[发明专利]一种基于无人机的粒子图像测速检测系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于无人机的粒子图像测速检测系统及方法；系统部分包括多旋翼无人机、微型智能相机、万向传动装置、浓度测量仪和地面站监控系统；本发明中万向传动装置可以实现微型智能相机任意角度的拍摄，充分满足科研拍摄需要。本发明中实现的利用无人机搭载微型智能相机并依靠PC上位机完成一个闭环式的大尺度粒子图像检测任务相较于实验室环境下有了很大的突破，在便捷高效地基础上实现了在非常规环境下的检测，具备很大的实用性。

主权项

1.一种基于无人机的粒子图像测速检测系统的检测方法，该方法所基于的无人机的粒子图像测速检测系统包括多旋翼无人机、微型智能相机、万向传动装置、浓度测量仪和地面站监控系统；所述微型智能相机内嵌于万向传动装置内；所述万向传动装置包括第一步进电机、第二步进电机、第一传动构件、第二传动构件和电机控制器；所述的第一传动构件与第二传动构件采用扣件式无缝对接；所述第一步进电机驱动第一传动构件，第二步进电机驱动第二传动构件，每个传动构件都能实现在一个平面内旋转，两个构件的旋转平面互成90°；万向传动装置固定在多旋翼无人机的底部；所述微型智能相机在上位机的控制下驱动第一步进电机、第二步进电机实现任意角度的图像拍摄；所述浓度测量仪包括机械杆、金属探头和传感器；机械杆是一种可伸缩折叠机械结构，可以在上位机的控制下由微电机实现折叠伸缩运动；机械杆顶部与多旋翼无人机的底部相连，机械杆末端设置有金属探头，传感器安装在金属探头上；地面站监控系统由无线数据收发设备、无线图像接收设备和PC上位机组成；无线数据收发设备接收多旋翼无人机的无线数据收发设备传出的飞行姿态数据，并将其通过计算机软件整合显示在微型计算机的屏幕上；无线图像接收设备接收无线图像发送设备发送的图像信号，并将图像经处理软件处理后显示在PC上位机上，实现图像的捕捉和记录功能；所述微型智能相机包括处理器模块、CMOS图像传感器模块、光学系统模块、内部寄存器和电源模块；所述光学系统模块包括双滤镜切换器、三可变镜头和补光灯，CMOS图像传感器模块外侧依次设置有双滤镜切换器、三可变镜头；补光灯设置在相机外侧；双滤镜切换器安装在CMOS图像传感器模块外侧，双滤镜切换器中内嵌850～1050nm近红外滤镜和400～1050nm全光谱滤镜，内部寄存器的信号输出端口接处理器模块；其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、首先在地面设置好控制点，然后由上位机发送指令，控制无人机打开匣口向待检测区域水面均匀释放示踪物；步骤2、控制无人机飞行至设定区域后悬停，同时上位机发出控制指令，第一步进电机和第二步进电机驱动两个传动构件调整微型智能相机的角度进行拍摄，通过I²C接口设置内部寄存器，实现图像大小、位置、曝光时间的调节，然后初始化微型智能相机；步骤3、等待3‑5s后判断是否有图像输入，然后开始采图；如果没有图像输入，则返回步骤3，继续等待；步骤4、从90帧图像后采集，达到N帧后进行一次判断，若未达到则返回步骤4；步骤5、对采集的图片根据自适应多阈值去噪滤波来进行图像重建，然后读入t₀＝i和t₁＝i+1时刻的两帧图片作为一个图像对，对读入图像对进行运动矢量估计和矢量类型识别操作，然后进行二维小波域滤波与结合时间轴滤波消噪；将t₀和t₁时刻得到的2个有效瞬时位移场X₀和X₁进行时间轴滤波得到更新后的时间平均位移场X_TA，遵循以下原则：式中，t₀和t₁表示相应时刻；然后执行一个判断语句，判断流场的矢量正确率P是否大于95％；假设X_TA(x,y)＝0，表示第i帧中坐标为(x,y)的位移场和第i+1帧中的坐标(x,y)的位移场没有变化，对小波域滤波的各位移场的正确迁移路线进行估计：式中，t表示任意时刻，X_t(x,y)表示任意时刻的位移场，T是一个可调的阈值，流场的矢量正确率为P＝X₀/(X₀+X₁)，若P大于一个可在接受范围内的最低阈值，视为有效的瞬时流场，参与后续的处理；如果不满足判断条件，则舍弃，重新获取，并返回步骤5；步骤6、利用无线数据收发设备将无人机的飞行姿态数据发送给地面监控系统，以便及时调整飞行姿态；整个采集检测处理及传输的时间控制在15s内完成，图像经过编码H.264压缩后进行无线传输，主要上传流场信息和每一时刻的首帧图像到PC上位机，用于后期标定中的变换系数求解和目标域流场情况可视化；步骤7、当微型智能相机光轴与水面垂直时，由中心透射投影关系推导出目标与所成的像满足相似关系，通过流场定标，获得在正射视角下的矢量场；步骤8、由于实际定标过程中仍会出现分析区域大小不均匀的情况，采用线性插值法对流场进行网格化处理，采用三线法将矢量箭头绘制在图像中；由于Δt表示帧间时间间隔，最后求出任意时刻的位移场X_t(x,y)；至此完成一次完整的时间平均流速场的测量。