[发明专利]一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法

权利要求书

1.一种基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，所述无人机系统装配有摄像机，其特征在于，包括以下步骤：

S1.使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面，进行桥梁振动过程的图像采集；

S2.对步骤S1采集得到的图像逐帧通过数字图像相关技术进行追踪分析，提取得到桥梁结构的位移；

S3.对步骤S1采集得到的图像通过张正友标定法进行标定，求解得到无人机的运动位移；

S4.将所述桥梁结构的位移与所述无人机的运动位移作差，得到校正后的桥梁结构的真实位移；

所述步骤S1中使无人机定点悬停在待测量的桥梁结构表面时，保持待测量的桥梁结构表面与无人机摄像机的镜头光心垂直；

所述步骤S2提取得到桥梁结构的位移包括桥梁结构的真实位移以及无人机的运动位移；

所述步骤S3的具体步骤为：

S31.在所述桥梁结构下放置一块棋盘标定板作为标定图像的采集对象，所述无人机的摄像机为针孔成像模型，利用无人机的摄像机在不同时刻采集标定图像；

S32.当所述无人机处于第一个时刻时，(x_i,y_i)表示摄像机采集的第一标定图像中的第i个二维点，(X_i,Y_i,Z_i)表示相应的三维世界坐标中的三维点，第一标定图像的三维点与第一标定图像投影的关系为：

其中s₁为无人机第一个时刻时的任意尺度因子，R₁为无人机第一个时刻时的3×3旋转矩阵，t₁为无人机第一个时刻时的1×3平移向量，K为摄像机的固有内参数矩阵：

其中，f_x,f_y为图像横纵坐标轴的尺度因子，即焦距与像素宽和高的比值；(x₀,y₀)为摄像机光轴与图像平面交点的坐标；

S33.当无人机处于第二个时刻时，在三维世界坐标中以相同的三维点(X_i,Y_i,Z_i)捕捉场景，三维点与第二标定图像投影的关系为：

其中s₂为无人机第二个时刻时的任意尺度因子，R₂为无人机第二个时刻时的3×3旋转矩阵，t₂为无人机第二个时刻时的1×3平移向量；

S34.通过求得无人机的摄像机在不同时刻的外参数，得到无人机在不同时刻采集标定图像瞬间的姿态和位置，从而求解得无人机的运动位移；

步骤S34中所述无人机的摄像机在不同时刻的外参数包括旋转向量和平移向量，其中平移向量具体为t＝[t_x t_y t_z]^T，其中t_x、t_y、t_z分别表示无人机在X,Y,Z方向上的平移；

则在Y方向无人机的运动位移Δt_y＝t_y2-t_y1；

其中t_y1表示在第一时刻无人机在Y方向上的平移，t_y2表示在第二时刻无人机在Y方向上的平移，Δt_y表示无人机的运动位移。

2.根据权利要求1所述的基于无人机系统的桥梁结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：

桥梁结构的位移即桥梁结构变形前图像与桥梁结构变形后图像的位移，在所述变形前图像中取以待求点P(x,y)为中心的参考子区，在变形后图像中，以与所述参考子区同样大小的子区图像，计算位移为(Δx,Δy)时的变形前后子区的灰度相关系数：

其中x,y为图像的像素坐标；I,J分别为变形前图像像素的灰度分布和变形后图像像素的灰度分布；B为参考子区的面积；0≤C≤1；当C为极大值时，输出向量(Δx,Δy)即为P(x,y)的位移。