CN115200648B - 一种基于无人机的桥梁状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无人机的桥梁状态监测系统及方法，属于桥梁状态监测技术领域，基于无人机的桥梁状态监测系统包括:固定点视频监控系统固定式对桥梁进行监控；无人机视频监控系统移动式对桥梁进行监控；传感器系统采集桥梁的结构信息和环境信息；无线通信模块分别与固定点视频监控系统、无人机视频监控系统和传感器系统连接；云服务器与无线通信模块连接；远程监控终端与云服务器连接；无人机视频监控系统包括无人机和可变焦的高清摄像头。基于无人机的桥梁状态监测方法通过基于无人机的桥梁状态监测系统实现。本发明解决了监测数据易受环境因素影响的问题，提高了监控数据的真实性，提高了桥梁状态判断结果的准确性。

Description

一种基于无人机的桥梁状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及桥梁状态监测技术领域，具体涉及一种基于无人机的桥梁状态监测系统及方法。

背景技术

长期以来，对于桥梁的安全检测一直以人工方法为主。人工检测不仅需要大量的人力物力，而且不能及时发现问题，不能完全满足桥梁安全需要。因此出现了桥梁健康实时监测系统，采用应变、加速度等力学传感器，以及温湿度等环境传感器构成传感网络，通过现代通信技术将采集信息实时传输到信息中心分析和处理，从而实现对桥梁健康状况的实时监测、分析、评估，以及危险桥梁的及时预警。

目前，桥梁健康实时监测系统的视频监控器均是固定安装在固定位置，进行定点监控，导致监测容易被环境影响，如人为因素、动物因素、江湖河道的水涨水落等环境因素，从而导致检测图像和视频数据不准确，最终容易导致桥梁状态判断失误；因此，有必要提供一种基于无人机的桥梁状态监测系统及方法。

发明内容

本发明提供了一种基于无人机的桥梁状态监测系统及方法，以满足上述需求。

本说明书实施例的一方面公开了一种基于无人机的桥梁状态监测系统，包括:固定点视频监控系统，用于固定式对桥梁进行监控；无人机视频监控系统，用于移动式对桥梁进行监控；传感器系统，用于采集桥梁的结构信息和环境信息；无线通信模块，分别与所述固定点视频监控系统、所述无人机视频监控系统和所述传感器系统连接，以接收图像数据、视频数据和传感数据；云服务器，与所述无线通信模块连接，以将图像数据、视频数据和传感数据存储为桥梁状态数据；远程监控终端，与所述云服务器连接，以获取所述桥梁状态数据；其中，所述无人机视频监控系统包括无人机和可变焦的高清摄像头，所述高清摄像头通过步进电机安装在所述无人机顶部，以便于在所述无人机悬停时，所述步进电机驱动所述高清摄像头旋转。

本说明书公开的一个实施例中，所述远程监控终端设置有ARM9微处理器和桥梁结构分析模型，所述ARM9微处理器用于将所述桥梁状态数据进行平滑滤波处理，所述桥梁结构分析模型用于接收平滑滤波处理后的所述桥梁状态数据，并计算出桥梁的结构变形参数、结构疲劳状态参数和结构动态响应参数。

本说明书公开的一个实施例中，所述传感器系统包括应力检测模块、应变检测模块、位移检测模块、振动检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、水质检测模块、风速检测模块和桥梁挠度检测模块中的一种或多种。

本说明书公开的一个实施例中，所述无人机包括：机身，其四个角分别向外延伸出四个机臂；旋翼装置，安装在所述机臂远离所述机身的一端；四个圆筒，分别通过旋转电机安装在所述机身的四个侧面；风机，安装在所述机身；其中，所述圆筒中部为两端开口的中间腔体，所述圆筒的环形壁开设有环形腔体，所述中间腔体与所述环形腔体连通且连通处设置有导流板，以构成环形结构腔体；所述风机与所述环形腔体远离所述环形结构腔体的一端连通。

本说明书公开的一个实施例中，所述机身的底侧面滑动设置有太阳能板，所述太阳能板用于为所述无人机供电，所述机身的底侧面设置有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆与所述太阳能板固定连接，以将所述太阳能板推出到所述机身外或拉回到所述机身下。

本说明书公开的一个实施例中，所述机身的底侧面设置有支撑架，所述支撑架的上部内置有缠绕电机和电动气泵，所述支撑架的两侧的下部均开设有容纳腔，所述容纳腔内置有充气垫，所述容纳腔的底部设有开口，所述充气垫通过输气管与所述电动气泵连通，所述缠绕电机收卷式缠绕有牵引线，所述牵引线的牵引端与所述充气垫远离所述电动气泵的一端连接，所述充气垫设置有电动排气阀。

