大坝变形监测的自动砍青系统及方法

技术领域

本发明属于工程测量领域，具体是涉及到一种大坝变形监测的自动砍青系统及方法。

背景技术

由于大坝的建设可以造福人民，带动地区经济的发展，还具有防洪的作用，因此大坝数量越来越多，其自身的安全性也得到关注。针对大坝安全监测，自动化、智能化的监测手段受到监测人员的青睐。智能全站仪作为大坝的主要监测仪器，其监测周期长，但对草木生长，尤其南方地区的大坝会对智能全站仪监测点造成遮挡，影响测站点与监测点之间的通视情况，无法达到监测的目的。针对草木生长遮挡监测点的现象，传统的做法是人工定期进行草木修剪清理，但人工清理存在效率低，自身安全性等问题。

发明内容

本发明提供一种大坝变形监测的自动砍青系统及方法，以解决人工砍青耗时耗力，效率低下的问题。

基于上述目的，本发明实施例提供了一种大坝变形监测的自动砍青系统，包括：无人机本体、全站仪以及至少一个目标棱镜，每个所述目标棱镜为一个第一监测点，所述无人机本体与所述全站仪通信连接，所述无人机本体上设置有电锯，所述全站仪用于对所述第一监测点进行实时监测，如果所述全站仪监测到所述第一监测点被遮挡，则将所述全站仪所在站点以及所述第一监测点的第一坐标传输给所述无人机本体，所述无人机本体沿着所述全站点与所述第一监测点之间的直线飞行，所述无人机在直线飞行过程中检测视觉是否被草木遮挡时，开启所述电锯对所述障碍物进行自动砍青。

可选的，所述自动砍青系统还包括：设置在所述无人机本体上的GNSS模块，用于对所述无人机本体进行定位和导航。

可选的，所述自动砍青系统还包括：设置在无人机本体上的传感器，用于检测所述无人机本体直线飞行过程中视觉是否被草木遮挡。

可选的，所述传感器包括超声波传感器和视觉传感器，所述无人机本体在飞行过程中通过所述超声波传感器检测到障碍物，则控制启动所述视觉传感器进行视觉观察，并在观察到视觉被草木遮挡时，开启所述电锯进行自动砍青。

可选的，所述全站仪设置在观测房中，所述自动砍青系统还包括：设置在所述观测房附近的后视点，所述全站仪根据包括所述全站仪所在站点以及监测区域内监测点在内的至少三个公共点在GNSS坐标系下的所述第一坐标和全站仪坐标系下的第二坐标获取所述全站仪坐标系与所述GNSS坐标系的坐标转换关系。

本发明实施例还提供了一种自动砍青方法，应用于前述的大坝变形监测的自动砍青系统，所述自动砍青方法包括：通过全站仪对第一监测点进行实时监测，并在监测到所述第一监测点被遮挡时，将所述第一监测点以及所述全站仪所在站点的坐标传输给所述无人机本体；所述无人机本体沿着所述全站仪所在站点与所述第一监测点之间的直线飞行，并在直线飞行过程中，探测视觉是否被草木遮挡；如果探测视觉被草木遮挡，则所述无人机开启所述电锯对所述障碍物进行自动砍青。

可选的，所述通过全站仪对第一监测点进行实时监测之前，包括：所述全站仪获取包括所述全站仪所在站点以及监测区域内监测点在内的至少三个公共点在GNSS坐标系下的所述第一坐标和以及全站仪坐标系下的第二坐标；根据三个公共点的所述第一坐标和所述第二坐标获取所述全站仪坐标系与所述GNSS坐标系的坐标转换关系。

可选的，所述在监测到所述第一监测点被遮挡时，将所述第一监测点以及所述全站仪所在站点的坐标传输给所述无人机本体，包括：在监测到所述第一监测点被遮挡时，所述全站仪根据所述坐标转换关系将所述第一监测点和所述全站仪所在站点的在全站仪坐标系下的第二坐标转换至GNSS坐标系下的所述第一坐标；将所述第一监测点和所述全站仪所在站点的所述第一坐标传输至所述无人机本体。

