一种用于根据照片计算裂缝尺寸的无人机设备的制作方法

本发明涉及一种用于根据照片计算裂缝尺寸的无人机设备，特别是一种可用于混凝土结构裂缝尺寸量测的无人机。

背景技术：

现代建筑在其正常使用过程中或经历地震等自然灾害后，由于建筑材料自身原因以及外加荷载影响，结构会产生变形、不均匀沉降、严重破坏等不利现象导致结构失稳或者失去承载能力。虽然实际工程中大部分建筑结构都是带裂缝工作的，但当裂缝宽度超过阈值时不仅影响建筑外观，给使用者危险感，严重地还会影响构件的承载力、耐久性。

在对建筑的耐久性进行评估的时候，其中一项重要指标是裂缝宽度。验证建筑的耐久性，很大程度上是验证裂缝宽度是否超出限值。

工程实际中裂缝检测依靠专业人员进行，即使用用裂缝检测仪或者标尺去寻找并测量裂缝尺寸。但是此传统检测方法有成本高、效率低、人力安全保障低、精度低等问题，特别是在地震过后，余震可能会持续较长的一段时间，且余震震级也难以预测，此时让工作人员进入房屋内部进行作业对其人身安全会有较大威胁。相比之下利用小体积的无人机代替人工进行检测，利用无人机自身独特的快速标记方式和视角优势，不仅能使检测数据资料更加完整，更重要的是可以降低工作人员的风险。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于根据照片计算裂缝尺寸的无人机设备，用于解决当下缺少可对结构裂缝尺寸进行准确检测的无人机设备的问题。本发明的具体组成技术方案为：用于根据照片计算裂缝尺寸的无人机设备，包括无人机平台、功能模块组、地面控制站以及地面数据处理中心。

无人机平台使用民用无人机飞行器作为搭载工具。平台分为无人机与功能模块组。

该无人机包括无人机框架、动力系统、数据接口与协处理器。其中，无人机框架为无人机物理结构，用于对元件提供支撑，具有较高的强度且质量较轻。与该无人机框架配套设置有动力系统，该动力系统设有四枚马达，每一枚马达由单独的一枚电池供电，以保证无人机的飞行时长；无人机上设置有稳定装置，以保证飞行的稳定性，减小畸变。该无人机的功能有：根据地面控制站的指令实现飞行、转向等动作，以保证基础的飞行能力。

无人机上设有数据接口，无人机通过数据接口与功能模块组相连，使得地面发出的控制指令可以通过无人机控制功能模块组的活动。

无人机上设置有协处理器，用来处理接收到的飞行指令以及处理无人机的位置信息，使得无人机能够按照指令随时调整飞行姿态，以及实现无人机按设定路线自动飞行。

无人机上设置有协处理器。该协处理器主要对无人机的飞行状态数据进行处理。图像采集模块以及传感器组所采集到的数据，包括图像数据、距离数据和光线条件数据，均由该处理器进行处理，以保证其时效性。同时，该处理器可实现对所采集到的图像数据自动进行预处理，提高地面数据处理中心的工作效率。

无人机设有功能模块组。功能模块组设置有图像采集模块、超声波测距模块、激光发射模块、数据传输模块。该模块组通过数据接口与无人机主体相连，并通过无人机整体与地面控制站和数据处理中心通过无线信号相连接，它们之间可以进行数据的交换，可由地面控制站发送控制信号再由无人机接收，同时可通过数据传输模块将图像数据、飞行状态数据等传输至地面控制站和数据处理中心。

图像采集模块所包括的主要数据采集相机用于图像信息的采集。该模块由两组焦距长短不同的摄像头组成，可以根据工作场景的需要分别进行工作，也可以由两枚镜头配合工作实现一定范围内的变焦功能。在特定的场景下进行图像采集时，同一时间仅由其中一枚镜头工作，另一枚镜头不工作或者作辅助变焦使用。使用时，由操作人员判断使用场景，例如，当需要进行长度较大的裂缝进行长度方向的测量时，又或者需要测量结构物表面混凝土剥落后的面积时，由操作人员调用焦距较长的镜头进行图像采集；当需要对细部破损坏进行检测时，例如需要测量裂缝的宽度或者细小空洞直径时，则由操作人员调用焦距较短镜头进行拍摄；对某一部分需要。另外，两枚相机组成的设备可以用于检测平面，辅助减小相机拍照的形变。两组相机由地面控制站分别操作，独立向地面传递数据，互不干扰，拓宽了图像采集的适用范围。

