一种基于空中机器人的工程边坡质量检测方法及系统与流程

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种基于空中机器人的工程边坡质量检测方法及系统。

背景技术：

工程边坡是指线路近旁的天然斜坡或经施工开挖形成的路堑斜坡、填筑形成的填方斜坡等。依据《公路路基设计规范》JTGD30-2004规定：土质挖边坡高度大于20米、岩质挖方边坡高度大于30米的边坡为高边坡。

由于工程边坡系统是一个开放的复杂系统，其稳定性受地质因素和工程因素等的综合影响。这些因素有些是确定性的，但是大部分具有随机性、模糊性、可变性等不确定性特点，它们对不同类型边坡岩体稳定性的影响权重是变化的，这些因子之间有复杂的非线性关系，因此在边坡岩体稳定性分析过程中应依据具体情况动态地选择参评因素。而对于边坡工程监测主要是了解地质类型和变形机理，随着不断地发展，由原来的人工简易皮尺工具到现在的仪器监测，又正在向高精度、自动化的远程系统的边坡工程监测技术发展。根据监测后得到的结果，找到坡体滑坡、崩塌等动态变化的规律，预测可能发生的灾害。

工程边坡检测是当前公路检测一项重要指标。传统的工程边坡检测中最常见的方法是以位移量监控为主的检测原则，通过获取目标不同时刻的位置值，得出位移量的变化，依据位移量变化的大小和现场的实际情况进行灾害的判定，从而对可能出现的坍塌、滑坡、崩塌等灾害做好检测和预防。

目前对边坡灾害的检测方法包括简易观测法、设站观测法、仪表观测法。

(1).简易观测法

简易观测法适合观测发生灾害的坡体，通过人工观测，对坡体产生的崩塌沉降、地表膨胀、裂缝等迹象都有进一步的了解，并在有容易崩塌或已经发生崩塌的地方，做上标记，通过对比不同时间，不同温度条件下，裂缝规模、开态、深度、长度、宽度以及开裂延伸的方向，根据其发展趋势，分析是哪个时期的滑动。

(2).设站观测法

通过了解工程区地址背景的情况后才可以用，把坡体划分成线状或者网格状的区域，固定的观测点(这个点不能在变形区的影响范围内)，用多种测量方法和精密的仪器，在不同的时间进行观测。其中常见的方法包括：大地测量法、GPS测量法、近景摄影法。

(3).仪表观测法

仪表观测法主要是运用精密的仪器进行边坡工程监测，对于不用的检测类型，使用的仪器也有所不同，对于变形量较小的边坡检测应该用精度高的短程仪表，而对于滑坡、剧变等应该用量测范围可调的仪器。

以上传统的三个检测方法有一个共同的特点就是需要人工参与，需要施工人员对岩体进行全面的监控和定期检测，特别是在大雨之后或地震过后的检测显得尤为重要。但是，我国地质特殊，岩石种类颇多，边坡内部岩土也具有一定的复杂性，传统的人工检测方法具有劳动强度大、工作效率低、检测的精度不高的缺点，尤其是在高边坡检测时往往伴随着一定的危险性，容易造成人员的伤亡。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于空中机器人的工程边坡质量检测及其系统，旨在解决现有技术中人工检测的精度不高、检测效率较低且检测的安全性较差的问题。