本说明书公开的一个实施例中，所述旋翼装置包括桨叶和驱动电机，所述桨叶与所述驱动电机连接，所述驱动电机安装在所述机臂远离所述机身的一端。

本说明书公开的一个实施例中，所述步进电机、所述旋转电机、所述缠绕电机和所述驱动电机配置有第一正反转电路。

本说明书公开的一个实施例中，所述第一正反转电路包括总开关QF1、急停开关SB1、按钮开关SB2、按钮开关SB3、继电器KM1、继电器KM2、指示灯LED1、指示灯LED2和电机M1，所述总开关QF1的一端用于与电源的L、N端连接，另一端分别通过所述继电器KM1的常开主触点KM12和所述继电器KM2的常开主触点KM22与所述电机M1的正反端点A、B连接，以使所述电机M1正反转；所述急停开关SB1的一端通过所述总开关QF1与所述电源的L端连接，另一端均与所述按钮开关SB2的一端、所述按钮开关SB3的一端、所述继电器KM1的常开辅助触点KM11的一端和所述继电器KM2的常开辅助触点KM21的一端连接，所述按钮开关SB2的另一端和所述常开辅助触点KM11的另一端均与所述继电器KM2的常闭辅助触点KM23的一端连接，所述按钮开关SB3的另一端和所述常开辅助触点KM21的另一端均与所述继电器KM1的常闭辅助触点KM13的一端连接，所述常闭辅助触点KM23的另一端与所述继电器KM1的线圈的一端连接，所述常闭辅助触点KM13的另一端与所述继电器KM2的线圈的一端连接，所述继电器KM1的线圈的另一端与所述指示灯LED1的正极连接，所述继电器KM2的线圈的另一端与所述指示灯LED2的正极连接，所述指示灯LED1的负极与所述指示灯LED2的负极相连后通过所述总开关QF1与所述电源的N端连接。

本说明书实施例的另一方面公开了一种基于无人机的桥梁状态监测方法，使用上述任一项所述的基于无人机的桥梁状态监测系统，所述基于无人机的桥梁状态监测方法包括：使用固定点视频监控系统、无人机视频监控系统和传感器系统，采集同一时间下的桥梁的图像数据、视频数据和传感数据；使用云服务器与无线通信模块通信，获取同一时间下的图像数据、视频数据和传感数据，并存储为桥梁状态数据；使用远程监控终端与云服务器通信，获取所述桥梁状态数据；使用ARM9微处理器对所述桥梁状态数据进行平滑滤波处理；使用桥梁结构分析模型基于平滑滤波处理后的所述桥梁状态数据，计算出桥梁的结构变形参数、结构疲劳状态参数和结构动态响应参数。

本说明书实施例至少可以实现以下有益效果：

1、本发明通过固定点视频监控系统和无人机视频监控系统分别对桥梁进行静态监控和动态监控，通过静态监控数据和动态监控数据进行对比分析，即可有效降低环境因素对监控数据的影响，有效提高监控数据的真实性，即提高桥梁状态的判断结果的准确性；

2、本发明通过将步进电机和高清摄像头安装在无人机上，可以便于无人机悬停时，步进电机驱动高清摄像头旋转，无需驱动无人机转向、掉头等，可以稳定采集图像数据和视频数据，便于数据采集的同时，有效提高数据采集速度，降低无人机飞行对采集数据的影响，提高采集数据的准确性；

3、本发明通过将圆筒和风机安装在无人机上，可以辅助无人机飞行，通过旋转电机驱动圆筒转动，改变圆筒的出风气流方向，配合旋翼装置，即可快速转向、掉头和稳定悬停，无人机稳定悬停有利于数据的采集，而且当无人机在桥底或桥上或其他位置遭遇大风、空气乱流等，通过改变圆筒的出风气流方向，配合旋翼装置，即可有效辅助无人机稳定悬停或飞行或降落避险；

4、本发明通过在支撑架设置充气垫和电动气泵，可以使无人机悬浮在水面或降落在陡峭的桥梁壁面，对桥梁进行数据采集，有效降低环境因素对采集数据的影响，有效提高数据的准确度；通过电动排气阀、缠绕电机和牵引线的配合，可以将充气垫放气后，重新收纳进容纳腔内，可以继续执行飞行任务。

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获得其他的附图。

图1为本发明一些实施例中所涉及的基于无人机的桥梁状态监测系统的结构示意图。

图2为本发明一些实施例中所涉及的无人机的结构示意图。

图3为本发明一些实施例中所涉及的高清摄像头的位置结构示意图。

图4为本发明一些实施例中所涉及的圆筒的结构示意图。

图5为本发明一些实施例中所涉及的太阳能板的结构示意图。

图6为本发明一些实施例中所涉及的充气垫收缩状态的结构示意图。

图7为本发明一些实施例中所涉及的充气垫充气状态的结构示意图。

图8为本发明一些实施例中所涉及的第一正反转电路的电路结构示意图。

图9和图10为本发明一些实施例中所涉及的第二正反转电路的电路结构示意图。

图11和图12为本发明一些实施例中所涉及的第三正反转电路的电路结构示意图。

附图标记：

100、机身；110、机臂；120、桨叶；130、圆筒；131、中间腔体；132、环形腔体；133、导流板；134、环形结构腔体；140、高清摄像头；150、步进电机；160、旋转电机；170、驱动电机；180、风机；

