无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统与标记方法与流程

1.本发明属于建筑物隐性缺陷探测领域，特别涉及用于无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统与标记方法。


背景技术：

2.混凝土坝、悬索桥桥塔等高耸建筑物中人员难到达部位的隐性缺陷是建筑结构的重大隐患，这些隐性缺陷的探测发现技术已成为当前研究的热点。目前，虽然各种探测手段结合无人机平台的技术，已初步实现了人员难达部位隐性缺陷的探测发现；但是对于隐性缺陷，特别是其中的微小缺陷(例如裂缝张口宽度小于0.05mm)，在探明之后其形态参数测量与分布位置定位的精度却难以保障，存在已探明的隐性缺陷“测量与定位不准”的困境。
3.常用的基于无人机自带gps系统定位空间坐标反算隐性缺陷空间位置的方法，由于无人机自身的空间定位精度对gps信号强度要求高，高坝等野外环境下因gps信号弱容易出现较大的定位误差；并且，gps空间定位出的为绝对坐标，还需要解决将绝对坐标映射到被探测对象的工程坐标的问题。另外，由于微小缺陷尺度小，直接从包含缺陷的摄影图像中测算缺陷尺寸，准确度往往难以保证。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统与标记方法，以解决现有方法对已探明的建筑物隐性缺陷的形态参数测量误差大、定位准确度低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明第一方面提供了无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统，所述附着式标尺系统包括：附着式标尺物单元、无人机、搭载于所述无人机上的弹射装置、rtk空间定位模块、可见光相机和环境状态传感器、以及无线遥控器；其中，
7.所述附着式标尺物单元，由硬脆装载体及其内部包裹的粘稠母液组成，且所述粘稠母液中包含具有标记性且带有基准刻度的轻质高亮标尺物；
8.所述弹射装置，用于存放附着式标尺物单元，并将附着式标尺物单元按照设定的弹射初速度与弹射角度弹射至建筑物表面已探明的隐性缺陷周围；
9.所述rtk空间定位模块，用于定位无人机的空间位置；
10.所述可见光相机，用于采集建筑物表面已探明的隐性缺陷区域图像并确定附着式标尺物单元的无人机弹射点位置，以及采集轻质高亮标尺物与隐性缺陷的同框图像、和轻质高亮标尺物与隐性缺陷所在建筑物中位置已知的参照物的同框图像；
11.所述环境状态传感器，用于测量无人机到已探明的隐性缺陷区域之间的距离，并监测弹射装置周围的环境风速；
12.所述无线遥控器，用于控制无人机的飞行参数以及弹射装置弹射附着式标尺物单元时的弹射初速度与弹射角度；
13.当所述硬脆装载体经弹射装置弹射至建筑物表面已探明的隐性缺陷区域时，因撞击作用而碎裂，粘稠母液从硬脆装载体中流出并附着在已探明的隐性缺陷区域周围，粘稠母液中的轻质高亮标尺物经粘稠母液粘附在已探明的隐性缺陷区域周围，进而用于轻质高亮标尺物周围隐性缺陷的标记指示与定位辅助。
14.优选的，所述粘稠母液中包含有3个或者3个以上具有标记性且带有基准刻度的轻质高亮标尺物。
15.优选的，所述粘稠母液为无色且透光性好的液态胶体，进一步优选为e44环氧树脂胶。
16.优选的，所述可见光相机为2000万像素、23倍混合光学变焦相机。
17.优选的，所述硬脆装载体为透明球形壳体，材质为玻璃或亚克力塑料；
18.优选地，所述硬脆装载体的球形壳体直径为40～60mm。
19.优选的，所述硬脆装载体的结构为玻璃球珠整体式或塑料半球拼接式。当硬脆装载体的结构为玻璃球珠整体式时，其经弹射装置弹射至隐性缺陷区域周围时，该玻璃球珠硬脆装载体整体因撞击而碎裂，释放出粘稠母液；当硬脆装载体的结构为塑料半球拼接式时，其经弹射装置弹射至隐性缺陷区域周围时，该塑料半球拼接式硬脆装载体因撞击在拼接处分散为两部分，粘稠母液得以释放。
20.优选的，所述轻质标尺物为填充有高亮材料的透明pvc塑料棒，所述透明pvc塑料棒底面直径为3～5mm，长度为30～50mm，且所述透明pvc塑料棒表面沿长度方向设有已知长度的基准刻度标记。
