CN219200426U - 楼宇外墙裂缝检测无人机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种楼宇外墙裂缝检测无人机，其搭载有数据传输模块、定位模块、传感器组单元、影像捕捉模块和运动控制模块；所述影像捕捉模块具有二维可见光摄像头及一个红外线摄像头组成；所述传感器组单元具有毫米波雷达；所述数据传输模块通过无线信号连接一监控平台；所述定位模块接收卫星导航系统的信号，对无人机进行实时定位；所述运动控制模块电性连接所述数据传输模块、所述定位模块、所述传感器组单元，所述运动控制模块能够控制无人机移动，并根据所述数据传输模块接受到的控制信号及所述定位模块、所述传感器组单元汇入的信号控制无人机的运行。

Description

楼宇外墙裂缝检测无人机

技术领域

本申请涉及无人机技术领域，具体涉及一种楼宇外墙裂缝检测无人机。

背景技术

楼宇和民用基础设施的老化和退化对公共安全构成了显著威胁。建筑结构经常受到疲劳应力、热胀冷缩和外载荷的作用。随着时间的推移，导致结构表面出现裂缝。结构上的裂缝会降低局部刚度并导致材料断裂。混凝土表面的裂缝是基础设施退化的最早迹象之一，定期目视检查仍然是检测裂缝和其他缺陷的标准做法。当前楼宇外墙裂缝检测主要是人工进行，通常通过肉眼观察、敲打及耳听等方法检测裂缝，检测到对楼宇外墙结构有危险性的裂缝时，检测人员会先拍照并以纸笔记录裂缝信息再输入电脑中，及后再分析裂缝资讯并判断出楼宇整体裂缝严重性再安排维修工程，在进行裂缝检测时的效率较低，容易导致延迟安排维修工程，进而造成有危险性的楼宇未能及时进行裂缝检测，使得危险性增加。

近些年，无人机在隧道、桥梁等建筑物的缺陷排查上有了发展，随着图像识别算法的进步，已经有把无人机用于建筑物的裂缝检测上。但现有技术中,例如CN202021174034.X的实用新型专利并未对楼宇的外墙裂缝检测进行特殊设计，无法让无人机与楼宇外墙表面保持垂直及维持特定距离，造成拍摄影像的扭曲，影响检测的效率和准确性。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种楼宇外墙裂缝检测无人机,能够采集楼宇外墙表面的图像，并在拍摄时保持与外墙表面垂直与及维持特定距离。

本申请的楼宇外墙裂缝检测无人机，搭载有数据传输模块、定位模块、传感器组单元、影像捕捉模块和运动控制模块；

所述影像捕捉模块具有二维可见光摄像头及一个红外线摄像头组成，所述二维可见光摄像头能够采集楼宇外墙表面的高分辨率二维图像；所述红外线摄像头能够采集楼宇外墙表面的红外热成像图像，所述影像捕捉模块电性连接所述数据传输模块；

所述传感器组单元具有毫米波雷达，所述毫米波雷达包括信号发射器和信号接收器，所述毫米波雷达通过信号发射器发射毫米波，信号接收器接收楼宇外墙面反射的毫米波讯号，得到无人机与楼宇外墙的相对速度、距离以及角度并汇入运动控制模块；

所述数据传输模块通过无线信号连接一监控平台，把影像捕捉模块所采集的影像传送到所述监控平台，并接收所述监控平台的控制信号；

所述定位模块接收卫星导航系统的信号，对无人机进行实时定位；

所述运动控制模块电性连接所述数据传输模块、所述定位模块、所述传感器组单元，所述运动控制模块能够控制无人机移动，并根据所述数据传输模块接受到的控制信号及所述定位模块、所述传感器组单元汇入的信号控制无人机的运行。

