全文摘要
一种基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，首先确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布置测量点和两个参考点。将具有相同的成像中心和成像分辨率的三台相机安装在无人机上，三台相机分别能拍摄到测量点和两个参考点，利用无人机上的三台相机按照设定时间间隔同步对待测高铁桥梁进行拍摄成像，根据三台相机拍摄得到的图像计算待测高铁桥梁竖向动扰度。采用本发明提供的测量方法，能够不受环境振动影响，可实现灵活易操作的高铁桥梁动扰度高精度测量，且测量过程简单高效。
主设计要求
1.一种基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：S1确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布设左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；S2在无人机上设置三台相机，三台相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；S3利用无人机进行飞行测量；控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上，无人机上的三台相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点；三台相机同步对待测高铁桥梁拍摄成像；S4计算待测高铁桥梁竖向动扰度；根据三台相机拍摄得到的图像，分别计算得到世界坐标系下中间测量点、左侧参考点、右侧参考点在竖直方向上的相对位移，进而得到高铁桥梁竖向动扰度，实现方法如下：S4.1根据三台相机拍摄得到的图像，首先根据相机的参数及相机的相对位姿关系将3台相机各时刻同步拍摄到的图像分别合成到一张图像；S4.2对于初始拍摄时刻对应的首张合成图像，通过模板匹配找到首张合成图像中的待测高铁桥梁上标记的中间测量点和两个参考点，得到中间测量点和两个参考点在首张合成图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的合成图像，采用最小二乘图像匹配跟踪法对中间测量点和两个参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的合成图像上的中间测量点和两个参考点的图像坐标；S4.3根据中间测量点的图像坐标，计算世界坐标系下中间测量点在竖直方向上的相对位移d1；d1＝xA-xB，其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，xA为A点对应的世界坐标系下的坐标，B点为待测高铁桥梁上中间测量点移动后的位置，xB为B点对应的世界坐标系下的坐标，为xA在i时刻对应的合成图像中的坐标，为xB在i时刻对应的合成图像中的坐标，D1为中间相机镜头到包含中间测量点移动所在直线并且垂直于中间相机光轴的平面的垂直距离，f为中间相机的焦距，θ1为中间相机光轴与中间相机镜头到中间测量点移动所在平面的垂直线的夹角；S4.4采用S4.3中相同的方法，根据左侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下左侧参考点在竖直方向上的相对位移d2；根据右侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下右侧参考点在竖直方向上的相对位移d3；S4.5高铁桥梁竖向动扰度为：
设计方案
1.一种基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1 确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布设左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；
S2 在无人机上设置三台相机，三台相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；
S3 利用无人机进行飞行测量；
控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上，无人机上的三台相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点；三台相机同步对待测高铁桥梁拍摄成像；
S4 计算待测高铁桥梁竖向动扰度；
根据三台相机拍摄得到的图像，分别计算得到世界坐标系下中间测量点、左侧参考点、右侧参考点在竖直方向上的相对位移，进而得到高铁桥梁竖向动扰度，实现方法如下：
S4.1 根据三台相机拍摄得到的图像，首先根据相机的参数及相机的相对位姿关系将3台相机各时刻同步拍摄到的图像分别合成到一张图像；
S4.2 对于初始拍摄时刻对应的首张合成图像，通过模板匹配找到首张合成图像中的待测高铁桥梁上标记的中间测量点和两个参考点，得到中间测量点和两个参考点在首张合成图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的合成图像，采用最小二乘图像匹配跟踪法对中间测量点和两个参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的合成图像上的中间测量点和两个参考点的图像坐标；
S4.3 根据中间测量点的图像坐标，计算世界坐标系下中间测量点在竖直方向上的相对位移d 1<\/sub>；
d1<\/sub>＝xA<\/sub>-xB<\/sub>，
设计说明书
技术领域
本发明涉及的是桥梁动位移视觉测量技术领域，具体涉及一种基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法。
背景技术