200、支撑架；210、缠绕电机；220、电动气泵；230、容纳腔；240、充气垫；250、开口；260、输气管；270、牵引线；280、电动排气阀；

300、太阳能板；310、电动伸缩杆；320、检测端。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1、图2和图3所示，本说明书实施例的一方面公开了一种基于无人机的桥梁状态监测系统，包括:固定点视频监控系统，用于固定式对桥梁进行监控；无人机视频监控系统，用于移动式对桥梁进行监控；传感器系统，用于采集桥梁的结构信息和环境信息；无线通信模块，分别与固定点视频监控系统、无人机视频监控系统和传感器系统连接，以接收图像数据、视频数据和传感数据；云服务器，与无线通信模块连接，以将图像数据、视频数据和传感数据存储为桥梁状态数据；远程监控终端，与云服务器连接，以获取桥梁状态数据；其中，无人机视频监控系统包括无人机和可变焦的高清摄像头140，高清摄像头140通过步进电机150安装在无人机顶部，以便于在无人机悬停时，步进电机150驱动高清摄像头140旋转。

应当理解的是，固定点视频监控系统可以为：安装在桥梁上或桥梁附近的监控摄像头，其与无线通信模块连接，将监控数据传输到云服务器；无人机上的高清摄像头140可以直接与无线通信模块通信连接，或与无人机内置的与云服务器连接的通信芯片模块通信连接，将采集的数据实时传输到云服务器；

通过固定点视频监控系统的静态监控数据和无人机视频监控系统的动态监控数据进行对比分析，即可有效筛选出两者之间的相似度在90%及以上的数据，认定为真实数据，反之，相似度在90%以下的数据认定为误差数据；通过真实数据对桥梁状态进行判断，判断结果较为可靠；也可以基于误差数据，重新对桥梁进行静态监控数据和动态监控数据的采集，通过对比分析之后，结合前后的真实数据对桥梁状态进行判断，判断结果更为可靠。

清楚的是，无线通信模块、云服务器和远程监控终端可以为可以实现本说明书描述的功能的现有方案。

为了进一步提高数据的准确性和真实性，在一些实施例中，远程监控终端设置有ARM9微处理器和桥梁结构分析模型，ARM9微处理器用于将桥梁状态数据进行平滑滤波处理，桥梁结构分析模型用于接收平滑滤波处理后的桥梁状态数据，并计算出桥梁的结构变形参数、结构疲劳状态参数和结构动态响应参数。该方案中，ARM9微处理器用于按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构形变参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求，对采集数据进行平滑滤波处理，有效提高数据的准确性；桥梁结构分析模型为现有的数据模型，可以基于平滑滤波处理后的桥梁状态数据，使用对应桥梁的结构模型，计算得出在当前环境及受力状态下不同桥梁的结构变形、结构疲劳状态、结构动态响应等桥梁健康指标参数。

为了数据的多样性，在一些实施例中，传感器系统包括应力检测模块、应变检测模块、位移检测模块、振动检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、水质检测模块、风速检测模块和桥梁挠度检测模块中的一种或多种。该方案中，上述各个传感模块可以分别为：应力应变仪、应力传感器、应变传感器、光纤光栅解调仪、振弦锚索计、振弦应变计、压电式加速度计、温度计、风速计、位移计等传感仪器，通过上述传感仪器，可以得到多样化的桥梁状态数据，提高桥梁状态的判断结果的可靠性；而且部分数据还可以用于侧面验证固定点视频监控系统的静态监控数据和无人机视频监控系统的动态监控数据的真实性和准确度，如基于风速计检测的风速数据，当图像数据和视频数据中出现与风速数据相差太远的细节体现，则可以认定该图像数据和视频数据为误差数据；例如，风速数据显示为大风，但图像数据和视频数据显示的旗帜没有飘动、行人易飘动的衣物没有飘动、水面毫无波澜等，则该图像数据和视频数据为误差数据；可以基于该图像数据和视频数据重新进行数据采集。其余传感数据对比不再一一分析，按照常规逻辑合理推导即可。

