[发明专利]一种基于无人机的结构动位移测量方法及系统

权利要求书

1.一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1，将预先制作好的黑白靶标贴于待测结构表面的测点位置，黑白靶标的中心与测点位置重合；所述黑白靶标具体为黑色背景，其上均匀分布有四个半径相同的白色圆点；四个白色圆点分别位于黑色背景的上、下、左、右四个位置；

步骤2，架设激光灯并调整激光灯位置，使激光灯光束在待测结构表面形成激光光斑，且激光光斑中心与测点位置的距离在预设距离范围内，固定激光灯并使激光灯保持静止状态；

步骤3，将无人机飞至待测结构靶标位置的预设范围内，调整无人机位置，使无人机拍摄画面包含靶标与激光光斑，悬停无人机并连续拍摄得到待测结构运动视频；

步骤4，对待测结构运动视频进行逐帧图像处理后，计算帧图像在拍摄时的比例换算因子；通过帧图像计算靶标中心与激光光斑中心的像素长度，利用比例换算因子得到帧图像拍摄时靶标中心与激光光斑中心的物理长度，并按照拍摄时间序列连接得到结构动位移。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，所述结构动位移测量方法还包括步骤5，利用频域分解法对步骤4得到的结构动位移进行结构频谱分析，得到结构振动频率；具体如下：

输入待测结构测点位置的位移响应信号，计算功率谱密度函数，对功率谱密度函数进行奇异值分解，得到最大奇异值及最大奇异值对应的奇异值特征向量，进而得到模态参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，所述步骤2中激光灯光束在待测结构表面形成的激光光斑，作为待测结构动位移测量的静止参考点。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的结构动位移测量方法，其特征在于，所述步骤4的具体方法如下：

步骤4.1：将无人机拍摄到的结构运动视频拆解为连续帧图像，并对每一帧图像设置同一感兴趣区域；所述感兴趣区域包括靶标、激光光斑以及待测结构运动区域；

步骤4.2：对拆解得到的连续帧图像进行逐帧图像处理，得到靶标中圆点的圆心坐标以及激光光斑中心的坐标；

步骤4.3：对每一帧图像计算靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的像素长度，并利用上述两个圆点中心连线的物理长度，计算得到每一帧图像在拍摄时结构的物理长度与图像的像素长度的比值，即比例换算因子；第i帧图像拍摄时的比例换算因子的计算公式如下：

式中，s_i表示第i帧图像拍摄时的比例换算因子；D_target表示靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的物理长度；d_target,i表示第i帧图像靶标圆点中与结构运动方向异向排列的两个圆点中心连线的像素长度；

步骤4.5：将每一帧图像中靶标的四个圆点中心坐标的平均值作为靶标的位置坐标，将激光光斑中心的坐标作为激光光斑的位置坐标，计算靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值；

步骤4.6：以第一帧图像作为参考图像，第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值作为参考原点坐标，后续帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值均与第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值作差作为当前帧图像位移；

则第一帧图像位移表示为：d₁＝(0,0)；

第i帧图像位移表示为：d_i＝(△x_i-△x₁,△y_i-△y₁)；

其中，d₁表示第一帧图像位移；d_i表示第i帧图像位移；△x_i表示第i帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的横坐标；△y_i表示第i帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的纵坐标；△x₁表示第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的横坐标；△y₁表示第一帧图像中靶标的位置坐标与激光光斑的位置坐标的差值的纵坐标；

步骤4.7：利用每一帧图像的比例换算因子计算得到每一帧图像拍摄时的结构物理位移，计算公式如下：

式中，D_i表示第i帧图像拍摄时的结构物理位移；

步骤4.8：将每一帧图像拍摄时的结构物理位移按照拍摄时间序列连接得到结构动位移。