CN108318009B - 一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，利用无人机定点绕飞通讯塔并拍摄视频；对绕飞的视频预处理，截取水平匀速绕飞360°整的视频帧图像，求得绕飞角速度；划分绕飞圆周为4个象限,在4个象限分别选择1个观察点，4个观察点互相间隔角度为π/2；截取各观察点位置的视频帧，在通讯塔的上下两端分别划出2条水平线，垂直于2条水平线为塔中心线，塔中心线与重力垂线的夹角值为一个观察点测得的塔垂直度；得到2个正交方向的塔垂直度为γ和β，则通讯塔的最终塔垂直度α的正切可根据以下公式计算：
Figure DDA0001552870550000011
再利用反正切函数arctan得到通讯塔的垂直度α。本发明借助无人机定点绕飞通讯塔拍摄视频，经计算机软件处理，提高精度和效率，降低人力成本。

Description

一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法
技术领域
本发明涉及一种通信塔维护技术领域，尤其涉及一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法。
背景技术
无线通讯基站塔上天线的正确安装与维护测试，是移动通讯工程建设与运营的重要内容。传统方式利用人工爬塔测量相关参数，已面临着诸多问题，比如极冷极热天气、安装位置、安全、效率、人工成本等，并伴有高空作业，容易发生重大人身伤亡事故，一旦发生事故，就会给施工企业和个人带来巨大的经济损失，甚至以生命为代价。
现有技术存在的问题和缺点：传统通讯塔垂直度测量采用人工地面测量方式受地形地势限制，该方式对通讯塔的观察角度有限；由于观察的局限性，不同角度的重复测量很难实现。而单一角度的单次测量可能带来大的误差，误差在2-5度；同时还存在不能快速准确判断通信塔的垂直度问题，检测效率低、时间和人力成本较高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，借助无人机定点绕飞通讯塔拍摄视频，经计算机软件处理，可对通讯塔的相关参数进行测量，可显著提高工作效率，降低人力成本，提高安全性。
为了解决现有技术的不足，本发明提出一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，包含以下步骤：
1)利用多旋翼无人机定点绕飞通讯塔，并拍摄通讯塔视频；
2)对绕飞的视频预处理，截取水平匀速绕飞360°整的视频帧图像，求得绕飞角速度；
3)划分绕飞圆周为4个象限,在4个象限分别选择1个观察点，这4个观察点A、B、C、D在绕飞圆周上互相间隔角度为π/2，只需人工先定位一个观察点，则其他三个观察点可由绕飞角速度和它们在绕飞圆周相隔π/2来推算；
4)截取各观察点位置的视频帧，对截取的帧图像，在通讯塔的上下两端部分分别划出2条水平线；
5)水平线与通讯塔身左右两侧纵向边缘线相交，通过画出通讯塔上下端的2条水平线，可获得2条水平线的中心点，两个中心点连线即得到塔中心线，塔中心线与重力垂线的夹角值，即为一个观察点测得的塔垂直度；
6)4个观察点获得的4个塔垂直度值中，间隔π弧度的一对观察点的塔垂直度值需取平均值，作为该方向塔垂直度；已经得到2个正交方向的塔垂直度为γ和β，则通讯塔的最终塔垂直度α的正切可根据以下公式计算：
Figure BDA0001552870530000021
再利用反正切函数arctan得到通讯塔的垂直度α。
作为一种优选方式，所述步骤1提到的定点绕飞通讯塔采用以塔投影中心为圆心、等距半径水平圆周绕飞，绕飞半径7-10米。
作为一种优选方式，所述步骤2提到绕飞视频预处理是去掉视频开始与结尾处的重复冗余帧，绕飞视频中每个时刻帧值可对应一个角度值。
作为一种优选方式，所述步骤4提到在通讯塔的上下两端部分划出2条水平线采用人机交互，由人用鼠标手工划水平线或利用预先设计和训练过的卷神经网络算法自动划水平线。
作为一种优选方式，所述步骤1-6中无人机水平绕飞时，在水平方向若有小幅倾斜，会影响计算精度，为了减少误差，提高精度连续做两次步骤6，得到两个α，取其平均值作为通讯塔的最终塔垂直度α。
作为一种优选方式，所述步骤6的最终塔垂直度α小于8.6度时，α直接用正切值代替，误差不超过10％。
本发明有益效果：本发明借助无人机定点绕飞通讯塔拍摄视频，取代人工爬塔测量，提高了安全性，经计算机软件处理，可对通讯塔的相关参数进行测量，工作效率显著提高，降低人力成本。本发明通过对通讯塔水平绕飞，获得圆周观察角度，可测量任意观察角度塔垂直度。通过多角度多次重复测量，能够大大减少测量误差，误差小于1度，提高测量可信度。
附图说明
图1是本发明通讯塔垂直度的测量示意图。
图2是本发明无人机水平绕飞通讯塔4个观察点位置图。
图3是本发明通讯塔垂直度α计算公式推导图。
图中标记：W为B和C两个观察点直线距离，L为C和D两个观察点直线距离，H为A和C两个观察点垂直距离。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作进一步的说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
如图1、图2所示，一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，具体实施步骤如下：
1)利用多旋翼无人机采用以塔投影中心为圆心、等距半径水平圆周定点绕飞通讯塔，并拍摄通讯塔视频，其中，无人飞机自带陀螺仪、摄像头，拍摄的图像与水平、重力方向自校准稳定；本实施例绕飞半径为10米。
2)对绕飞的视频预处理，截取水平匀速绕飞360°整的视频帧图像，求得绕飞角速度；其中，绕飞视频预处理是去掉视频开始与结尾处的重复冗余帧，绕飞视频中每个时刻帧值可对应一个角度值。
