[发明专利]一种基于无人机视觉的落石运动参数数字化还原方法

权利要求书

1.一种基于无人机视觉的落石运动参数数字化还原方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、试验场地(1)建立空间坐标系；

2)、确定无人机(3)平面位置并对中；确定无人机(3)高度并记录；

3)、调整相机云台并记录空间夹角，计算镜头光轴(4)定位单位向量(5)并记录焦距；

4)、相机焦距与视角宽度(6)标定；

5)、捕捉落石(7)运动获取二维轨迹点阵(8)；

6)、基于无人机视觉重构落石(7)三维轨迹(10)；

7)、计算落石(7)动能时程；

具体步骤如下：

一、在试验场地(1)视野开阔处确定空间坐标原点O，建立右手直角坐标系Oxyz；选定两架无人机(3)在试验场地(1)表面的铅垂投影点P₁、P₂并做标记，采用激光测距测量两投影点P₁、P₂与坐标原点O的空间坐标差值，得到两点坐标P₁(x₁,y₁,z₁)、P₂(x₂,y₂,z₂)；

二、将两台搭载参数化三轴云台的无人机(3)分别飞至P₁、P₂点上方，在x轴负方向的无人机记为W₁，正方向的记为W₂；将云台调平，相机镜头朝下，此时镜头光轴(4)铅垂，微调无人机(3)水平位置并通过实时图像参考中心点与地面标记点进行瞄准，使两台无人机(3)处于P₁、P₂点正上方，记录无人机(3)距地面的距离h₁、h₂，可得无人机(3)坐标W₁(x₁,y₁,z₁+h₁)、W₂(x₂,y₂,z₂+h₂)；

三、调整两架无人机(3)云台，使相机镜头朝向试验坡面(2)，基于云台角度参数分别记录W₁、W₂镜头光轴(4)与xy平面夹角α₁、α₂，与xz平面夹角β₁、β₂，以及与yz平面夹角γ₁、γ₂，并通过下式计算两个镜头角度的定位单位向量(5)；

k₁＝(sinγ₁,sinβ₁,sinα₁)

k₂＝(sinγ₂,sinβ₂,sinα₂)

同时记录此时相机焦距参数r₁、r₂；

四、无人机(3)搭载的相机拍摄帧率为p，落石(7)总运动时间为t，拍摄帧图像像素数量为高乘以宽h×b，拍摄图像对角线视角宽度(6)为通过标定板标定建立相机焦距r与视角宽度的映射函数：

五、对落石(7)影像进行捕捉，以图像中心作为平面坐标系原点，得到两图像的二维轨迹点阵(8)数据，按照时间序列排序，每组总点数为pt，W₁、W₂拍摄图像第n点数据的平面坐标分别为(x'_n,y'_n)、(x”_n,y”_n)；

六、在空间中分别以W₁、W₂为端点过图像二维轨迹点阵(8)作射线，并将射线沿二维轨迹扫略形成光线曲面(9)Ⅰ和Ⅱ，两光线曲面(9)交线即落石(7)的三维轨迹(10)，通过试验场地(1)的三维地形扫描模型在几何建模软件中再现三维轨迹(10)；或通过以下方程解得三维轨迹(10)上任意第n点坐标(x_n,y_n,z_n)：

上式中的x_1n，x_2n，y_1n，y_2n，z_1n均为试验中的已知量，可由以下公式解得：

z_1n＝z₁+h₁+sinα₁+sy′_ncosα₁；

上式中的视角宽度(6)由记录的相机焦距r并通过步骤四转换得到；

七、由步骤六求得三维轨迹(10)后，可知三维轨迹(10)上任意连续两点的坐标，第n点坐标(x_n,y_n,z_n)，第n+1点坐标(x_n+1,y_n+1,z_n+1)，试验中落石(7)质量为m，则通过下式求得落石(7)在n/p时刻的动能E_n/p为：

E_n/p＝m[(x_n+1-x_n)²+(y_n+1-y_n)²+(z_n+1-z_n)²]/2p²。