为了辅助无人机飞行，在一些实施例中，如图2和图4所示，无人机包括：机身100，其四个角分别向外延伸出四个机臂110；旋翼装置，安装在机臂110远离机身100的一端；四个圆筒130，分别通过旋转电机160安装在机身100的四个侧面的中部；风机180，安装在机身100；其中，圆筒130中部为两端开口250的中间腔体131，圆筒130的环形壁开设有环形腔体132，中间腔体131与环形腔体132连通且连通处设置有导流板133，以构成环形结构腔体134；风机180与环形腔体132远离环形结构腔体134的一端连通。该方案中，风机180向环形腔体132鼓风，风沿环形腔体132向环形结构腔体134移动形成气流，气流撞击导流板133后，顺着导流板133进入中间腔体131，由于环形结构腔体134的存在，气流沿中间腔体131的内环壁面形成环形气流，环形气流带动中间腔体131的中部空气从中间腔体131的一端开口250排出，中间腔体131的另一端开口250形成负压，将外界空气吸入，最终与环形气流形成高速气流；通过旋转电机160驱动圆筒130旋转，即可改变高速气流的排出方向，即可以辅助无人机飞行，便于无人机转向、掉头、爬升、下降、降落等，同时，在无人机遭遇大风、空气乱流时，高速气流可以对抗大风、空气乱流，稳定无人机周边的气流，或提高无人机的动力，可以辅助无人机稳定飞行、悬停、降落。无人机稳定飞行有利于提高数据采集速度和数据的准确性。

为了提高传感数据的真实性和准确性，在一些实施例中，机身100上安装有电伸缩杆，电伸缩杆的伸缩端安装有传感器系统的检测端320。该方案中，检测端320可以为应力检测模块、应变检测模块、位移检测模块、振动检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、水质检测模块、风速检测模块和桥梁挠度检测模块中的一种或多种的检测端头，当无人机飞行靠近或悬停靠近或降落在检测位置时，电伸缩杆驱动检测端320移动到检测位置，即可进行相应的检测工作，通过这种形式采集得到的传感数据，其真实性和准确性非常高，而且可以与固定安装在桥梁上的传感器系统采集的传感数据分别作为动态传感数据和静态传感数据，将两者进行对比分析，即可有效筛选出两者之间的相似度在90%及以上的数据，认定为真实数据，反之，相似度在90%以下的数据认定为误差数据；通过真实数据对桥梁状态进行判断，判断结果较为可靠；也可以基于误差数据，重新对桥梁进行动态传感数据和静态传感数据的采集，通过对比分析之后，结合前后的真实数据对桥梁状态进行判断，判断结果更为可靠。

为了无人机续航能力，在一些实施例中，如图5所示，机身100的底侧面滑动设置有太阳能板300，太阳能板300用于为无人机供电，机身100的底侧面设置有电动伸缩杆310，电动伸缩杆310与太阳能板300固定连接，以将太阳能板300推出到机身100外或拉回到机身100下。该方案中，电动伸缩杆310驱动太阳能板300向外移动到机身100外，即可进行太阳能充电；通过太阳能板300进行充电和供电的方案为现有技术，在此不再叙述说明。

为了减轻无人机的重量，在一些实施例中，太阳能板300朝向外的一端安装有传感器系统的检测端320。该方案中，需要进行传感数据的采集时，通过电动伸缩杆310驱动太阳能板300向外移动到机身100外，使传感器系统的检测端320移动到检测位置即可，即采用电动伸缩杆310替代电伸缩杆，可以减轻无人机的重量，有利于稳定飞行。

为了便于无人机悬浮或悬停或降落，在一些实施例中，如图6和图7所示，机身100的底侧面设置有支撑架200，支撑架200的上部内置有缠绕电机210和电动气泵220，支撑架200的两侧的下部均开设有容纳腔230，容纳腔230内置有充气垫240，容纳腔230的底部设有开口250，充气垫240通过输气管260与电动气泵220连通，缠绕电机210收卷式缠绕有牵引线270，牵引线270的牵引端与充气垫240远离电动气泵220的一端连接，充气垫240设置有电动排气阀280。该方案中，支撑架200可以呈人字形，电动气泵220通过输气管260向充气垫240输气，充气垫240鼓起并部分通过开口250伸出容纳腔230外，无人机即可通过充气垫240悬浮在水面，悬停或降落在陡峭的桥梁壁面上，进行多方位、多角度、多位置的数据采集；需要再起飞时，通过电动排气阀280放气，缠绕电机210收卷牵引线270，牵引线270拉动充气垫240缩回容纳腔230内，即可正常起飞，不影响无人机的起飞和飞行。2个充气垫240之间可以通过输气管260连通，实现同步放气，即使有1个电动排气阀280不能工作，也可以通过另1个电动排气阀280进行放气。