本发明提出一种基于空中机器人的工程边坡质量检测方法，主要包括：

信息采集步骤、利用所述空中机器人对工程边坡预先划分的多个作业面中的起始作业面进行敲击，以获取对所述起始作业面敲击的振动信息；

缺陷判断步骤、根据所述振动信息判断所述起始作业面是否有缺陷；

循环检测步骤、利用上述两个步骤中的方法依次对剩下的多个作业面一一进行检测。

另一方面，本发明还提供一种基于空中机器人的工程边坡质量检测系统，主要包括：

信息采集模块，用于利用所述空中机器人对工程边坡预先划分的多个作业面中的起始作业面进行敲击，以获取对所述起始作业面敲击的振动信息；

缺陷判断模块，用于根据所述振动信息判断所述起始作业面是否有缺陷；

循环检测模块，用于利用上述两个模块中的方法依次对剩下的多个作业面一一进行检测。

本发明提供的技术方案，通过对整个区域进行拍摄，制定空中机器人的飞行路径，可一次性快速执行对整个工程边坡的全面检测，极大节省了人力和时间成本，并大大提高了检测效率；对于高边坡检测，利用空中机器人替代人工有效避免了高空作业的危险，对于陡边坡检测，利用空中机器人替代人工有效避免了边坡突然垮塌带来的危险，进而极大提高了检测的安全性；同时，使用敲击测振的方式对得到的振动信号进行傅里叶变换和欧几里德算法匹配，得到的检测数据更加准确明朗，进而极大的提高了检测的精度。

附图说明

图1为本发明一实施方式中基于空中机器人的工程边坡质量检测方法的流程图；

图2为本发明一实施方式中搭载光学相机的空中机器人定点飞行拍摄整个工程坡面区域清晰照片图；

图3为本发明一实施方式中的基于空中机器人的工程边坡质量检测系统10的内部结构示意图；

图4为本发明一实施方式中空中机器人的立体示意图；

图5为本发明一实施方式中图4所示空中机器人的AA线剖面示意图；

图6为本发明一实施方式中图4所示空中机器人的BB线剖面示意图；

图7为本发明一实施方式中图4所示空中机器人的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下将对本发明所提供的一种基于空中机器人的工程边坡质量检测进行详细说明。

请参阅图1，为本发明一实施方式中基于空中机器人的工程边坡质量检测流程图。

在步骤S1中，信息采集步骤、利用所述空中机器人对工程边坡预先划分的多个作业面中的起始作业面进行敲击，以获取对所述起始作业面敲击的振动信息。

在本实施方式中，所述空中机器人包括自动敲击装置，所述自动敲击装置包括电机1、联轴器2、凸轮3、敲击杆4和套筒5，所述电机1通过所述联轴器2控制所述凸轮3，通过所述电机1带动所述凸轮3的转动，所述凸轮3的转动控制所述敲击杆4的直线运动，所述套筒5固定约束所述敲击杆4使得所述敲击杆4只能沿着套筒5的方向直线运动，电机1、联轴器2、凸轮3均收容在同一个固定匣9内，所述空中机器人还包括固定在所述套筒5上的振动传感器6，其中，所述信息采集步骤具体包括：

通过所述自动敲击装置对工程边坡预先划分的多个作业面中的起始作业面进行敲击，并利用所述振动传感器6采集对所述起始作业面敲击的振动信息；

将采集到所述振动信息中所包括的振动信号进行采样，并利用傅里叶变换得到所述振动信号的频谱图；

将所述振动信号的频谱图与已存储在数据库中的频谱图进行对比，并利用欧几里德距离算法进行匹配，其中，已存储在数据库中的频谱图包括工程边坡确认完好的振动频谱图和工程边坡确认有缺陷的振动频谱图。

