[發(fā)明專利]一種基于無人機(jī)視覺的落石運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)字化還原方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111373893.0
• 申請日: 2021-11-19
• 公開（公告）號: CN113804166B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余志祥;金云濤;駱麗茹;郭立平;張麗君;齊欣;許滸;趙雷
• 申請（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號: G01C11/04
• 分類號: G01C11/04;G01C11/02;G06T7/80
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 羅江

1.一種基于無人機(jī)視覺的落石運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)字化還原方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)、試驗(yàn)場地(1)建立空間坐標(biāo)系；

2)、確定無人機(jī)(3)平面位置并對中；確定無人機(jī)(3)高度并記錄；

3)、調(diào)整相機(jī)云臺并記錄空間夾角，計(jì)算鏡頭光軸(4)定位單位向量(5)并記錄焦距；

4)、相機(jī)焦距與視角寬度(6)標(biāo)定；

5)、捕捉落石(7)運(yùn)動(dòng)獲取二維軌跡點(diǎn)陣(8)；

6)、基于無人機(jī)視覺重構(gòu)落石(7)三維軌跡(10)；

7)、計(jì)算落石(7)動(dòng)能時(shí)程；

具體步驟如下：

一、在試驗(yàn)場地(1)視野開闊處確定空間坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立右手直角坐標(biāo)系Oxyz；選定兩架無人機(jī)(3)在試驗(yàn)場地(1)表面的鉛垂投影點(diǎn)P₁、P₂并做標(biāo)記，采用激光測距測量兩投影點(diǎn)P₁、P₂與坐標(biāo)原點(diǎn)O的空間坐標(biāo)差值，得到兩點(diǎn)坐標(biāo)P₁(x₁,y₁,z₁)、P₂(x₂,y₂,z₂)；

二、將兩臺搭載參數(shù)化三軸云臺的無人機(jī)(3)分別飛至P₁、P₂點(diǎn)上方，在x軸負(fù)方向的無人機(jī)記為W₁，正方向的記為W₂；將云臺調(diào)平，相機(jī)鏡頭朝下，此時(shí)鏡頭光軸(4)鉛垂，微調(diào)無人機(jī)(3)水平位置并通過實(shí)時(shí)圖像參考中心點(diǎn)與地面標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行瞄準(zhǔn)，使兩臺無人機(jī)(3)處于P₁、P₂點(diǎn)正上方，記錄無人機(jī)(3)距地面的距離h₁、h₂，可得無人機(jī)(3)坐標(biāo)W₁(x₁,y₁,z₁+h₁)、W₂(x₂,y₂,z₂+h₂)；

三、調(diào)整兩架無人機(jī)(3)云臺，使相機(jī)鏡頭朝向試驗(yàn)坡面(2)，基于云臺角度參數(shù)分別記錄W₁、W₂鏡頭光軸(4)與xy平面夾角α₁、α₂，與xz平面夾角β₁、β₂，以及與yz平面夾角γ₁、γ₂，并通過下式計(jì)算兩個(gè)鏡頭角度的定位單位向量(5)；

k₁＝(sinγ₁,sinβ₁,sinα₁)

k₂＝(sinγ₂,sinβ₂,sinα₂)

同時(shí)記錄此時(shí)相機(jī)焦距參數(shù)r₁、r₂；

四、無人機(jī)(3)搭載的相機(jī)拍攝幀率為p，落石(7)總運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，拍攝幀圖像像素?cái)?shù)量為高乘以寬h×b，拍攝圖像對角線視角寬度(6)為通過標(biāo)定板標(biāo)定建立相機(jī)焦距r與視角寬度的映射函數(shù)：

五、對落石(7)影像進(jìn)行捕捉，以圖像中心作為平面坐標(biāo)系原點(diǎn)，得到兩圖像的二維軌跡點(diǎn)陣(8)數(shù)據(jù)，按照時(shí)間序列排序，每組總點(diǎn)數(shù)為pt，W₁、W₂拍攝圖像第n點(diǎn)數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)分別為(x'_n,y'_n)、(x”_n,y”_n)；

六、在空間中分別以W₁、W₂為端點(diǎn)過圖像二維軌跡點(diǎn)陣(8)作射線，并將射線沿二維軌跡掃略形成光線曲面(9)Ⅰ和Ⅱ，兩光線曲面(9)交線即落石(7)的三維軌跡(10)，通過試驗(yàn)場地(1)的三維地形掃描模型在幾何建模軟件中再現(xiàn)三維軌跡(10)；或通過以下方程解得三維軌跡(10)上任意第n點(diǎn)坐標(biāo)(x_n,y_n,z_n)：

上式中的x_1n，x_2n，y_1n，y_2n，z_1n均為試驗(yàn)中的已知量，可由以下公式解得：

z_1n＝z₁+h₁+sinα₁+sy′_ncosα₁；

上式中的視角寬度(6)由記錄的相機(jī)焦距r并通過步驟四轉(zhuǎn)換得到；

七、由步驟六求得三維軌跡(10)后，可知三維軌跡(10)上任意連續(xù)兩點(diǎn)的坐標(biāo)，第n點(diǎn)坐標(biāo)(x_n,y_n,z_n)，第n+1點(diǎn)坐標(biāo)(x_n+1,y_n+1,z_n+1)，試驗(yàn)中落石(7)質(zhì)量為m，則通過下式求得落石(7)在n/p時(shí)刻的動(dòng)能E_n/p為：

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