在一些实施例中，旋翼装置包括桨叶120和驱动电机170，桨叶120与驱动电机170连接，驱动电机170安装在机臂110远离机身100的一端。

在实际应用中，发明人发现电机在长期多次正反转后，容易出现故障，甚至损坏，特别是在无人机上使用的小型电机（马达）、微型电机（马达），因此，为了保证无人机的数据采集任务的顺利进行，在一些实施例中，步进电机150、旋转电机160、缠绕电机210和驱动电机170配置有第一正反转电路、第二正反转电路和第三正反转电路中的一种或多种。该方案中，第一正反转电路、第二正反转电路和第三正反转电路的具体说明参考下述实施例，当使用多种电路时，步进电机150、旋转电机160、缠绕电机210和驱动电机170可以通过单刀双掷开关、单刀三掷开关，选择具体使用第一正反转电路或第二正反转电路或第三正反转电路，多种电路的可选择性，可以保障无人机的涉及电机的各项功能的实现。

在一些实施例中，如图8所示，第一正反转电路包括总开关QF1、急停开关SB1、按钮开关SB2、按钮开关SB3、继电器KM1、继电器KM2、指示灯LED1、指示灯LED2和电机M1，总开关QF1的一端用于与电源的L、N端连接，另一端分别通过继电器KM1的常开主触点KM12和继电器KM2的常开主触点KM22与电机M1的正反端点A、B连接，以使电机M1正反转；急停开关SB1的一端通过总开关QF1与电源的L端连接，另一端均与按钮开关SB2的一端、按钮开关SB3的一端、继电器KM1的常开辅助触点KM11的一端和继电器KM2的常开辅助触点KM21的一端连接，按钮开关SB2的另一端和常开辅助触点KM11的另一端均与继电器KM2的常闭辅助触点KM23的一端连接，按钮开关SB3的另一端和常开辅助触点KM21的另一端均与继电器KM1的常闭辅助触点KM13的一端连接，常闭辅助触点KM23的另一端与继电器KM1的线圈的一端连接，常闭辅助触点KM13的另一端与继电器KM2的线圈的一端连接，继电器KM1的线圈的另一端与指示灯LED1的正极连接，继电器KM2的线圈的另一端与指示灯LED2的正极连接，指示灯LED1的负极与指示灯LED2的负极相连后通过总开关QF1与电源的N端连接。

该方案中，电源可以为太阳能板300的蓄电池，即无人机的蓄电池；使用时，闭合总开关QF1，按动按钮开关SB2，继电器KM1得电，常开辅助触点KM11闭合实现自锁，常闭辅助触点KM13断开实现互锁，常开主触点KM12闭合，电机M1得到正向电压，电机M1正转；按动按钮开关SB3，继电器KM2得电，常开辅助触点KM21闭合实现自锁，常闭辅助触点KM23断开实现互锁，常开主触点KM22闭合，电机M1得到负向电压，电机M1反转；指示灯LED1和指示灯LED2用于分别指示电机M1的正反转，便于观察电机M1的工作状态；遇到紧急情况且需要电机M1停止转动时，按动急停开关SB1或断开总开关QF1，即可断开电路，电机M1停止转动；电机M1为步进电机150、旋转电机160、缠绕电机210、驱动电机170在电路中的表示。

在一些实施例中，如图9和图10所示，第二正反转电路包括51单片机的芯片U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、电容C3、触点开关K1、触点开关K2、触点开关K3、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、指示灯LED3、指示灯LED4、指示灯LED5、电机M2和晶振X1，芯片U1的引脚1与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极均与电阻R6的一端、三极管Q2的基极和三极管Q4的基极连接，三极管Q2的发射极与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的发射极与三极管Q3的发射极连接后与电机M2的一端连接，芯片U1的引脚2与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与三极管Q8的基极连接，三极管Q8的集电极均与电阻R7的一端、三极管Q7的基极和三极管Q6的基极连接，三极管Q7的发射极与三极管Q5的基极连接，三极管Q5的发射极与三极管Q6的发射极连接后与电机M2的另一端连接，电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、三极管Q2的集电极、三极管Q3的集电极、三极管Q5的集电极和三极管Q7的集电极相连接，三极管Q1的发射极、三极管Q4的集电极、三极管Q6的集电极和三极管Q8的发射极相连接后接地，芯片U1的引脚9均与电阻R4的一端和电容C3的一端连接，芯片U1的引脚31与电容C3的另一端连接，芯片U1的引脚10、引脚11和引脚12分别与触点开关K1的一端、触点开关K2的一端和触点开关K3的一端一一对应连接，触点开关K1的另一端、触点开关K2的另一端和触点开关K3的另一端均接地，芯片U1的引脚18均与电容C1的一端和晶振X1的一端连接，芯片U1的引脚19均与电容C2的一端和晶振X1的另一端连接，电阻R4的另一端、电容C1的另一端和电容C2的另一端相连接后接地，芯片U1的引脚37、引脚38和引脚36分别与指示灯LED3的负极、指示灯LED4的负极和指示灯LED5的负极一一对应连接，指示灯LED3的正极与电阻R1连接，指示灯LED4的正极与电阻R2连接，指示灯LED5的正极与电阻R3连接。