在本实施方式中，利用空中机器人能实现其在飞行过程中的准确三维定位，即包括纵向定位(Z轴)、轴向定位(Y轴)以及横向定位(X轴)。

空中机器人在对工程坡面进行检测时离建筑物是维持在一个比较近的距离，其GPS信号极易受到建筑物干扰，如何确保空中机器人的纵向垂直定位是个重要不容忽视的问题。本发明提供的技术方案中，空中机器人使用Pixhawk飞控板，该Pixhawk飞控板能够采用先进的定高算法，仅凭气压高度计变将其自身高度限定在1m以内。本发明提供的技术方案中，还在Pixhawk飞控板上还开发了光流模块，采用光流传感器用于获取空中机器人的速度等飞行参数，利用Pixhawk飞控板上的GPS模块判断空中机器人位置信息的可靠性，最终采取互补滤波器将光流传感器信息与GPS信息进行融合，实现光流/GPS的自切换，特别是在靠近外墙，其GPS信号收到干扰，本发明能够有效结合光流定位与GPS定位来实现精确定位。除此之外，本发明还在空中机器人底部装设了一对超声波传感器，用于辅助定位，针对空中机器人起飞过程中容易出现坠毁的现象，安设一个超声波传感器具有很好辅助效果，然而超声波传感器一般在低空7m以内的一个范围才能够发挥作用，高度过高则失去作用了。当空中机器人回到起点时，预先在Pixhawk飞控板设置的程序则会自动关闭超声波传感器或者还可以人为地通过地面控制站对安装在空中机器人上的超声波传感器进行即时控制。

横向水平定位主要采取GPS装置和一对超声波传感器(用于辅助定位，防止碰撞)，主要使空中机器人与外墙面保持一定距离。距离太近，空中机器人容易与外坡面相撞，从而导致飞行器坠毁。在空中机器人起飞前，已经通过地面控制站对Pixhawk飞控板写入程序，使其与外墙面保持一定距离。设空中机器人与外墙面之间的距离控制在2.5m±1m的一个范围，当空中机器人与外墙面距离大于2.5m时，在Pixhawk飞控板上预先输入的程序则会使空中机器人朝里飞行一段距离，使得距离达到2.5m；当空中机器人与外墙面距离小于2.5m时，则会使空中机器人朝外飞行一段距离，使得距离达到2.5m。实际应用中，空中机器人总会因各种因素在空中略微漂移，特别是在其GPS信号收到周围建筑物干扰的时候。除此之外，本发明的横向水平定位还采用了红外扫描雷达，其测量距离范围为10米以内，与超声波传感器相似。不同的是，红外扫描雷达能够在空中机器人顶部对其周围环境进行全方位360度的扫描，而超声波传感器只能定向测距。特别是在建筑物外形不是标准平面时，仅仅使用超声波传感器不能实现空中机器人有效避障，容易顾此失彼。

空中机器人在空中飞行时，其沿X轴方向的定位主要通过GPS装置，GPS装置的水平定位精度为1到2m。与轴向定位(Y轴)相类似，在空中机器人起飞前，通过地面控制站对Pixhawk飞控板写入程序。飞行过程中飞控板能够读取GPS装置的数据，并根据预先输入的程序调整电机1输出，从而控制自身飞行状态。空中机器人偏离预设方向，预先写入的程序则会使空中机器人回归飞行路线。

在步骤S2中，缺陷判断步骤、根据所述振动信息判断所述起始作业面是否有缺陷。

在本实施方式中，所述缺陷判断步骤具体包括：

如果利用欧几里德距离算法得出所述振动信号的频谱图与已存储在数据库中的工程边坡确认完好的振动频谱图是匹配的话，则判断当前检测的作业面对应的工程边坡是完好的；

如果利用欧几里德距离算法得出所述振动信号的频谱图与已存储在数据库中的工程边坡确认有缺陷的振动频谱图是匹配的话，则判断当前检测的作业面对应的工程边坡是有缺陷的。

在本实施方式中，实际应用中事先会在数据库里存储多个工程边坡确认完好的振动频谱图以及多个工程边坡确认有缺陷的振动频谱图，作为后续匹配的参考标准。

在本实施方式中，所述通过所述自动敲击装置对工程边坡预先划分的多个作业面中的起始作业面进行敲击，并利用所述振动传感器6采集对所述起始作业面敲击的振动信息的步骤具体包括：