该图像采集模块除由的两枚不同焦距的相机所组成的主要数据采集模块之外，还包括相应辅助数据采集模块。辅助数据采集模块包括光线传感器与照明设备，与地面控制站通过无线信号相连，向地面控制站与数据处理中心发送数据并接收地面控制站发送的控制指令。该模块用于当主要数据采集模块在弱光或者无光环境下无法正常使用时进行照明，例如在倾覆的房屋内部、地下室等空间内便可以使用该模块进行工作。光线传感器用于判别环境的亮度，在光强降至一定值以下时提醒操作人员打开照明设备。该照明设备由九枚led灯珠组成，可根据灯珠点亮的个数调节光线的明暗，防止拍摄得到的照片发生过度曝光。

超声波测距模块用于采集距离数据，用于判断无人机在室内空间的相对位置，由两个一组，共六组超声波测距传感器组成，分别布置在无人机的前、后、左、右、上、下六个方向上，工作方式为：先由两组镜头确定一个待测平面，由前方传感器向墙面发射测距信号，比较两道激光束的长度，进行微调，直到两道光束的长度相同；随后另外五组传感器依次重复此操作，最终使得无人机与室内六个平面保持相对垂直，配合镜头对平面的检测，以此减小拍摄角度带来的图像畸变。

功能模块组中设置激光发射模块，可由操作者进行挡位调节，用于向墙面发射大小相对固定的光斑，作为测量的参照物。

无人机上设置的功能模块组中的数据传输模块，兼有数据的存储和传输功能。用于对图像采集模块所采集的数据进行传输与保存，同时保证地面控制站与无人机之间的稳定数据连接。该模块采用wi-fi信号与地面控制站相连。该模块提供多个接口，可接入存储卡等外接存储设备。

整套设备包括地面控制站，该控制站包括遥控器、用户端显示屏与信号放大设备，配有配套操作软件。地面站可实时显示无人机的各种姿态信息和测量相机获取的高质量影像信息，用于对无人机的飞行状态进行控制和调整，并由操作人员进行操作。

地面数据处理中心拥有独立的运算能力，使用高性能计算机处理数据，运行独立应用程序对裂缝的尺寸进行测量，通过无线传输或载体传输接收无人机所采集到的数据，并对接收到的数据进行分析处理。主要是判别裂缝的边缘，再进行尺寸的测量。其特征方法在于：得到原始照片后首先按1.0×、10×、20×的比例进行缩放至可视大小；第二步由处理中心判断激光光斑和待测裂缝的边缘，由计算机计算光斑纵、横方向上的单位像素个数，分别记作nl、nm，计算平均个数以减小相对误差；由计算机自行计算裂缝纵向单位像素个数，记作ml；再由人工自行选择待测位置，由计算机计算该位置裂缝横向单位像素个数mc。根据设定的光斑边长尺寸l0，计算裂缝尺寸公式如下：

本发明提供了一种可用于室内结构检测的无人机。具备以下有益效果：

无人机进行作业时，可通过前置的距离传感器组与摄像头的协同工作，自动寻找与第一面墙体垂直的位置。通过飞行控制指令对无人机的飞行状态进行实时调节，使无人机螺旋助推器轴与测距线所成面垂直，并以此为原点建立空间笛卡尔坐标系，通过无人机在空间中的相对坐标来确定所测构件的位置，有效减小拍摄得到的图像发生的畸变。检测时，无人机根据实际情况调用相机进行数据采集。焦距较长的镜头用于对墙面整体进行扫描，焦距较短的镜头用于扫描细小部分。正常的检测条件下，首先由无人机对整体进行扫描，接着对细节处拍照，保证没有缺漏。配合环境光传感器，可协助操作人员判断是否需要调用辅助拍摄模块或照明模块对暗部进行数据采集。照明模块可由操作人员通过地面控制站进行亮度调节。所得图像数据通过通信模块传输至地面数据处理中心，根据以下步骤进行数据处理：