在一个可能的实现方式中，所述传感器组单元还包括加速度计、陀螺仪和磁力计；

所述加速度计包括加速度感测器，实时监测无人机的飞行加速度并汇入运动控制模块；

所述陀螺仪实时测量无人机的倾斜角度并汇入运动控制模块；

所述磁力计测量三轴磁分量数据得到磁北极的航向角并汇入运动控制模块。

在一个可能的实现方式中，所述传感器组单元还包括超宽带模块，能够把所述定位模块的位置数据以脉冲形状和规律的脉冲序列放大到所需功率，再耦合到所述超宽带模块搭载的超宽带天线发射出去。

在一个可能的实现方式中，所述影像捕捉模块还具有激光测距仪。

在一个可能的实现方式中，所述影像捕捉模块拍摄的影像带有比例尺。

实施本申请实施例，至少具有如下有益效果：数据传输模块通过无线信号连接一监控平台，把影像捕捉模块所采集的影像传送到所述监控平台，并接收所述监控平台的控制信号，从而对待检测楼宇外墙进行图像拍摄，以得到待检测楼宇外墙的影像。同时，在无人机进行裂缝影像获取时，让无人机与楼宇外墙表面保持垂直及维持特定距离，避免造成拍摄影像的扭曲，从而提升了楼宇外墙裂缝检测时的效率，降低了由于不能及时进行检测而带来的危险。

附图说明

图1为本申请的一种楼宇外墙裂缝检测无人机及系统的示意图；

图2为本申请传感器组单元的组成示意图；

图3为本申请监控平台对裂缝的影像进行语义分割的示意图；

图4A为本申请监控平台获取影像内裂缝长度及面积的示意图；

图4B为本申请监控平台获取影像内裂缝阔度的示意图。

图中：

1、无人机；11、数据传输模块；12、定位模块；13、传感器组单元；131、毫米波雷达；132、速度计；133、陀螺仪；134、磁力计；135、超宽带模块；14、影响捕捉模块；15、运动控制模块；12、监控平台；21、数据库。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1所示，本申请提供一种楼宇外墙裂缝检测无人机，搭载有数据传输模块、定位模块、传感器组单元、影像捕捉模块和运动控制模块；数据传输模块用于对数据进行接收和发送信息，定位模块可以包括有全球定位模块等，用于对无人机进行定位操作等，影像捕捉模块用于对待检测楼宇外墙进行图像拍摄得到待检测图像，监控平台可以向数据传输模块发送待检测区域信息，以及接收裂缝检测结果并进行展示等，从而能够采用无人机进行待检测图像获取，并根据获取的待检测图像进行裂缝检测，从而提升了裂缝检测时的效率，降低了由于不能及时进行检测而带来的危险。

影像捕捉模块电性连接所述数据传输模块，影像捕捉模块可为不同类型摄像头组合，包括但不限于一个二维可见光摄像头及一个红外线摄像头组成的二维多元影像捕捉裂缝，所述二维可见光摄像头能够把光线聚焦与成像芯片上，采集楼宇外墙表面的高分辨率二维图像，可检测出所有可见的混凝土裂缝。

所述红外线摄像头应用红外热成像原理来探测建筑外墙表面辐射能量的大小，能够采集楼宇外墙表面的红外热成像图像，通过测定建筑外墙表面的温度分布，从而判断外墙保温层是否存在缺陷，可检测出大面积混凝土剥落、积水、空股及掉块。

影像捕捉模块还可搭载有激光测距仪，在采集图像时实时通过光学方式获得影像捕捉模块和楼宇外墙间的距离。

所述数据传输模块通过无线信号连接一监控平台，把影像捕捉模块所采集的影像传送到所述监控平台，并接收所述监控平台的控制信号。数据传输模块可传送到包括但不限于监控平台、云端或地面服务器运算，例如，接收待检测区域信息、接收监控平台的数据和指令、发送影像捕捉模块采集的图像、发送无人机的参数信息等，可通过无线网络连接3G/4G/5G Wi-Fi中继器，与地面3G/4G/5G路由器相连，地面的监控平台或服务器也与地面3G/4G/5G路由器相连，从而使线无人机与服务器通信。而无人机则可搭载通过串口、USB等接口进行通信的工控机，并将传输模块、定位模块、运动控制模块的全部或部分集成于工控机内。

