本發(fā)明涉及一種混凝土構件表面裂縫寬度的識別方法，特別涉及一種基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別系統(tǒng)及方法。

背景技術：

至2014年底，我國公路總里程達446.39萬公里，公路橋梁達75.71萬座，比上年增加2.14萬座(交通運輸部2014年統(tǒng)計年鑒，不包括數(shù)萬座鐵路橋梁、市政橋梁、管線橋梁等)，我國已建橋梁數(shù)量居世界前列。截至2015年2月，我國機動車保有量已有2.64億輛，未來10年中我國機動車仍將持續(xù)、大幅增長，道路交通安全面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。橋梁作為交通關鍵節(jié)點，將要承擔與日俱增的交通流量壓力，同時還要承受違法超載車輛帶來的損害。我國相當一部分橋梁尚未達到設計使用年限就出現(xiàn)較多的病害，橋梁總體的技術狀況不容樂觀，危橋數(shù)量多年居高不下(3％以上)。特別近年來橋梁事故頻發(fā)，橋梁技術狀況已成為社會關心的熱點。

橋梁技術狀況直接關系交通和人身安全，交通運輸部在2011年頒布了《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTGT/H21—2001)，橋梁技術狀況需定期進行測試評估，及時發(fā)現(xiàn)橋梁病害，評定橋梁安全等級。橋梁技術狀況評定主要涉及外觀檢查、裂縫測試等。橋梁上部結構和下部結構的橋梁技術狀況評定一般采用橋梁檢測車或搭設支架作為人工操作工作平臺完成相關參數(shù)的測試，由于搭設支架耗費時間長，采用橋梁檢測車作為工作平臺已成為目前唯一選擇，但存在以下問題：

第一、嚴重影響交通安全。橋梁檢測車安全操作需占用近兩個車道，且移動速度緩慢，對于橋面寬度較小的橋梁需要封閉交通。橋梁檢測車長時間占道必然造成交通堵塞并嚴重影響交通安全，對于交通繁忙的城市干道、干線如高速公路或國道線可能導致交通癱瘓(一般橋梁管理部門給予的工作時間為23點至4點，在晚間嚴重影響了對橋梁外觀準確測試)。

第二、不適用于各類型橋梁。其一，橋梁檢測車工作伸臂最大下橋深度有限，無法實現(xiàn)對大跨度變截面混凝土箱梁橋墩梁根部截面支座位置或者高墩(山區(qū)高速公路橋梁)的測試。其二，橋梁檢測車最大橫向臂展有限。目前各類型橋梁檢測車水平伸臂長度基本在2.5m內，而我國有相當一部分城市橋梁因行人需要其人行道寬度超過3m，因此無法利用橋梁檢測車作為現(xiàn)場測試工作平臺。其三，在橋面兩側有主拱圈、吊桿和斜拉索等構件的橋梁，橋梁檢測車伸臂作業(yè)空間受到限制，無法利用橋梁檢測車作為工作平臺進行測試。其四，超過一定高度的橋塔、斜拉索、拱圈受伸臂高度限制無法利用橋梁檢測車進行測試。

第三、不適用于震后橋梁評估。我國是一個地震活動頻繁的國家。一般地震災害會給橋梁造成損傷，致使交通中斷并危及交通安全。對遭受震災損傷橋梁進行快速測試、評估及應急搶修和保通是搶險救災工作的關鍵。如何快速測試、準確評估震后橋梁的技術狀況是政府應急保通決策的關鍵之一。震后交通阻隔，其中有損傷的橋梁，無法保證橋梁檢測車通行和安全。2008年5月12日發(fā)生的汶川地震和2010年4月14日發(fā)生的青海玉樹地震使橋梁等基礎設施損毀嚴重，導致震后救災工作受阻，嚴重推遲了救援行動時間，同時也暴露了我國在震后橋梁快速測試評估及應急保通修復技術方面的技術儲備不足。

第四、使用和維護費用高。目前國產(chǎn)橋梁檢測車，每臺單價超過80萬元， 需專人員操作并定期保養(yǎng)；進口橋梁檢測車使用和維護成本更高。橋梁技術狀況評定所需費用基本為各級政府財政資金支付。至2014年底我國現(xiàn)有75.71萬座計算，平均每兩年進行一次技術狀況評估，每座橋完成橋梁技術狀況評定參數(shù)測試按4個工作臺班計算，橋梁檢測車單個臺班費用大多1.2萬元左右(從車輛出庫至入庫時間)，每年需180億元的財政資金，這些費用還不包括使用橋梁檢測車期間影響交通和維護交通所產(chǎn)生的附加費用。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種結構簡單、制造成本低、實用方便的基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別系統(tǒng)，并提供一種測量方便、精確度高、適用范圍廣的基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法。

