[發明專利]一種基于無人機平臺和深度學習的復雜背景下索力快速測試系統及方法

在審

• 申請號: 202010031878.7
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111259770A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 張建;張成;田永丁
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/34;G06N3/04;G06N3/08;G06T7/13;G06T7/60;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 杜靜靜

本發明公開了一種基于無人機平臺和深度學習的復雜背景下索力快速測試系統及方法，包括如下步驟：圖像采集、圖像預處理、位移計算、頻譜分析與索力計算。本發明考慮到拉索邊緣直線單元特征較少，難以實現精確高效的直線匹配，創新性地將深度學習方法應用到拉索識別，巧妙解決拉索邊緣直線匹配的難題，具有更高的魯棒性,由于在圖像采集過程中存在無人機自身擾動的影響，傅里葉頻譜的低頻部分存在較多雜頻，無法識別拉索基頻，本發明方法提出通過模態階數識別方法識別頻譜中高階峰值對應的頻率階數，進而利用高階頻率差值與索基頻的關系計算索力。本發明能夠有效地實現復雜背景下索力非接觸式測量，在城市內部橋梁的檢測監測中具有廣大的應用前景。

技術領域

本發明屬于結構健康監測技術領域，具體涉及一種基于無人機平臺和深度學習的復雜背景下索力快速測試方法及系統，可實現城市內部橋梁斜拉索/吊桿索力的快速精準測量。

背景技術

隨著城鎮化和工業化的快速發展，我國基礎建設投資規模進一步擴大，作為跨越地理限制的交通基礎設施，大批橋梁已完成或正在建設。近十幾年來，我國持續刷新世界橋梁建設的記錄，世界十大拱橋、十大梁橋、十大斜拉橋、十大懸索橋，中國均占據了一半及以上。目前，我國公路橋梁總數接近80萬座,鐵路橋梁總數已超過20萬座,已成為世界第一橋梁大國。我國的橋梁設計使用年限一般長達幾十年甚至上百年，但在橋梁設計、施工、運營過程中，常常由于種種原因，導致其使用壽命達不到設計壽命。如橋梁服役過程中環境因素影響、日常交通荷載甚至某一時段的超載等原因都將導致結構性能發生退化，而各種極端自然災害如地震、臺風等則會進一步導致橋梁各部件的損傷。據不完全統計，目前我國公路網中各類危橋多達7.96萬座，已經超過我國公路橋梁總數的10％。這些危橋在服役過程中不能提供足夠的穩定性和承載能力，極易發生橋梁倒塌等重大安全事故，造成了重大的人員傷亡和財產損失。因此，如何快速實現廣大橋梁的服役狀況檢測評估，以保障結構的運行安全關系國計民生。

斜拉索、吊桿是斜拉橋、懸索橋和吊桿拱橋的重要承重構件，如何準確測量其索力是保證結構安全運行的重要前提。現有索力測量方法主要是接觸式測量和非接觸式測量兩種，其中，接觸式索力測量利用加速度傳感器或者磁通量傳感器粘貼于索體，通過對采集數據進行分析處理得到其索力測試值，這些方法可以得到索力，但每根索測試過程中均需要安裝和拆卸傳感器系統，測試速度較慢，無法滿足對廣大橋梁的索力快速測試評估；此外，新型非接觸式測量設備在索力測量中得到廣泛應用，包括：固定相機、微波雷達、LDV等，這些方法在一定程度上提高了大跨結構索力測試效率，但是在測試過程中仍然需要人為移動測量設備到不同測點位置以實現進行全橋索力測量，在一定程度上限制了索力的快速測量。目前，這些方法主要針對大跨橋梁，應用到城市內部橋梁索力測試時，基于計算機視覺的索力測量容易受到拉索背景的影響，影響測試精度。

發明內容

為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于無人機平臺和深度學習的復雜背景下索力快速測試方法及系統。

為實現上述目的，本發明提供一種基于無人機平臺和深度學習的復雜背景下索力快速測試系統，包括圖像拍攝裝置、數據采集系統和數據分析系統，所述的圖像拍攝裝置用來獲取環境振動下吊索的運動圖像序列；所述圖像拍攝裝置可以選無人機，所述的數據采集系統采集吊索的運動圖像，并存儲采集的圖像序列文件；所述的數據分析系統包含圖像預處理模塊、位移計算模塊、頻率識別模塊和索力計算模塊四部分，所述的圖像預處理模塊用于深度學習識別拉索并標記，所述的吊索位移計算模塊用于計算拉索的振動位移時程，所述的頻率識別模塊用于對位移時程進行頻譜分析并識別高階頻率的模態階數，所述的索力計算模塊用于計算吊索索力。

一種基于無人機平臺和深度學習的復雜背景下索力快速測試方法，所述方法包括如下步驟：

1)圖像采集：利用圖像拍攝裝置獲取斜拉索/吊索在環境振動下的運動圖像序列，數據采集系統采集斜拉索/吊索的運動圖像并保存采集的圖像序列文件；