基于视觉测量技术的高铁桥梁动位移测量需要在待测桥梁的附近架设配备长焦镜头的相机，通过相机对桥梁待测部位成像，记录待测部位不同时刻在图像上的位置，再根据桥梁待测部位在图像上的位置变化计算桥梁待测部位的实际位置变化，从而得到桥梁该部位的动位移。待测部位可以是桥梁上的自然表面，也可以粘贴或固定特殊制作的光学标志。
现有的机器视觉测量方式，需要对架设的相机进行严格的标定，以确定相机视场与待测目标的相对位姿关系，保证得到待测点在竖直方向的位置变化。这样的标定通常是在地面上选择若干绝对坐标已知的控制点，通过控制点对相机的绝对位姿进行标定。
此外，相机成像时对环境要求很高，因为测量过程容易受到环境影响，致使最终测量精度不能满足要求。例如，当相机架设在公路近旁时，过往车辆引起的路面振动会直接影响到相机的姿态稳定，难以达到亚毫米量级的测量精度要求。
因此，研究一种对测量环境条件要求低，甚至能够不受环境振动影响，可实现高铁桥梁动扰度高精度测量的方法是非常必要的。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，该方法不受环境振动影响，可实现灵活易操作的高铁桥梁动扰度高精度测量，且测量过程简单高效。
为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：
一种基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，包括：
S1确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布设左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；
S2在无人机上设置三台相机，三台相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；
S3利用无人机进行飞行测量；
控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上，无人机上的三台相机分别对准待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点；三台相机同步对待测高铁桥梁拍摄成像；
S4计算待测高铁桥梁竖向动扰度；
根据三台相机拍摄得到的图像，分别计算得到世界坐标系下中间测量点、左侧参考点、右侧参考点在竖直方向上的相对位移，进而得到高铁桥梁竖向动扰度。
本发明S1中，在待测高铁桥梁的左右两端的两个桥墩上方分别布置一个参考点作为左侧参考点和右侧参考点，在待测高铁桥梁的跨中位置布置一个测量点作为中间测量点，中间测量点和两个参考点位于同一水平线上，中间测量点位于两个参考点的中心，两个参考点与测量点之间的距离以及参考点的海拔高度已知。
本发明中，在待测高铁桥梁上通过喷漆或者涂写的方式进行测量点、参考点的标记。
本发明S2中，将具有相同的成像中心和成像分辨率的三台相机安装在无人机上且三台相机安装后处于同一水平面上，其中一台相机位于中间，用于对应拍摄中间测量点；另外两台相机左右对称分布于中间相机的左右两侧，分别用于对应拍摄待测高铁桥梁上的左侧参考点以及右侧参考点。
三个相机到待测高铁桥梁的距离相等，均为D。两侧相机与中间相机之间的角度近似计算如下：
其中θ为两侧相机与中间相机的夹角，d为桥墩到跨中的距离，D0<\/sub>为相机到待测高铁桥梁的距离。
无人机的理想观测位置是在水平面内两个参考点间的中垂线上。因此本发明S3中控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上，且无人机距离测量点的距离在设定测量距离范围之内。
无人机上的左侧相机、中间相机、右侧相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点；三台相机通过软件触发或者硬件触发的方式按照设定时间间隔同步对待测高铁桥梁进行拍摄成像。
本发明S4的实现方法如下：
S4.1根据三台相机拍摄得到的图像，首先根据相机的参数及相机的相对位姿关系将三台相机各时刻同步拍摄到的图像分别合成到一张图像。
S4.2对于初始拍摄时刻对应的首张合成图像，通过模板匹配找到首张合成图像中的待测高铁桥梁上标记的测量点和两个参考点，得到测量点和两个参考点在首张合成图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的合成图像，采用最小二乘图像匹配跟踪法对测量点和两个参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的合成图像上的测量点和两个参考点的图像坐标。
S4.3根据中间测量点的图像坐标，计算世界坐标系下中间测量点在竖直方向上的相对位移d1<\/sub>。
d1<\/sub>＝xA<\/sub>-xB<\/sub>，
其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，xA<\/sub>为A点对应的世界坐标系下的坐标，B点为待测高铁桥梁上中间测量点移动后的位置，xB<\/sub>为B点对应的世界坐标系下的坐标， 申请码:申请号:CN201910031611.5 申请日:2019-01-14 公开号:CN109855822A 公开日:2019-06-07 国家:CN 国家/省市:81(广州) 授权编号:CN109855822B 授权时间:20191206 主分类号:G01M5/00 专利分类号:G01M5/00;G01B11/02 范畴分类:申请人:中山大学;中南大学 第一申请人:中山大学 申请人地址:510275 广东省广州市海珠区新港西路135号 发明人:杨夏;王扬洋;林彬;张小虎;黄天立;王卫东 第一发明人:杨夏 当前权利人:中山大学;中南大学 代理人:邱轶 代理机构:43225 代理机构编号:长沙国科天河知识产权代理有限公司 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计设计图
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