21.优选的，所述基准刻度为0.02～0.05mm。
22.优选的，所述高亮材料为蓄光型自发光材料，所述附着式标尺物单元表面包裹有遮光纸，通过取下所述遮光纸，使得轻质高亮标尺物因自发光标识而高亮。
23.优选的，所述高亮材料为紫外荧光粉，所述无人机上还搭载有紫外光灯，通过所述紫外光灯照射附着在隐性缺陷区域周围的轻质高亮标尺物，使得轻质高亮标尺物因荧光标记而高亮。
24.优选的，所述蓄光型自发光材料为碱土铝酸盐自发光材料或稀土铝酸盐自发光材料，进一步优选为sral2o4·
tb
3+
、sral2o4·
dy
3+
和sral2o4·
eu
2+
中的任一种。
25.本发明的第二方面提供了采用上述无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统进行标记人员难达位置混凝土隐性缺陷的方法，包括以下步骤：
26.s1、将附着式标尺物单元装配至搭载于无人机上的弹射装置中，其中，所述无人机上还搭载有环境状态传感器、rtk空间定位模块和可见光相机；
27.s2、基于已探明的隐性缺陷分布区位规划附着式标尺物单元的无人机弹射点位置，通过无线遥控器遥控无人机在rtk空间定位模块的定位辅助下抵达弹射点位置并悬停，同时采用环境状态传感器监测弹射装置周围的环境风速，并保证无人机与已探明的隐性缺陷区域之间至少有3m的安全距离；
28.s3、基于环境状态传感器测量的无人机到已探明的隐性缺陷区域的距离和环境风速，设定弹射初速度；基于可见光相机获得已探明的隐性缺陷区域相对于无人机悬停点的方位，设定弹射角度；然后通过无线遥控器驱动无人机上搭载的弹射装置按照设定的弹射初速度与弹射角度将附着式标尺物单元弹射至建筑物表面已探明的隐性缺陷区域，因撞击
作用使得附着式标尺物单元中的粘稠母液得以释放，轻质高亮标尺物随粘稠母液附着在已探明的隐性缺陷区域周围；
29.s4、利用可见光相机光学变焦，同框拍摄轻质高亮标尺物与隐性缺陷，基于摄影测量原理，通过轻质高亮标尺物中已知长度的基准刻度真实值与拍摄所得图像中基准刻度的图上距离，换算得到隐性缺陷图上形态参数的真实尺寸；
30.s5、利用可见光相机光学变焦，分别将轻质高亮标尺物与隐性缺陷所在建筑物中位置已知的参照物同框拍摄，以及将轻质高亮标尺物与隐性缺陷同框拍摄，基于摄影测量原理，获得轻质高亮标尺物相对参照物的平面位置、以及隐性缺陷相对轻质高亮标尺物的平面位置，再通过轻质高亮标尺物的过渡换算，得到隐性缺陷相对参照物的位置。
31.优选的，当所述附着式标尺物单元中的高亮材料为蓄光型自发光材料时，在将所述附着式标尺物单元装配到弹射装置中之前，取下所述附着式标尺物单元表面的遮光纸，将所述附着式标尺物单元置于太阳光下照射，使得蓄光型自发光材料吸收光照20min以上，然后装配到搭载于无人机上的弹射装置中。
32.优选的，当所述附着式标尺物单元中的高亮材料为荧光粉时，在进行步骤s4之前，通过无线遥控器驱动无人机开启搭载于其上的紫外光灯，照射附着在已探明的隐性缺陷区域周围的标尺物。
33.优选的，当所述附着式标尺物单元中的硬脆装载体的结构为塑料半球拼接式时，所述附着式标尺物单元布置在弹射装置中沿硬脆装载体拼接线与弹射装置竖直面平行的方向上。
34.本发明具备如下有益效果：
35.(1)本发明通过向已探明隐性缺陷(例如隐性裂缝)区域周围弹射醒目的轻质高亮标尺物，其中，轻质高亮标尺物表面设有已知长度的基准刻度标记，作为摄影图上距离与实际距离的换算基准；然后采用可见光相机光学变焦拍摄，将轻质高亮标尺物与已知位置的参照物，轻质高亮标尺物与隐性缺陷分别同框成像，即可通过轻质高亮标尺物的过渡换算，确定隐性缺陷相对参照物的位置；再根据轻质高亮标尺物中的基准刻度，基于摄影测量原理，获得隐性缺陷的形态参数的真实尺寸。本发明标记方法精确地实现了建筑物中人员难达位置(部位)隐性缺陷，特别是微小缺陷的定位与形态参数测量，且标记过程简单易实现。