3)划分绕飞圆周为4个象限,在4个象限分别选择1个观察点，这4个观察点A、B、C、D在绕飞圆周上互相间隔角度为π/2，只需人工先定位一个观察点，则其他三个观察点可由绕飞角速度和它们在绕飞圆周相隔π/2来推算；
4)截取各观察点位置的视频帧，对截取的帧图像，在通讯塔的上下两端部分分别划出2条水平线，划线时需避开安装在塔上的天线、抱杆等遮挡物干扰；在通讯塔的上下两端部分划出2条水平线采用人机交互，由人用鼠标手工划水平线或利用预先设计和训练过的卷神经网络算法自动划水平线。人工划水平线，是由人工在通讯塔身上、下部各划出2条水平线与塔身相交，这两条水平线与塔身左右交点的中点连线，代表塔身中心线，用来求塔垂直度。采用预先设计和训练过的卷神经网络算法自动划水平线，是对人工划水平线的模拟。首先，预先设计和训练过的卷神经网络算法自动检测出帧图像中的通讯塔身，可通过深度学***线，计算各线在塔身内部线段的中点连线的垂直度，即得到该观察角度上的塔垂直度。
5)水平线与通讯塔左右两侧纵向边缘线相交，通过画出通讯塔上下端的2条水平线，可获得2条水平线的中心点，两个中心点连线即得到塔中心线，塔中心线与重力垂线的夹角值，即为一个观察点测得的塔垂直度。
6)4个观察点获得的4个塔垂直度值中，间隔π弧度的一对观察点的塔垂直度值需取平均值，作为该方向塔垂直度；已经得到2个正交方向的塔垂直度为γ和β，则通讯塔的最终塔垂直度α的正切可根据以下公式计算：
Figure BDA0001552870530000051
再利用反正切函数arctan得到通讯塔的垂直度α。
其中，通讯塔的最终塔垂直度α正切的计算公式具体推导过程如图3所示，W为B和C两个观察点直线距离，L为C和D两个观察点直线距离，H为A和C两个观察点垂直距离,根据以下公式计算得到：
Figure BDA0001552870530000052
Figure BDA0001552870530000053
Figure BDA0001552870530000054
再利用反正切函数arctan得到通讯塔的垂直度α。当最终塔垂直度α小于8.6度时，α直接用正切值代替，误差不超过10％。
进一步指出，所述步骤1-6中无人机水平绕飞时，无人机圆周绕飞时，相机本身可能非水平。若只从一个点来观察塔中心线，检测值或存在较大误差；从相隔π的两点观察塔中心线垂直度并做平均，可以一定程度抵消绕飞平面非水平带来的误差；重复两次，可进一步减少误差，提高精度，做两次步骤6，得到两个α，取其平均值作为通讯塔的最终塔垂直度α。
进一步指出，由于绕飞通信塔的水平程度直接影响测量结果，本发明需要使用机载的陀螺仪准确、抗风能力较强的无人机。一旦无人机视频画面在水平方向有误差，会影响计算精度，可采取多次测量取平均的方法来减少误差，提高精度。由于无人机绕飞通讯塔提供了全方位的观察条件，因此经多角度重复测量、尽可能降低误差。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，其特征在于：
包括以下步骤：
1)利用多旋翼无人机定点绕飞通讯塔，并拍摄通讯塔视频；
2)对绕飞的视频预处理，截取水平匀速绕飞360°整的视频帧图像，求得绕飞角速度；
3)划分绕飞圆周为4个象限，在4个象限分别选择1个观察点，这4个观察点A、B、C、D在绕飞圆周上互相间隔角度为π/2，只需人工先定位一个观察点，则其他三个观察点可由绕飞角速度和它们在绕飞圆周相隔π/2来推算；
4)截取各观察点位置的视频帧，对截取的帧图像，在通讯塔的上下两端部分分别划出2条水平线；
5)水平线与通讯塔身左右两侧纵向边缘线相交，通过画出通讯塔上下端的2条水平线，可获得2条水平线的中心点，两个中心点连线即得到塔中心线，塔中心线与重力垂线的夹角值，即为一个观察点测得的塔垂直度；
6)4个观察点获得的4个塔垂直度值中，以间隔π弧度的两个观测点为一组分为两组数据并对每一组中的2个塔垂直度取平均值，2个平均值分别作为从对应数据组两个观察点连线方向观测到的塔垂直度；得到2个正交方向的塔垂直度为γ和β，则通讯塔的最终塔垂直度α的正切可根据以下公式计算：
Figure FDA0002433968620000011
再利用反正切函数arctan得到通讯塔的垂直度α。
2.根据权利要求1所述的基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，其特征在于，所述步骤1)提到的定点绕飞通讯塔采用以塔投影中心为圆心、等距半径逆时针水平圆周绕飞，绕飞半径为7-10米。
3.根据权利要求1所述的基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，其特征在于，所述步骤2)提到绕飞视频预处理是去掉视频开始与结尾处的重复冗余帧，绕飞视频中每个时刻帧值可对应一个角度值。
4.根据权利要求1所述的基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，其特征在于，所述步骤4)提到在通讯塔的上下两端部分划出2条水平线采用人机交互，由人用鼠标手工划水平线或利用预先设计和训练过的卷神经网络算法自动划水平线。
5.根据权利要求1所述的基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，其特征在于，所述步骤1)-6)中无人机水平绕飞时，在水平方向若有小幅倾斜，会影响计算精度，为了减少误差，提高精度连续做两次步骤6)，得到两个α，取其平均值作为通讯塔的最终塔垂直度α。
6.根据权利要求1所述的基于无人机视频的通讯塔垂直度检测方法，其特征在于，所述步骤6)的最终塔垂直度α小于8.6度时，α直接用正切值代替，误差不超过10％。
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