无人机的定位模块接收卫星导航系统的信号，对无人机进行实时定位；定位模块能够接收包括但不限于按收俄罗斯的格洛纳斯系统、中国的北斗卫星导航系统或美国全球定位系统的卫星信号，根据无人机所在位置的最大覆盖范围的卫星信号算出坐标值。无人机内还可接收和存储有已知坐标比较，得出坐标的偏差量，然后根据偏差量或者实时测得的载波相位，进行位置修正。

所述运动控制模块电性连接所述数据传输模块、所述定位模块、所述传感器组单元，所述运动控制模块能够控制无人机移动，并根据所述数据传输模块接受到的控制信号及所述定位模块、所述传感器组单元汇入的信号控制无人机的运行。

如图2所示，传感器组单元具有毫米波雷达，所述毫米波雷达包括信号发射器和信号接收器，所述毫米波雷达通过信号发射器发射毫米波，信号接收器接收楼宇外墙面反射的毫米波讯号，得到无人机与楼宇外墙的相对速度、距离以及角度并汇入运动控制模块。无人机的运动控制模块依据毫米波雷达采集的速度、距离以及角度控制飞行姿态，确保无人机与墙壁表面保持垂直及维持特定距离，避免后续影像捕捉模块拍摄扭曲影像。

传感器组单元还可包括但不限于加速度计、陀螺仪、磁力计、超宽带模块，确保无人机飞行姿态及路径稳定。加速度计包括加速度感测器，利用三轴重力加速度检测装置的飞行加速度并汇入运动控制模块，通过计算位移与速度对飞行加速度并校正陀螺仪，检测具有长时间稳定性。陀螺仪测量飞行器绕轴旋转的角速度，把角速度讯号进行积分运算后得到无人机的倾斜角度并汇入运动控制模块。磁力计通过磁场在三轴各轴所承受磁场的数据，得出磁北极的航向角并汇入运动控制模块。无人机飞行途中，加速度计、陀螺仪、磁力计各自得到的飞行数据进行整合，使数值以四维虚数座标运算来求解飞行欧拉角，把用户的地面控制器信号转化为实际的角度，利用双闭环反馈回路控制系统计算角度误差后，自行修正相关数据误差，把数值控制在设定范围内，避免检测进行中遇上大风或磁场干扰，使加速度传感器或磁力计采集的数据有过大误差，造成欧拉角计算错误，确保无人机按照用户的地面控制器信号或预设编定裂缝检测路径在运动控制模块的辅助下稳定飞行并进行图像采集。当无人机所在位置的定位模块无法接收足够的卫星信号，传感器组单元的超宽带模块会协助定位，把位置数据以脉冲形状和规律的脉冲序列放大到所需功率，再耦合到超宽带天线发射出去。在接收端，超宽带天线接收的信号经低噪声放大器放大后，送到相关器的一个输入端，测出无人机与已知位置接收端的距离及距离差，算出无人机的位置信息。最终以稳定及准确的飞行路径接近待检测楼宇墙壁。此外，加速度计、陀螺仪、磁力计、超宽带模块以及毫米波雷达均可以购自市售型号的产品，例如Colibrys MS1000加速度计、NXPMMA8452QT 陀螺仪、Bosch BMM150 磁力计、FeelsReal FUP110-3.1 超宽带模块和FR24M4H8-102-1-2 毫米波模块。

影像捕捉模块拍摄的影像带有比例尺。待检测图像的比例尺即一个像素代表的实际物理尺寸。在使用待检测图像进行判别前，所有待检测图像需要缩放至固定比例尺，从而得到放缩图像，该固定比例尺通过经验值或历史数据设定。此外，在某些实施例中，由于无人机还可搭载有毫米波雷达和激光测距仪，从而实时得到无人机与目标的相对速度、距离以及角度，故还可依据毫米波雷达和激光测距仪获取的距离、角度以及影像捕捉模块的传感器分辨率、尺寸和焦距等信息由经验值或历史数据的固定换算关系得到各图像的比例尺。