36.(2)本发明提供的无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统构建成本低，给出的隐性缺陷位置定位结果是在被探测对象(即建筑物)本身的工程坐标系中，操作简便，且易于推广应用。
37.(3)本发明系统中的弹射装置可携带多枚附着标尺物单元，能够实现大量隐性缺陷区位的高效标记。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
39.图1为本发明无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统的示意图；
40.图2为本发明无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统中附着式标尺物单元的剖面图；
41.图3为当硬脆装载体为塑料半球拼接式时，在拼接处分散前(图3-a)和分散后的示意图(图3-b)；
42.图4为本发明无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统中轻质高亮标尺物的结构示意图；
43.图5为当硬脆装载体为塑料半球拼接式时，附着式标尺物单元在弹射装置中布置位置的示意图；
44.图6为实施例2中高混凝土坝坝面隐性裂缝标记过程的示意图。
45.图中：1、建筑物；2、无人机；3、附着式标尺物单元；4、无线遥控器；5、轻质高亮标尺物；6、隐性缺陷；7、参照物；8、粘稠母液；9、弹射装置。
具体实施方式
46.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
47.实施例1
48.参照图1-4，本发明实施例提供了无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统，包括：附着式标尺物单元3、无人机2、搭载于无人机2上的弹射装置9、rtk空间定位模块、可见光相机和环境状态传感器、以及无线遥控器4；其中，
49.附着式标尺物单元3，由硬脆装载体及其内部包裹的粘稠母液8组成，且粘稠母液8中包含具有(强)标记性且带有基准刻度的轻质高亮标尺物5；
50.弹射装置9，用于存放附着式标尺物单元3，并将附着式标尺物单元3按照设定的弹射初速度与弹射角度弹射至建筑物1表面已探明的隐性缺陷区域；
51.rtk空间定位模块，用于定位无人机2的空间位置；
52.可见光相机，用于采集建筑物1表面已探明的隐性缺陷区域图像并确定附着式标尺物单元3的无人机2弹射点位置，以及采集轻质高亮标尺物5与隐性缺陷区域的同框图像、和轻质高亮标尺物5与隐性缺陷6所在建筑物1中位置已知的参照物7的同框图像；
53.环境状态传感器，用于测量无人机2到已探明的隐性缺陷区域之间的距离，并监测弹射装置9周围的环境风速；
54.无线遥控器4，用于控制无人机2的飞行参数以及弹射装置9弹射附着式标尺物单元3的弹射初速度与弹射角度；
55.当硬脆装载体经弹射装置9弹射至建筑物1表面的已探明的隐性缺陷区域时，因撞击作用而碎裂，粘稠母液8从硬脆装载体中流出并附着在已探明的隐性缺陷区域周围，粘稠母液8中的轻质高亮标尺物5经粘稠母液8粘附在已探明的隐性缺陷区域周围，进而实现轻质高亮标尺物5周围隐性缺陷6的标记指示与定位辅助。
56.其中，粘稠母液8中包含有3个或者3个以上具有强标记性且带有基准刻度的轻质高亮标尺物5；粘稠母液8为无色且透光性好的液态胶体，具体为e44环氧树脂胶；可见光相
机为2000万像素、23倍混合光学变焦相机；硬脆装载体为透明球形壳体，材质为玻璃或亚克力塑料；所述硬脆装载体的球形壳体直径为40～60mm；所述硬脆装载体的结构为玻璃球珠整体式或塑料半球拼接式。当硬脆装载体的结构为玻璃球珠整体式时，其经弹射装置9弹射至隐性缺陷区域周围时，该玻璃球珠硬脆装载体整体因撞击而碎裂，释放出粘稠母液8；当硬脆装载体的结构为塑料半球拼接式时，其经弹射装置9弹射至隐性缺陷区域周围时，该塑料半球拼接式硬脆装载体在拼接处分散为两部分，粘稠母液8得以释放。