该方案中，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q5、三极管Q7和三极管Q8均为NPN，三极管Q4和三极管Q6均为PNP；芯片U1可以为89c51、89c52、89c516、90c516、80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52、89C51、89C52、89C2051、89S51(RC)、89S52(RC)；当需要电机M2正转时，按动触点开关K1，芯片U1的引脚2输出信号到电阻R8，经过多个三极管构成的逻辑门电路，电机M2得到正向电压，电机M2正转；当需要电机M2反转时，按动触点开关K2，芯片U1的引脚1输出信号到电阻R5，经过多个三极管构成的逻辑门电路，电机M2得到负向电压，电机M2反转；当需要电机M2停止时，按动触点开关K3，芯片U1停止输出信号，电机M2停止；指示灯LED3、指示灯LED4和指示灯LED5用于分别指示电机M2的停止、反转和正转，便于观察电机M1的工作状态。电机M2为步进电机150、旋转电机160、缠绕电机210、驱动电机170在电路中的表示。

在一些实施例中，如图11和图12所示，第三正反转电路包括51单片机的芯片U2、驱动芯片U3、电阻R9、电阻R10、电容C4、电容C5、电容C6、触点开关K4、触点开关K5、触点开关K6、触点开关K7、排阻RP1和电机M3，芯片U2的引脚1与驱动芯片U3的引脚7连接，芯片U2的引脚2与驱动芯片U3的引脚2连接，芯片U2的引脚3、引脚4和引脚5分别与触点开关K4的一端、触点开关K5的一端和触点开关K6的一端一一对应连接，触点开关K4的另一端、触点开关K5的另一端和触点开关K6的另一端均接地，芯片U2的引脚9均与电容C4的一端、电阻R9的一端和电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端接地，电阻R10的另一端与触点开关K7的一端连接，电容C4的另一端与触点开关K7的另一端连接后接地，芯片U2的引脚18均与电容C5的一端和晶振X2的一端连接，芯片U2的引脚19均与电容C3的一端和晶振X2的另一端连接，电容C5的另一端和电容C6的另一端相连接后接地，芯片U2的引脚32、引脚33、引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38和引脚39分别与排阻RP1的引脚9、引脚8、引脚7引脚6、引脚5、引脚4、引脚3和引脚2一一对应连接，驱动芯片U3的引脚3和引脚6分别与电机M3的两端连接。

该方案中，芯片U2可以为89c51、89c52、89c516、90c516、80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52、89C51、89C52、89C2051、89S51(RC)、89S52(RC)；驱动芯片U3可以为L293D；当需要电机M3正转时，按动触点开关K4，芯片U2的引脚1输出信号到驱动芯片U3的引脚7，驱动芯片U3的引脚3和引脚6向电机M3输出正向电压，电机M3得到正向电压，电机M3正转；当需要电机M3反转时，按动触点开关K5，驱动芯片U3的引脚2输出信号到驱动芯片U3的引脚2，驱动芯片U3的引脚3和引脚6向电机M3输出负向电压，电机M3得到负向电压，电机M3反转；当需要电机M3停止时，按动触点开关K6，芯片U2停止输出信号，电机M3停止；其中可以通过按动触点开关K7，进行复位。电机M3为步进电机150、旋转电机160、缠绕电机210、驱动电机170在电路中的表示。

需要说明的是，连接点C是芯片U1的引脚1和电阻R5之间的连接点，连接点D是芯片U1的引脚2和电阻R8之间的连接点，连接点E是芯片U1的引脚9、电阻R4和电容C3之间的连接点，连接点F是芯片U2的引脚1和驱动芯片U3的引脚7之间的连接点，连接点G是芯片U2的引脚2和驱动芯片U3的引脚2之间的连接点。

本说明书实施例的另一方面公开了一种基于无人机的桥梁状态监测方法，使用上述任一项的基于无人机的桥梁状态监测系统，基于无人机的桥梁状态监测方法包括：使用固定点视频监控系统、无人机视频监控系统和传感器系统，采集同一时间下的桥梁的图像数据、视频数据和传感数据；使用云服务器与无线通信模块通信，获取同一时间下的图像数据、视频数据和传感数据，并存储为桥梁状态数据；使用远程监控终端与云服务器通信，获取桥梁状态数据；使用ARM9微处理器对桥梁状态数据进行平滑滤波处理；使用桥梁结构分析模型基于平滑滤波处理后的桥梁状态数据，计算出桥梁的结构变形参数、结构疲劳状态参数和结构动态响应参数。