得到原始照片后首先按1.0×、10×、20×的比例进行缩放至可视大小；第二步由处理中心判断激光光斑和待测裂缝的边缘，由计算机计算光斑纵、横方向上的单位像素个数，分别记作nl、nm，计算平均个数以减小相对误差；由计算机自行计算裂缝纵向单位像素个数，记作ml；再由人工自行选择待测位置，由计算机计算该位置裂缝横向单位像素个数mc。根据设定的光斑边长尺寸l0，计算裂缝尺寸公式如下：

处理得出具体尺寸数据，包括：裂缝的长度尺寸、裂缝的宽度尺寸、房屋长宽高三维尺寸。得到上述数据后，再根据设定的阈值，得出房屋安全性结论，包括结构的承载能力与正常使用的可靠性。本发明所达成的无人机设备具有适用范围广、轻量化、智能化的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例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为无人机设备各部分层级组成关系图；

图2为无人机设备各部分相互联系关系图；

图3为无人机设备工作流程图；

图4为尺寸计算原理流程图。

具体实施方式

本发明为一种用于根据照片计算裂缝尺寸的无人机设备，其包括无人机平台、功能模块组、地面控制站以及地面数据处理中心。其中，无人机上设置功能模块组。地面控制站包括指令发射用遥控器以及显示屏。

无人机设备各部件的组成、连接关系为：无人机框架和动力系统组成了可搭载功能模块组的无人机平台，无人机上的功能模块组通过数据接口与无人机平台连接。超声波测距模块包括超声波测距传感器用十二枚，两个一组，共六组，分别布置在无人机的前、后、左、右、上、下六个方向上。图像采集模块集成在吊舱中，采用并列式布局，依次为：主要数据采集模块、辅助数据采集模块。环境光传感器和辅助数据采集模块集成在一起。上述传感器均通过总线与无人机协处理器相连接，该处理器与数据传输模块相连接，图像采集模块也与数据传输模块相连接。以上元件均通过数据传输模块的通信功能与地面站中的地面控制站和地面数据处理中心相连接。无人机的协处理器与各传感器模块集成在飞行器内部。

使用前需要先手动控制无人机从室外大空间飞至室内预定位置处，并设置相对应的检测任务，无人机通电后待系统自检完成，连接无人机和地面站设备，进行实时同步传输，即可开始自动进行坐标测定与计算，并将对应的待测文件夹添加至指定位置，完成作业前的初步设定。

本发明具体工作原理和工作过程为：第一步，检测准备。首先由地面控制站的操作人员通过无人机相应控制程序对无人机下达相应指令，控制无人机飞至待测检测点处，由操作人员判断工作环境是否合适，若不适合采用无人机设备进行操作则应该换选传统检测方法。判断完成后，进行相关参数调试，参数具体包括：工作面的选择、飞行时间控制、设置精度要求、设置运动速度、调节相机参数。待调节完成后，连通无人机检测模组的电源，开机等待系统自检。系统自检完成后，激活功能模块组以及其相应运行程序。第二步，检测。由无人机通过前置的距离传感器与两组镜头的协同工作，自动寻找与第一面墙体垂直的位置，确定工作面。随后即开始检测。控制悬停，调用长焦相机对墙面进行扫描，首先对大面进行检测。待此环节完成后，由操作人员按需求调用短焦相机接着对细部进行进一步的检测。细部检测具体包括：框架结构梁、柱、节点、剪力墙、窗间墙、楼梯间等部位的裂缝处。检测时，由无人机上搭载的图像采集模块采集该面的图像数据。第三步，对数据进行分析。无人机采集的图像数据传至地面数据处理中心后，由计算机运行独立的应用软件对图片数据进行分析，即对图片上裂缝的长度尺寸、裂缝的宽度尺寸进行测量。测量的具体方法为：得到原始照片后首先按1.0×、10×、20×的比例进行缩放至可视大小；第二步由处理中心判断激光光斑和待测裂缝的边缘，由计算机计算光斑纵、横方向上的单位像素个数，分别记作nl、nm，计算平均个数以减小相对误差；由计算机自行计算裂缝纵向单位像素个数，记作ml；再由人工自行选择待测位置，由计算机计算该位置裂缝横向单位像素个数mc。根据设定的光斑边长尺寸l0，计算裂缝尺寸公式如下：

得到上述数据后，再根据设定的阈值，得出房屋安全性结论，包括结构的承载能力与正常使用的可靠性。