57.轻质高亮标尺物5为填充有高亮材料的透明pvc塑料棒，透明pvc塑料棒的底面直径为3～5mm，长度为30～50mm，且透明pvc塑料棒表面沿长度方向设有已知长度的基准刻度标记，基准刻度为0.02～0.05mm。其中，高亮材料可以为蓄光型自发光材料，此时附着式标尺物单元3表面包裹有遮光纸，通过取下遮光纸，使得轻质高亮标尺物5因自发光标识而高亮；蓄光型自发光材料为碱土铝酸盐自发光材料或稀土铝酸盐自发光材料，例如为sral2o4·
tb
3+
、sral2o4·
dy
3+
或者sral2o4·
eu
2+
。高亮材料也可以为紫外荧光粉，此时无人机2上还搭载有紫外光灯，通过紫外光灯照射附着在隐性缺陷区域周围的轻质高亮标尺物5，使得轻质高亮标尺物5因荧光标记而高亮。
58.采用上述无人机搭载遥控弹射的附着式标尺系统进行标记人员难达位置混凝土隐性缺陷的方法，包括以下步骤：
59.s1、将附着式标尺物单元3装配至搭载于无人机2上的弹射装置9中；其中，无人机2上还搭载有环境状态传感器、rtk空间定位模块和可见光相机；
60.s2、基于已探明的隐性缺陷分布区位规划附着式标尺物单元3的无人机2弹射点位置，通过无线遥控器遥控无人机2在rtk空间定位模块的定位辅助下抵达弹射点位置并悬停，同时采用环境状态传感器监测弹射装置9周围的环境风速，并保证无人机2与已探明的隐性缺陷区域之间至少有3m的安全距离；
61.s3、基于环境状态传感器测量的无人机2到已探明的隐性缺陷区域的距离和环境风速，设定弹射初速度；基于可见光相机获得已探明的隐性缺陷区域相对于无人机2悬停点的方位，设定弹射角度；然后通过无线遥控器4驱动无人机2上搭载的弹射装置9按照设定的弹射初速度与弹射角度将附着式标尺物单元3弹射至建筑物1表面已探明的隐性缺陷区域，因撞击作用使得附着式标尺物单元3中的粘稠母液8得以释放，轻质高亮标尺物5随粘稠母液8附着在已探明的隐性缺陷区域周围；
62.s4、利用可见光相机光学变焦，同框拍摄轻质高亮标尺物5与隐性缺陷6，基于摄影测量原理，通过轻质高亮标尺物5中已知长度的基准刻度真实值与拍摄所得图像中基准刻度的图上距离，换算得到隐性缺陷6图上形态的真实尺寸；
63.s5、利用可见光相机光学变焦，分别将轻质高亮标尺物5与隐性缺陷6所在建筑物1中位置已知的参照物7同框拍摄，以及将轻质高亮标尺物5与隐性缺陷6同框拍摄，基于摄影测量原理，获得轻质高亮标尺物5相对参照物7的平面位置、以及隐性缺陷6相对轻质高亮标尺物5的平面位置，再通过轻质高亮标尺物5的过渡换算，得到隐性缺陷6相对参照物7的位置。
64.其中，当附着式标尺物单元3中的高亮材料为蓄光型自发光材料时，在将附着式标尺物单元3装配至弹射装置9中之前，取下附着式标尺物单元3表面包裹的遮光纸，将附着式标尺物单元3置于太阳光下照射，使得蓄光型自发光材料吸收光照20min以上，以实现轻质
高亮标尺物5高亮，然后装配至搭载于无人机2上的弹射装置9中。
65.当附着式标尺物单元3中的高亮材料为紫外荧光粉时，在进行步骤s4之前，通过无线遥控器4驱动无人机2开启搭载于其上的(365nm)紫外光灯，照射附着在已探明的隐性缺陷区域周围的轻质高亮标尺物5。
66.当附着式标尺物单元3中的硬脆装载体的结构为塑料半球拼接式时，附着式标尺物单元3布置在弹射装置9的轨道仓中沿硬脆装载体拼接线与弹射装置9竖直面平行的方向上，参照图5。
67.实施例2
68.情境：高混凝土坝面的隐性裂缝(张口宽度0.05mm以下)的定位与测量。
69.具体地，参照图6，在高混凝土坝的坝面选取已知位置点的灯杆为位置基准(即参照物)，通过搭载于无人机上的弹射装置向已探明的隐性裂缝周围弹射附着式标尺物单元，其中，(轻质高亮)标尺物中标注了已知长度的基准刻度，作为图上距离与实际距离的换算基准；采用可见光相机将(轻质高亮)标尺物与灯杆，(轻质高亮)标尺物与隐性裂缝分别同框成像，然后通过(轻质高亮)标尺物的过渡，确定隐性裂缝相对灯杆的位置。从所得图像上得出：中间隐裂缝坝面长度为4.65462m，张口宽度区间为0.03～0.08mm；中间隐性裂缝上端点到灯杆水平距离6.03203m，竖直距离4.86506m。从而解决了隐性裂缝与灯杆直接同框时，广角视野下拍不出建筑物隐性裂缝的问题。
70.本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。