一种基于无人机图像的起重设备垂直度检测方法及系统与流程

本发明涉及起重设备垂直度检测领域，尤其涉及一种基于无人机图像的起重设备垂直度检测方法及系统。

背景技术：

近二十年来，中国建筑行业飞速发展，塔式起重机(塔吊)目前已成为建设工地上应用最广的起重机械。据官方统计数据表明，在2016年全国建筑起重机安全事故至少发生207起，造成直接损失达上亿元。为了保障塔式起重机操作人员的生命安全，周期性的对塔式起重机进行检测对保证设备安全运行和顺利完成整个施工工程显得尤为重要。

起重设备垂直度用以表征起重设备支架的倾斜度，是起重设备缺陷检测重要衡量指标之一。以附图1为例，在塔吊安装后，增幅处于平衡状态下，垂直度δl＝x/h(x为起重设备支架顶部与底部的横向偏移量，h为起重设备支架高度)。gb/t5031-2008《塔式起重机》中5.2.3i)规定，垂直度的允差为4/1000。起重设备垂直度检测的难点在于：起重设备大多处于建筑工地，工况较差；起重设备高度较高(50～500m)，且难以攀爬；起重设备垂直度检测精度要求高，达mm级别。

起重设备垂直度检测目前主要采用激光垂准仪测量法，参照附图2，被测设备按检测要求停放，将激光垂准仪立在靠近被测设备的底部边缘处(一般在标准节主支撑杆处)，按说明书要求调平，使激光束处于垂直向上的状态。在激光束正上方100-200m处，固定数显光靶，移动游标数显尺，使基准点对准激光束光斑，数显尺清零，此位置即为原始基准点，保持垂准仪不动，数显光靶固定到被测设备顶部相同位置，再次移动游标数显尺，使基准点对准激光束光斑，此时数显尺上的读数即为垂直度。该方法的缺点如下：需要在设备顶部人工固定光靶，存在极大的安全隐患；且激光垂准仪的量程为200m左右，随着测量高度的增加，误差会急剧增大，不利于300～500m的超高塔吊垂直度检测。

目前为止，现有技术中未见能同时满足测量精度高、测量高度范围大、低安全风险的起重设备垂直度检测方法和系统。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于无人机图像的起重设备垂直度检测方法及系统。

为此，本发明提出一种基于无人机图像的起重设备垂直度检测方法，包含以下步骤：

1)通过飞控模块控制无人机飞行至起重设备一定距离外，上下左右移动飞行器，使其悬停在特种设备底部，调整摄像头焦距，使设备机架尽可能填满屏幕，拍下垂直度检测底部图像，记录下此时无人机的位置信息(xw1，yw1)及摄像头旋转角度θ1；

2)通过飞控模块控制飞行器垂直上升，直至摄像屏幕能观察到设备机架的顶部，保持摄像头焦距不变，拍下垂直度检测顶部图像，记录下此时无人机的位置信息(xw2，yw2)及摄像头旋转角度θ2；

3)在步骤1)中获得的底部图像和步骤2)中获得的顶部图像中任选一幅图像，完成图像定标，得到图像的空间分辨率kx、ky，所述的kx、ky分别为横向、纵向每一个像素距离代表的真实距离；

4)分别在步骤1)中获得的底部图像、步骤2)中获得的顶部图像的左侧支架上选择参考点l1(x1，y1)、l2(x2，y2)；

5)根据l2(x2，y2)、旋转角度θ1、旋转角度θ2、图像像素宽度w，计算l2点在θ1坐标系下的横坐标x′2_θ1。针对不同的成像位置、旋转方向、旋转角度，有

a)当l2成像点在图像左侧，相对旋转角度向左且θ>α时：

b)当l2成像点在图像左侧，相对旋转角度向左且θ<α时：

c)当l1成像点在图像左侧，相对旋转角度向右时：

d)当l2成像点在图像右侧，相对旋转角度向右且θ>α时：

e)当l2成像点在图像右侧，相对旋转角度向右且θ<α时：

f)当l2成像点在图像右侧，相对旋转角度向左时：

计算l2点在θ1坐标系下的纵坐标y2’，有：

y′2_θ1＝y′2(4-7)

其中：θ为相对旋转角度且θ＝θ2-θ1，w为图像像素宽度，f为相机焦距；

6)根据成像时位置偏移量，计算l2点在l1坐标系下的坐标(x2’，y2’)，计算公式如下式(5-1)～(5-2)所示：

7)起重机的垂直度可按式(3)计算：

本发明还提供了一种基于无人机图像的起重设备垂直度检测系统，包括：无人机、飞控模块和图像处理模块。

所述的无人机用拍摄起重设备的视频及带有配置信息的任务图像集，并将数据实时的传输到飞控模块中；所述的配置信息为无人机拍摄图像时无人机的高精度位置信息、摄像头的旋转角度；所述的任务图像集包括起重设备支架底部图像和起重设备支架顶部图像；

所述的飞控模块用于控制无人机的飞行，实时接收无人机传输回来的视频流，以及存储无人机拍摄的带有配置信息的任务图像集；

所述的图像处理模块集成了上述的垂直度计算方法，用于处理分析飞控模块中存储的带有配置信息的任务图像集，计算获得起重设备的垂直度；

进一步的，无人机获取任务图像集时需要保证无人机到起重设备支架截面的距离不变。

进一步的，无人机采用双rtk定位，可以在强电、磁干扰下获得高精度的定位。

本发明的有益效果是：针对如何检测起重设备垂直度，提出了一种基于无人机图像的起重设备垂直度检测方法及系统，该检测方法具有安全风险低、高空检修能力强、测量精度高的特点。