无人机与监控平台共同构成一个无人机系统，此时无人机通过数据传输模块与监控平台通信。从而可以是监控平台向数据传输模块发送的待检测楼宇外墙的待检测区域信息，监控平台上，用户可以输入待检测楼宇的外墙的区域信息和检测路径，也可以是从互联网中获取到待检测楼宇外墙的虚拟结构信息，并通过用户在虚拟结构信息中进行选取而得到待检测楼宇的外墙的区域信息和检测路径。而监控平台与数据传输模块之间进行通信的方式可以是通过 3G/4G/5G 、Wi-Fi中继器等方式进行通信。监控平台还内置有数据库，用于存储相关信息、影像和档案等。

检测路径为用户根据检测区域和拍摄影像大小计算需要进行飞行拍摄的航线和航点，从而得到裂缝检测路径。例如阔度30米，高度20米的墙面检测区域，拍摄影像为1米*1米范围，则每条航线长度30米，一共40条航线，每条航线间隔0.5米，每条航线上设置60个航点，每个航点通过3影像捕捉模块拍摄一张影像，用户可在监控平台上提前规划好检测路径，无人机在接近目标楼宇的外墙后，可以根据裂缝检测路径绕待检测楼宇外墙以弓字型飞行路径行经整块墙壁，并在行径时，在航点进行图像拍摄，以得到待检测图像。也可于待检测楼宇建筑带有特殊设施在楼宇外层等需要人为控制无人机移动情况下，用户可切换成手动模式，通过无人机控制器调整飞行方向及速度，从而实现灵活的裂缝检测路径的设置等，且在手动模式下依然可以借由传感器组单元来辅助调整无人机的姿态，保持拍摄图片时的稳定性。

如图3所示，监控平台可以通过基于U-Net等结构的语义分割网络对采集的影像进行语义分割，得到语义分割结果，在进行语义分割时，可以将采集的影响参照比例尺进行放缩处理，以得到放缩图像。而后对放缩图像进行灰度转换，以得到灰度图，再将灰度图作为网络输入，输出相同分辨率的单通道影像，像素值为0~1的小数，该像素值表征当前像素点处为裂缝的概率。进行语义分割后输出的语义分割图像，像素值越接近1，越接近白色；像素值越接近0，越接近黑色，以得到界限分明的裂缝检测结果。语义分割网络是预先训练好的用于进行语义分割的网络模型。之后，用户只需要筛选出具有裂缝的影像，再参照影像所对应的定位信息和航点，即可快速定位楼宇外墙裂缝的位置。

此外，为了进一步提高裂缝检测的效率，监控平台还可自动获取影像中裂缝的长度、阔度和面积。如图4A所示，在获取长度时，可以先获取到各影像内缝检的轮廓，例如：使用OpenCV的FindContour函数，然后找到轮廓的凸包，例如：使用OpenCV的convexHull函数，统计凸包两两顶点的距离，再将该轮廓上距离最远的两个点之间的距离，确定为参考裂缝区域的长度。将该轮廓内的面积确定为参考裂缝区域的面积。对于裂缝的阔度，定义其为表面裂缝中能放入的最大圆的直径。通过遍历整个影像，对属于裂缝的像素，使用若干n*n的不同尺寸圆形模板，例如图4B所示的5x5和7x7的圆形模板，初始尺寸可依实际情况而定，模板的每个小方块代表一个像素，其中白色区域值为1，非白色区域值为0。模板生成方式是在方形区域内画出内接圆形，对于每个像素，如果超过一半面积在圆内，则其值为1，否则为0如果使用初始模板在所有位置的计算结果均大于零，则缩小模板尺寸，直到在某一位置的计算结果为零，此时的模板直径加1，即为裂缝阔度。以上计算出的尺寸是以像素为单位，需要映射到实际尺寸，而又由于影像在缩放后具有相同比例尺，所以可以直接按该比例尺将计算出的尺寸转换为实际尺寸。借此，用户即可以在通过裂缝的长度、阔度和面积筛选所需的裂缝影像，提高裂缝检测的效率和精确度。