该方案中，基于无人机的桥梁状态监测方法可以通过基于无人机的桥梁状态监测系统实现；可以结合上述多个实施例的实施方法进行应用，如结合静态监控数据和动态监控数据的对比分析，结合动态传感数据和静态传感数据的对比分析，可以提高计算结构的准确性和可靠性；其中，ARM9微处理器和桥梁结构分析模型均为现有方案，在此不再对其原理进行说明。

综上，公开了本发明的多个具体实施例，在不自相矛盾的情况下，各个实施例可以自由组合形成新的实施例，也即属于替换方案的实施例之间可以自由替换，但不能相互组合；不属于替换方案的实施例之间可以相互组合，这些新的实施例也属于本发明的实质性内容。

以上实施例描述了本发明的多个具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于无人机的桥梁状态监测系统，其特征在于，包括:

固定点视频监控系统，用于固定式对桥梁进行监控；

无人机视频监控系统，用于移动式对桥梁进行监控；

传感器系统，用于采集桥梁的结构信息和环境信息；

无线通信模块，分别与所述固定点视频监控系统、所述无人机视频监控系统和所述传感器系统连接，以接收图像数据、视频数据和传感数据；

云服务器，与所述无线通信模块连接，以将图像数据、视频数据和传感数据存储为桥梁状态数据；

远程监控终端，与所述云服务器连接，以获取所述桥梁状态数据；

其中，所述无人机视频监控系统包括无人机和可变焦的高清摄像头，所述高清摄像头通过步进电机安装在所述无人机顶部，以便于在所述无人机悬停时，所述步进电机驱动所述高清摄像头旋转；

所述无人机包括：

机身，其四个角分别向外延伸出四个机臂；

旋翼装置，安装在所述机臂远离所述机身的一端；

四个圆筒，分别通过旋转电机安装在所述机身的四个侧面；

风机，安装在所述机身；

其中，所述圆筒中部为两端开口的中间腔体，所述圆筒的环形壁开设有环形腔体，所述中间腔体与所述环形腔体连通且连通处设置有导流板，以构成环形结构腔体；所述风机与所述环形腔体远离所述环形结构腔体的一端连通；其中，所述机身的底侧面设置有支撑架，所述支撑架的上部内置有缠绕电机和电动气泵，所述支撑架的两侧的下部均开设有容纳腔，所述容纳腔内置有充气垫，所述容纳腔的底部设有开口，所述充气垫通过输气管与所述电动气泵连通，所述缠绕电机收卷式缠绕有牵引线，所述牵引线的牵引端与所述充气垫远离所述电动气泵的一端连接，所述充气垫设置有电动排气阀；

所述旋翼装置包括桨叶和驱动电机，所述桨叶与所述驱动电机连接，所述驱动电机安装在所述机臂远离所述机身的一端；

其中，步进电机、旋转电机、缠绕电机和驱动电机配置有第一正反转电路、第二正反转电路和第三正反转电路中的一种或多种；当使用多种电路时，步进电机、旋转电机、缠绕电机和驱动电机通过单刀双掷开关或单刀三掷开关，选择使用第一正反转电路或第二正反转电路或第三正反转电路；

其中，所述第一正反转电路包括总开关QF1、急停开关SB1、按钮开关SB2、按钮开关SB3、继电器KM1、继电器KM2、指示灯LED1、指示灯LED2和电机M1，所述总开关QF1的一端用于与电源的L、N端连接，另一端分别通过所述继电器KM1的常开主触点KM12和所述继电器KM2的常开主触点KM22与所述电机M1的正反端点A、B连接，以使所述电机M1正反转；所述急停开关SB1的一端通过所述总开关QF1与所述电源的L端连接，另一端均与所述按钮开关SB2的一端、所述按钮开关SB3的一端、所述继电器KM1的常开辅助触点KM11的一端和所述继电器KM2的常开辅助触点KM21的一端连接，所述按钮开关SB2的另一端和所述常开辅助触点KM11的另一端均与所述继电器KM2的常闭辅助触点KM23的一端连接，所述按钮开关SB3的另一端和所述常开辅助触点KM21的另一端均与所述继电器KM1的常闭辅助触点KM13的一端连接，所述常闭辅助触点KM23的另一端与所述继电器KM1的线圈的一端连接，所述常闭辅助触点KM13的另一端与所述继电器KM2的线圈的一端连接，所述继电器KM1的线圈的另一端与所述指示灯LED1的正极连接，所述继电器KM2的线圈的另一端与所述指示灯LED2的正极连接，所述指示灯LED1的负极与所述指示灯LED2的负极相连后通过所述总开关QF1与所述电源的N端连接；