规划所述空中机器人的飞行路径，确定所述起始作业面的检测点；

确定所述空中机器人与待测的工程边坡的坡面横向距离；

根据规划的飞行路径以及确定的检测点开启飞行敲击检测；

利用所述振动传感器6采集对所述起始作业面敲击的振动信息。

在本实施方式中，搭载光学相机的空中机器人定点飞行拍摄整个工程坡面区域清晰的照片若干张，如图2所示。然后通过Matlab软件对图像进行处理(即栅格化)，规划设计空中机器人的飞行路径，同时实时监测空中机器人的飞行状态，并根据任务需求实时对其航路进行路径规划。在规划所述空中机器人的飞行路径之后，确定所述起始作业面的检测点，使得空中机器人得以在空中找到定位悬停。

在本实施方式中，确定所述空中机器人与待测的工程边坡的坡面横向距离，用于确保在空中机器人不撞击作业面的情况下敲击杆4能接触到作业面并且振动传感器6贴紧作业面。

在步骤S3中，循环检测步骤、利用上述两个步骤中的方法依次对剩下的多个作业面一一进行检测。

本发明提供的一种基于空中机器人的工程边坡质量检测方法，通过对整个区域进行拍摄，制定空中机器人的飞行路径，可一次性快速执行对整个工程边坡的全面检测，极大节省了人力和时间成本，并大大提高了检测效率；对于高边坡检测，利用空中机器人替代人工有效避免了高空作业的危险，对于陡边坡检测，利用空中机器人替代人工有效避免了边坡突然垮塌带来的危险，进而极大提高了检测的安全性；同时，使用敲击测振的方式对得到的振动信号进行傅里叶变换和欧几里德算法匹配，得到的检测数据更加准确明朗，进而极大的提高了检测的精度。

请参阅图3，所示为本发明一实施方式中的基于空中机器人的工程边坡质量检测系统10的结构示意图。

在本实施方式中，基于空中机器人的工程边坡质量检测系统10，主要包括信息采集模块11、缺陷判断模块12以及循环检测模块13。

信息采集模块11，用于利用所述空中机器人对工程边坡预先划分的多个作业面中的起始作业面进行敲击，以获取对所述起始作业面敲击的振动信息。

在本实施方式中，所述空中机器人包括自动敲击装置，所述自动敲击装置包括电机1、联轴器2、凸轮3、敲击杆4和套筒5，所述电机1通过所述联轴器2控制所述凸轮3，通过所述电机1带动所述凸轮3的转动，所述凸轮3的转动控制所述敲击杆4的直线运动，所述套筒5固定约束所述敲击杆4使得所述敲击杆4只能沿着套筒5的方向直线运动，所述空中机器人还包括固定在所述套筒5上的振动传感器6，其中，所述信息采集模块11具体用于：

通过所述自动敲击装置对工程边坡预先划分的多个作业面中的起始作业面进行敲击，并利用所述振动传感器6采集对所述起始作业面敲击的振动信息；

将采集到所述振动信息中所包括的振动信号进行采样，并利用傅里叶变换得到所述振动信号的频谱图；

将所述振动信号的频谱图与已存储在数据库中的频谱图进行对比，并利用欧几里德距离算法进行匹配，其中，已存储在数据库中的频谱图包括工程边坡确认完好的振动频谱图和工程边坡确认有缺陷的振动频谱图。