本發(fā)明解決上述問題的技術方案是：一種基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別系統(tǒng)，包括云臺、相機、自動避障裝置、三點激光測距儀和帶圖傳系統(tǒng)的多旋翼無人飛行器，所述多旋翼無人飛行器的飛機平臺上設有云臺，云臺上設有相機和自動避障裝置，所述相機上設有三點激光測距儀。

上述基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別系統(tǒng)中，所述云臺與多旋翼無人飛行器連接處設有減震裝置。

一種基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法，包括以下步驟：

步驟一：預先設置三點激光測距儀發(fā)出的三個激光束之間的夾角；

步驟二：操作者操作多旋翼無人飛行器接近被測物體，圖傳系統(tǒng)實時監(jiān)測被測物體并將視頻信息傳回地面接收裝置；

步驟三：判斷視頻信息中被測物體是否存在裂縫，若是，則進行步驟四，若不是，則返回步驟二；

步驟四：同時啟動相機和三點激光測距儀，相機拍攝裂縫相片并傳回地面接收裝置，三點激光測距儀測量得到三個距離參數(shù)并傳回地面接收裝置；

步驟五：對采集到的裂縫圖像進行處理，得到裂縫寬度像素數(shù)；

步驟六：根據(jù)得到的距離參數(shù)、三個激光束之間的夾角得到物距；

步驟七：采用測距法求得被測物體的實際物理尺寸，從而得到裂縫寬度。

上述基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法，所述步驟一中，記三點激光測距儀發(fā)出三個激光束的位置為A，三個激光束之間的夾角為∠a，∠b，∠c。

上述基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法，所述步驟四中，三點激光測距儀得到的三個距離參數(shù)為三點激光測距儀發(fā)出的三個激光束到裂縫的距離，記激光束到達裂縫的位置分別為B、C、D，則得到AB、AC、AD的長度，∠a，∠b，∠c分別為AB與AC、AC與AD、AB與AD的夾角，即∠a＝∠BAC，∠b＝∠CAD，∠c＝∠BAD。

上述基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法，所述步驟五的具體步驟為，將采集到的裂縫圖像經(jīng)過MATLAB圖像處理轉換成灰度圖像，在空域內對圖像進行增強，濾波；然后對圖像再進行閾值分割處理，提取出裂縫裂縫特征，再對裂縫特征采取形態(tài)學操作，得到裂縫寬度處的像素數(shù)A″。

上述基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法，所述步驟六具體過程如下，

6-1)連接B、C、D構成一個三角形，令AB、AC、AD分別為L₁、L₂、L₃，根據(jù)余弦定理有：

6-2)記CD的中點為E，連接B、E，根據(jù)余弦定理有：

6-3)根據(jù)海倫公式得到三角形ABE的高h，h則為三點激光測距儀到裂縫的中心距離，即為物距L：

其中c為周長的一半

物距

上述基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法，所述步驟七具體過程如下，

已知透鏡成像公式為：

其中：L'為像距；L為物距，即測距儀與被測目標之間的距離；f為鏡頭焦距；

放大倍數(shù)θ：

其中：A為目標實際尺寸，即裂縫實際物理寬度；A′為成像尺寸；

將(8)式代入(9)式，得：

由(10)式得出，在物距與鏡頭焦距已知的情況下，當測量出裂縫成像尺寸，即可計算出裂縫的實際物理寬度；

成像尺寸A′進一步轉換為：

其中：A″為成像的像素數(shù)；d為圖像傳感器長邊物理尺寸；D為圖像傳感器長邊像素數(shù)；

將(10)式代入(11)式，可得：

式(12)即為實際物理尺寸與像素數(shù)的轉換關系公式；

將圖像傳感器長邊物理尺寸d、圖像傳感器長邊像素數(shù)D,像素數(shù)A″，物距L代入式(12)，求得被測裂縫的實際物理尺寸。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明的識別系統(tǒng)利用無人飛行器即可完成對裂縫的檢測，十分便捷，用小型車輛就能運送至目的地，攜帶更加方便，檢測的成本更低。

2、本發(fā)明的識別系統(tǒng)設有自動避障裝置，能夠在橋梁側面，拱形構件中間部位等復雜條件下保障飛行器自身安全，同時也是橋梁檢測精度和可靠性的重要保證。

3、本發(fā)明的識別系統(tǒng)適用范圍廣，可適用于各類型橋梁，尤其是跨江河，跨山谷的大橋，對于系桿拱、斜拉橋等橋檢車不能伸出的大型橋梁的常規(guī)評定 具有重要意義，在人工裂縫檢測困難且危險程度大的情況下優(yōu)勢更加明顯。

4、本發(fā)明的識別方法中，采用三點激光測距儀測量得到物距，通過對相機采集的圖像進行處理得到裂縫寬度出的像素數(shù)，結合像素數(shù)和物距即可計算得出裂縫的實際寬度，具有操作方便、計算簡單、精確度高的優(yōu)點，徹底解決了橋梁裂縫檢測中的難題，對橋梁的日常維護以及維修加固提供了準確的數(shù)據(jù)，提高了橋梁的安全性與可靠性，經(jīng)濟效果和商業(yè)前景十分可觀。