其中，第二正反转电路包括51单片机的芯片U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、电容C3、触点开关K1、触点开关K2、触点开关K3、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、指示灯LED3、指示灯LED4、指示灯LED5、电机M2和晶振X1，芯片U1的引脚1与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极均与电阻R6的一端、三极管Q2的基极和三极管Q4的基极连接，三极管Q2的发射极与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的发射极与三极管Q3的发射极连接后与电机M2的一端连接，芯片U1的引脚2与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与三极管Q8的基极连接，三极管Q8的集电极均与电阻R7的一端、三极管Q7的基极和三极管Q6的基极连接，三极管Q7的发射极与三极管Q5的基极连接，三极管Q5的发射极与三极管Q6的发射极连接后与电机M2的另一端连接，电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、三极管Q2的集电极、三极管Q3的集电极、三极管Q5的集电极和三极管Q7的集电极相连接，三极管Q1的发射极、三极管Q4的集电极、三极管Q6的集电极和三极管Q8的发射极相连接后接地，芯片U1的引脚9均与电阻R4的一端和电容C3的一端连接，芯片U1的引脚31与电容C3的另一端连接，芯片U1的引脚10、引脚11和引脚12分别与触点开关K1的一端、触点开关K2的一端和触点开关K3的一端一一对应连接，触点开关K1的另一端、触点开关K2的另一端和触点开关K3的另一端均接地，芯片U1的引脚18均与电容C1的一端和晶振X1的一端连接，芯片U1的引脚19均与电容C2的一端和晶振X1的另一端连接，电阻R4的另一端、电容C1的另一端和电容C2的另一端相连接后接地，芯片U1的引脚37、引脚38和引脚36分别与指示灯LED3的负极、指示灯LED4的负极和指示灯LED5的负极一一对应连接，指示灯LED3的正极与电阻R1连接，指示灯LED4的正极与电阻R2连接，指示灯LED5的正极与电阻R3连接；

其中，第三正反转电路包括51单片机的芯片U2、驱动芯片U3、电阻R9、电阻R10、电容C4、电容C5、电容C6、触点开关K4、触点开关K5、触点开关K6、触点开关K7、排阻RP1和电机M3，芯片U2的引脚1与驱动芯片U3的引脚7连接，芯片U2的引脚2与驱动芯片U3的引脚2连接，芯片U2的引脚3、引脚4和引脚5分别与触点开关K4的一端、触点开关K5的一端和触点开关K6的一端一一对应连接，触点开关K4的另一端、触点开关K5的另一端和触点开关K6的另一端均接地，芯片U2的引脚9均与电容C4的一端、电阻R9的一端和电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端接地，电阻R10的另一端与触点开关K7的一端连接，电容C4的另一端与触点开关K7的另一端连接后接地，芯片U2的引脚18均与电容C5的一端和晶振X2的一端连接，芯片U2的引脚19均与电容C3的一端和晶振X2的另一端连接，电容C5的另一端和电容C6的另一端相连接后接地，芯片U2的引脚32、引脚33、引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38和引脚39分别与排阻RP1的引脚9、引脚8、引脚7引脚6、引脚5、引脚4、引脚3和引脚2一一对应连接，驱动芯片U3的引脚3和引脚6分别与电机M3的两端连接。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的桥梁状态监测系统，其特征在于，所述远程监控终端设置有ARM9微处理器和桥梁结构分析模型，所述ARM9微处理器用于将所述桥梁状态数据进行平滑滤波处理，所述桥梁结构分析模型用于接收平滑滤波处理后的所述桥梁状态数据，并计算出桥梁的结构变形参数、结构疲劳状态参数和结构动态响应参数。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的桥梁状态监测系统，其特征在于，所述传感器系统包括应力检测模块、应变检测模块、位移检测模块、振动检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、水质检测模块、风速检测模块和桥梁挠度检测模块中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的桥梁状态监测系统，其特征在于，所述机身的底侧面滑动设置有太阳能板，所述太阳能板用于为所述无人机供电，所述机身的底侧面设置有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆与所述太阳能板固定连接，以将所述太阳能板推出到所述机身外或拉回到所述机身下。

5.一种基于无人机的桥梁状态监测方法，其特征在于，使用权利要求1～4中任一项所述的基于无人机的桥梁状态监测系统，所述基于无人机的桥梁状态监测方法包括：

使用固定点视频监控系统、无人机视频监控系统和传感器系统，采集同一时间下的桥梁的图像数据、视频数据和传感数据；

使用云服务器与无线通信模块通信，获取同一时间下的图像数据、视频数据和传感数据，并存储为桥梁状态数据；

使用远程监控终端与云服务器通信，获取所述桥梁状态数据；

使用ARM9微处理器对所述桥梁状态数据进行平滑滤波处理；

使用桥梁结构分析模型基于平滑滤波处理后的所述桥梁状态数据，计算出桥梁的结构变形参数、结构疲劳状态参数和结构动态响应参数。

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