在本实施方式中，所述信息采集模块11具体还用于：

规划所述空中机器人的飞行路径，确定所述起始作业面的检测点；

确定所述空中机器人与待测的工程边坡的坡面横向距离；

根据规划的飞行路径以及确定的检测点开启飞行敲击检测；

利用所述振动传感器6采集对所述起始作业面敲击的振动信息。

缺陷判断模块12，用于根据所述振动信息判断所述起始作业面是否有缺陷。

在本实施方式中，所述缺陷判断模块12具体用于：

如果利用欧几里德距离算法得出所述振动信号的频谱图与已存储在数据库中的工程边坡确认完好的振动频谱图是匹配的话，则判断当前检测的作业面对应的工程边坡是完好的；

如果利用欧几里德距离算法得出所述振动信号的频谱图与已存储在数据库中的工程边坡确认有缺陷的振动频谱图是匹配的话，则判断当前检测的作业面对应的工程边坡是有缺陷的。

循环检测模块13，用于利用上述两个模块中的方法依次对剩下的多个作业面一一进行检测。

本发明提供的一种基于空中机器人的工程边坡质量检测系统10，通过对整个区域进行拍摄，制定空中机器人的飞行路径，可一次性快速执行对整个工程边坡的全面检测，极大节省了人力和时间成本，并大大提高了检测效率；对于高边坡检测，利用空中机器人替代人工有效避免了高空作业的危险，对于陡边坡检测，利用空中机器人替代人工有效避免了边坡突然垮塌带来的危险，进而极大提高了检测的安全性；同时，使用敲击测振的方式对得到的振动信号进行傅里叶变换和欧几里德算法匹配，得到的检测数据更加准确明朗，进而极大的提高了检测的精度。

请参阅图4，所示为本发明一实施方式中空中机器人的立体示意图。

请参阅图5，所示为本发明一实施方式中图4所示空中机器人的AA线剖面示意图。

请参阅图6，所示为本发明一实施方式中图4所示空中机器人的BB线剖面示意图。

请参阅图7，所示为本发明一实施方式中图4所示空中机器人的俯视图。

如上述图4-7所示，空中机器人包括上述的自动敲击装置，该自动敲击装置，包括电机1、联轴器2、凸轮3、敲击杆4和套筒5，所述电机1与所述联轴器2紧密连接，并通过所述联轴器2控制所述凸轮3，通过所述电机1带动所述凸轮3的转动，且所述凸轮3与所述敲击杆4的一端连接，所述凸轮3的转动控制所述敲击杆4进行直线运动，并在做直线运动时利用所述敲击杆4的另一端对目的物进行敲击，所述套筒5固定约束所述敲击杆4使得所述敲击杆4只能沿着套筒5的方向进行直线运动。

在本实施方式中，所述自动敲击装置还包括固定在所述套筒5上的振动传感器6，以收集所述敲击杆4在做直线运动时对目的物进行敲击所产出的振动信号。

在本实施方式中，所述自动敲击装置还包括靠近所述敲击杆4的另一端设置的固定板8，所述固定板8的底部包括至少一个圆形通孔且通孔的直径与所述套筒5的外径相吻合，以固定板8持在所述套筒5上。

在本实施方式中，所述固定板8的顶部包括半封闭的收容匣，且在所述收容匣内设置有泡沫7，所述振动传感器6的一部分伸入所述收容匣内并与所述泡沫7接触。所述振动传感器6的另一部分伸出所述收容匣外。

在本实施方式中，所述电机1包括凸字形的前端，所述联轴器2的顶部包括第一凹槽，且所述电机1的前端与所述联轴器2的第一凹槽相吻合并紧密连接。

在本实施方式中，所述联轴器2的底部包括第二凹槽，且所述凸轮3与所述联轴器2的第二凹槽相吻合并紧密连接，所述联轴器2的纵截面呈现H形。

在本实施方式中，所述自动敲击装置还包括弹簧，设置在所述套筒5的一端。自动敲击装置内装有弹簧给敲击杆4往回运动的作用力，使得敲击杆4紧贴凸轮3表面，配合凸轮3做往复运动。

在本实施方式中，所述空中机器人的底端对称的设置有一对支撑部，且每一支撑部均呈T形并都包括水平杆和垂直杆，所述一对支撑部各自的水平杆相互平行且在同一水平面上，所述一对支撑部各自的垂直杆以八字形相互支撑着所述空中机器人的主体部分。

在本实施方式中，所述空中机器人的顶端包括旋转部，所述旋转部包括水平设置的六个旋转翼，所述六个旋转翼均匀的分布在所述旋转部的中心圆周上，且每一个旋转翼呈T形。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。