附圖說明

圖1為本發(fā)明識別系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明識別方法的流程圖。

圖3為本發(fā)明的識別方法中裂縫圖像的處理流程圖。

圖4為本發(fā)明的識別方法中物距的計算原理圖。

圖5為相機成像原理圖。

圖中：1、多旋翼無人飛行器；2、減震裝置；3、云臺；4、相機；5、自動避障裝置；6、三點激光測距儀；7、激光束；8、相機邊緣光線；9、激光光點；10、被測物體；11、飛機平臺；12、鏡頭；13、光圈；14、快門；15、像。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括帶圖傳系統(tǒng)的多旋翼無人飛行器1、減震裝置2、云臺3、相機4、自動避障裝置5、三點激光測距儀6，所述多旋翼無人飛行器1的飛機平臺11上設有云臺3，云臺3與多旋翼無人飛行器1連接處設有減震裝置2，云臺3上設有相機4和自動避障裝置5，所述相機4上設有三點激光測距儀6。

一種基于無人飛機機載成像的混凝土裂縫寬度識別方法，如圖2所示，包括以下步驟：

步驟一：預先設置三點激光測距儀6發(fā)出的三個激光束7之間的夾角；

記三點激光測距儀6發(fā)出三個激光束7的位置為A，三個激光束之間的夾角為∠a，∠b，∠c。

步驟二：操作者操作多旋翼無人飛行器1接近被測物體，圖傳系統(tǒng)實時監(jiān)測被測物體并將視頻信息傳回地面接收裝置。

步驟三：判斷視頻信息中被測物體是否存在裂縫，若是，則進行步驟四，若不是，則返回步驟二。

步驟四：同時啟動相機4的快門14和三點激光測距儀6，相機4拍攝裂縫相片并傳回地面接收裝置，三點激光測距儀6測量得到三個距離參數(shù)并傳回地面接收裝置；

三點激光測距儀6得到的三個距離參數(shù)為三點激光測距儀6發(fā)出的三個激光束的起點到裂縫的距離，如圖4所示，記激光束到達裂縫的位置分別為B、C、D，則得到AB、AC、AD的長度，∠a，∠b，∠c分別為AB與AC、AC與AD、AB與AD的夾角，即∠a＝∠BAC，∠b＝∠CAD，∠c＝∠BAD。

步驟五：對采集到的裂縫圖像進行處理，得到裂縫寬度像素數(shù)；

如圖3所示，將采集到的裂縫圖像經(jīng)過MATLAB圖像處理轉換成灰度圖像，在空域內對圖像進行增強，濾波；然后對圖像再進行閾值分割處理，提取出裂縫裂縫特征，再對裂縫特征采取形態(tài)學操作，得到裂縫寬度處的像素數(shù)A″。

步驟六：根據(jù)得到的距離參數(shù)、三個激光束之間的夾角得到物距；

具體過程如下：

6-1)連接B、C、D構成一個三角形，令AB、AC、AD分別為L₁、L₂、L₃，根據(jù)余弦定理有：

6-2)記CD的中點為E，連接B、E，根據(jù)余弦定理有：

6-3)根據(jù)海倫公式得到三角形ABE的高h，h則為三點激光測距儀6到裂縫的中心距離，即為物距L：

其中c為周長的一半

物距

步驟七：采用測距法求得被測物體的實際物理尺寸，從而得到裂縫寬度；

本識別方法采用一種像素數(shù)據(jù)與實際物理數(shù)值的轉換方法，稱為測距法，具體過程如下：

如圖5所示，已知透鏡成像公式為：

其中：L'為像距；L為物距，即測距儀與被測目標之間的距離；f為鏡頭焦距；

放大倍數(shù)θ：

其中：A為目標實際尺寸，即裂縫實際物理寬度；A′為成像尺寸；

將(8)式代入(9)式，得：

由(10)式得出，在物距與鏡頭焦距已知的情況下，當測量出裂縫成像尺寸，即可計算出裂縫的實際物理寬度；

成像尺寸A′進一步轉換為：

其中：A″為成像的像素數(shù)；d為圖像傳感器CMOS長邊物理尺寸；D為圖像傳感器CMOS長邊像素數(shù)；在佳能5D MarkⅢ單反相機中，使用的是CMOS傳感器，學名為互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor)。CMOS圖像傳感器的光電轉換功能與CCD相似，但它用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件，放大器、A/D轉換器、存儲器、數(shù)字信號處理器等都集成在一塊硅片上，從而降低了功耗和成本；

將(10)式代入(11)式，可得：

式(12)即為實際物理尺寸與像素數(shù)的轉換關系公式；令：

則有：

A＝J·A″

由式(14)，將圖像傳感器長邊物理尺寸d、圖像傳感器長邊像素數(shù)D,像素數(shù)A″，物距L代入式(12)，求得被測裂縫的實際物理尺寸。