附图说明

图1为起重设备垂直度示意图，其中x为起重设备支架顶部与支架底部的水平偏移量，h为设备支架高度。

图2为垂直度激光垂准仪测量图。

图3为参照点横向坐标成影示意图，其中l2-w为所选参照点，o为像源，f为相机焦距，α为成像点与光轴的夹角，l2为l2-w在像平面上的成像点，l2’为相机旋转θ角后l2-w在像平面上的成像点。

图4为无人机系统结构示意图，其中①为平台机载双rtk、②为实时图像传输、③为机载任务计算机、④为双云台相机、⑤为双云台相机转轴、⑥为毫米波雷达、⑦为遥控器、⑧为地面站、⑨为vr眼镜。

图5为具体实施例1中底部成像图。

图6为具体实施例1中顶部成像图。

图7为具体实施例2中底部成像图。

图8为具体实施例2中顶部成像图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

1)通过飞控模块控制无人机飞行至起重设备一定距离外，上下左右移动飞行器，使其悬停在特种设备底部，调整摄像头焦距，使设备机架尽可能填满屏幕，拍下垂直度检测底部图像如附图5所示，记录下此时无人机根据双rtk定位获得的位置信息(xw1，yw1)＝(0，1231)及摄像头旋转角度θ1＝90°；

2)通过飞控模块控制飞行器垂直上升，直至摄像屏幕能观察到设备机架的顶部，保持摄像头焦距不变，拍下垂直度检测顶部图像如附图6所示，记录下此时无人机根据双rtk定位获得的位置信息(xw2，yw2)＝(533，60163)及摄像头旋转角度θ2＝82°；

3)将步骤1)获得的底部图像、步骤2)获得的顶部图像导入到图像处理模块中；

4)选取步骤3)中导入的底部图像图，通过人机交互，由操作人员用鼠标在图像上分别绘制水平线、竖直线，并输入其代表的真实距离完成图像定标，得到图像的空间分辨率kx＝0.8321，ky＝0.8733；

5)通过人机交互，由操作人员分别在步骤3)中导入的底部图像、顶部图像的左侧支撑杆上用鼠标绘制水平线，程序自动计算水平线中点即参考点l1(x1，y1)＝(621，1400)、l2(x2，y2)＝(400，1350)；

6)根据l2(x2，y2)、旋转角度θ1、旋转角度θ2、图像像素宽度w，计算l2点在θ1坐标系下的坐标(x′2_θ1，y′2_θ1)：本实施例情况如附图3(b)所述，按式(4-2)、(4-7)计算可得(x′2_θ1，y′2_θ1)＝(648，1350)：

y′2_θ1＝y′2(4-7)

其中：θ为相对旋转角度且θ＝θ2-θ1，w为图像像素宽度，f为相机焦距；

7)根据成像时位置偏移量，计算获得l2点在l1坐标系下的坐标(x2’，y2’)＝(1289，68832)，计算公式如下式(5-1)～(5-2)所示：

8)起重机的垂直度可按式(3)计算，可得δl＝0.009439：

实施例2：

1)通过飞控模块控制无人机飞行至起重设备一定距离外，上下左右移动飞行器，使其悬停在特种设备底部，调整摄像头焦距，使设备机架尽可能填满屏幕，拍下垂直度检测底部图像如附图7所示，记录下此时无人机根据双rtk定位获得的位置信息(xw1，yw1)＝(0，3536)及摄像头旋转角度θ1＝100°；

2)通过飞控模块控制飞行器垂直上升，直至摄像屏幕能观察到设备机架的顶部，保持摄像头焦距不变，拍下垂直度检测顶部图像如附图8所示，记录下此时无人机根据双rtk定位获得的位置信息(xw2，yw2)＝(253，15971)及摄像头旋转角度θ2＝104°；

3)将步骤1)中获得的底部图像、步骤2)中获得的顶部图像导入到图像处理模块中；

4)选取步骤3)中导入的底部图像图，通过人机交互，由操作人员用鼠标在图像上分别绘制水平线、竖直线，并输入其代表的真实距离完成图像定标，得到图像的空间分辨率kx＝0.8433，ky＝0.8231；

5)通过人机交互，由操作人员分别在步骤3)中导入的底部图像、顶部图像的左侧支撑杆上用鼠标绘制水平线，程序自动计算水平线中点即参考点l1(x1，y1)＝(1203，1380)、l2(x2，y2)＝(1306，1350)；

6)根据l2(x2，y2)、旋转角度θ1、旋转角度θ2、图像像素宽度w，计算l2点在θ1成像坐标系下的坐标(x′2_θ1，y′2_θ1)：本实施例情况如附图3(e)所述，按式(4-5)、(4-7)计算可得(x′2_θ1，y′2_θ1)＝(1045，1350)：

y′2_θ1＝y′2(4-7)

其中：θ为相对旋转角度且θ＝θ2-θ1，w为图像像素宽度，f为相机焦距；

7)根据成像时位置偏移量，计算获得l2点在l1坐标系下的坐标(x2’，y2’)＝(1345，16457)，计算公式如下式(5-1)～(5-2)所示：

8)起重机的垂直度可按式(3)计算，可得δl＝0.009630：