据预设巡航路线沿被测水工结构表面进行巡航；
获取所述被测水工结构特征；
根据所述被测水工结构特征优化所述预设巡航路线，得到优化巡航线路；
根据优化巡航线路沿被测水工结构表面进行巡航；
识别所述被测水工结构存在的裂缝，对裂缝位置进行定位并测量裂缝跨度和裂缝走向；
根据裂缝位置、裂缝跨度和裂缝走向，确定裂缝的相对坐标和裂缝特征；以及
根据裂缝的相对坐标和裂缝特征，生成所述被测水工结构表面裂缝分布图；
其中，所述根据所述被测水工结构特征优化所述预设巡航路线，得到优化巡航线路包括：
如果存在已经检测并计算完成的裂缝走向，以裂缝走向为基础进行巡航线路优化；如果不存在已经检测并计算完成的裂缝走向，以预设巡航路线为基础进行巡航线路优化；
根据所述被测水工结构特征，计算所述被测水工结构的表面曲率，确定所述被测水工结构为平面或曲面；
根据确定所述被测水工结构为平面或曲面，寻找所述被测水工结构的面交线；
找到面交线后，计算所述被测水工结构的景深，生成所述被测水工结构的三维模型；
根据所述被测水工结构特征，确定最小拍摄距离；以及
根据所述最小拍摄距离，优化所述预设巡航路线为平行于所述被测水工结构的面交线的巡航线路，得到优化巡航线路。
2.一种基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，包括：
微型计算机，包括：一个或多个处理器和存储器，存储器用于存储一个或多个程序；当一个或多个所述程序被一个或多个所述处理器执行时，使得一个或多个所述处理器实现权利要求1所述的方法；
无人机骨架，与结构外壳相连；所述微型计算机设置在所述结构外壳内；
至少一个螺旋桨，与所述无人机骨架相连；
导轨，套设在所述结构外壳上；
旋转角度控制装置，与所述导轨相连；以及
至少一个距离测定装置，分别设置在所述结构外壳表面。
3.根据权利要求2所述的基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，其中，所述旋转角度控制装置包括：
第一旋转角度控制部，与所述导轨相连；所述第一旋转角度控制部沿所述导轨绕所述结构外壳转动；
第二旋转角度控制部，与所述第一旋转角度控制部同轴相连；
镜头固定装置，与所述第二旋转角度控制部同轴相连；所述镜头固定装置上设置至少一个镜头；以及
第三旋转角度控制部，与所述镜头固定装置相连，且所述第三旋转角度控制部的转动轴线与所述第一旋转角度控制部和所述第二旋转角度控制部的转动轴线相垂直。
4.根据权利要求3所述的基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，其中，所述旋转角度控制装置还包括：至少一个摄像补光灯，设置在所述第三旋转角度控制部和/或所述镜头固定装置上。
5.根据权利要求2所述的基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，其中，每个所述距离测定装置测量其在所述结构外壳的所在面与所述被测水工结构表面间的距离。
6.根据权利要求2所述的基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，其中，多个所述螺旋桨在所述结构外壳上对称设置。
7.根据权利要求2所述的基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，其中，所述距离测定装置为双目镜头。
8.根据权利要求7所述的基于水工结构表面裂缝的无人机检测装置，其中，所述双目镜头的个数为6个。
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