综上，本申请的楼宇外墙裂缝检测无人机可得以下效益：据传输模块通过无线信号连接一监控平台，把影像捕捉模块所采集的影像传送到所述监控平台，并接收所述监控平台的控制信号，从而对待检测楼宇外墙进行图像拍摄，以得到待检测楼宇外墙的影像。同时，在无人机进行裂缝影像获取时，让无人机与楼宇外墙表面保持垂直及维持特定距离，避免造成拍摄影像的扭曲，从而提升了楼宇外墙裂缝检测时的效率，降低了由于不能及时进行检测而带来的危险。

此外，由于拍摄影像带有比例尺，可以便捷实现影像的统一缩放，让各影像中每一像素点所对应的实际尺寸相同。而监控平台还可自动获取影像中裂缝的长度、阔度和面积，可便于用户对含裂缝的影像进行筛选和排查。

在此基础上，使用本申请的楼宇外墙裂缝检测无人机对楼宇进行检测，可大大增加检测灵活性以致增加检测频率，可以为检测的楼宇建立裂缝信息资料库，定期收集楼宇裂缝位置、阔度、长度和面积，以判断裂缝的扩展状态，当采集的数据量足够大时，系统可配合大数据分析及建立的算法模型对楼宇外墙进行预测性维修，提前预测楼宇外墙裂缝危险性，为日后的保养维修计划作更准确的预测和更针对性的部署，尽早评估维修方式及预算，提高检测的灵活性，防患于未然。

需要说明的是，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的模块并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在申请明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元可以采用硬件的形式实现。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (5)

1.一种楼宇外墙裂缝检测无人机，其特征在于，搭载有数据传输模块、定位模块、传感器组单元、影像捕捉模块和运动控制模块；

所述影像捕捉模块具有二维可见光摄像头及一个红外线摄像头组成，所述二维可见光摄像头能够采集楼宇外墙表面的高分辨率二维图像；所述红外线摄像头能够采集楼宇外墙表面的红外热成像图像，所述影像捕捉模块电性连接所述数据传输模块；

所述传感器组单元具有毫米波雷达，所述毫米波雷达包括信号发射器和信号接收器，所述毫米波雷达通过信号发射器发射毫米波，信号接收器接收楼宇外墙面反射的毫米波讯号，得到无人机与楼宇外墙的相对速度、距离以及角度并汇入运动控制模块；

所述数据传输模块通过无线信号连接一监控平台，把影像捕捉模块所采集的影像传送到所述监控平台，并接收所述监控平台的控制信号；

所述定位模块接收卫星导航系统的信号，对无人机进行实时定位；

所述运动控制模块电性连接所述数据传输模块、所述定位模块和所述传感器组单元，所述运动控制模块能够控制无人机移动，并根据所述数据传输模块接受到的控制信号及所述定位模块、所述传感器组单元汇入的信号控制无人机的运行。

2.如权利要求1所述的楼宇外墙裂缝检测无人机，其特征在于，所述传感器组单元还包括加速度计、陀螺仪和磁力计；

所述加速度计包括加速度感测器，实时监测无人机的飞行加速度并汇入运动控制模块；

所述陀螺仪实时测量无人机的倾斜角度并汇入运动控制模块；

所述磁力计测量三轴磁分量数据得到磁北极的航向角并汇入运动控制模块。

3.如权利要求1所述的楼宇外墙裂缝检测无人机，其特征在于，所述传感器组单元还包括超宽带模块，能够把所述定位模块的位置数据以脉冲形状和规律的脉冲序列放大到所需功率，再耦合到所述超宽带模块搭载的超宽带天线发射出去。

4.如权利要求1所述的楼宇外墙裂缝检测无人机，其特征在于，所述影像捕捉模块还具有激光测距仪。

5.如权利要求1所述的楼宇外墙裂缝检测无人机，其特征在于，所述影像捕捉模块拍摄的影像带有比例尺。

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