可选的，所述在直线飞行过程中，检测视觉是否被草木遮挡，包括：所述无人机本体根据所述第一监测点和所述全站仪所在站点的第一坐标沿着所述全站点与所述第一监测点之间的直线飞行；通过超声波传感器检测是否存在障碍物；如果检测到存在障碍物，则通过视觉传感器观察视觉是否被草木遮挡。

可选的，所述通过超声波传感器检测是否存在障碍物之后，还包括：如果通过超声波传感器检测到存在障碍物，则触发报警；如果通过超声波传感器未监测到存在障碍物，则继续飞行观察。

本发明的有益效果是，本发明提供一种大坝变形监测的自动砍青系统及方法，系统包括：无人机本体、全站仪以及至少一个目标棱镜，每个所述目标棱镜为一个第一监测点，所述无人机本体与所述全站仪通信连接，所述无人机本体上设置有电锯，所述全站仪用于对所述第一监测点进行实时监测，如果所述全站仪监测到所述第一监测点被遮挡，则将所述全站仪所在站点以及所述第一监测点的第一坐标传输给所述无人机本体，所述无人机本体沿着所述全站点与所述第一监测点之间的直线飞行，所述无人机在直线飞行过程中检测视觉是否被草木遮挡时，开启所述电锯对所述障碍物进行自动砍青，能够实现自动化砍青，节约人工成本，还可以提高监测效率，保障监测结构的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的一种大坝变形监测的自动砍青系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种大坝变形监测的自动砍青系统中的无人机结构示意图；

图3为本发明实施例中的一种大坝变形监测的自动砍青系统的工作原理示意图；

图4为本发明实施例中的一种大坝变形监测的自动砍青方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明实施例提供了一种大坝变形监测的自动砍青系统。如附图1所示，大坝变形监测的自动砍青系统包括：无人机本体、全站仪以及至少一个目标棱镜，每个所述目标棱镜为一个第一监测点，所述无人机本体与所述全站仪通信连接，所述无人机本体上设置有电锯，所述全站仪用于对所述第一监测点进行实时监测，如果所述全站仪监测到所述第一监测点被遮挡，则将所述全站仪所在站点以及所述第一监测点的第一坐标传输给所述无人机本体，所述无人机本体沿着所述全站点与所述第一监测点之间的直线飞行，所述无人机在直线飞行过程中检测视觉是否被草木遮挡时，开启所述电锯对所述障碍物进行自动砍青。

可选的，所述自动砍青系统还包括：设置在所述无人机本体上的GNSS模块，用于对所述无人机本体进行定位和导航。无人机本体选择具有实时动态(Real-time kinematic，RTK)定位功能的无人机，此功能可以结合定位卫星系统使无人机沿着全站仪观测的棱镜路径进行任务飞行。

可选的，所述全站仪设置在观测房中，如图1所示，所述自动砍青系统还包括：设置在所述观测房附近的后视点B，所述全站仪根据包括所述全站仪所在站点A以及监测区域内监测点在内的至少三个公共点在全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)坐标系下的所述第一坐标和全站仪坐标系下的第二坐标获取所述全站仪坐标系与所述GNSS坐标系的坐标转换关系。例如，可以基于如图1中的全站仪所在站点A、后视点B以及监测区域内的任一第一监测点Pi获取第一坐标与第二坐标的坐标转换关系，其中i为正整数。

首先获得测量全站仪所在站点A，后视点B，以及某个第一监测点Pi在全站仪坐标系下的第二坐标和GNSS坐标系下的第一坐标。利用卫星信号接收机获得三维坐标(B，L，H)，通过高斯投影将B，L，H转换成(x，y，z)，即全站仪所在站点A、后视点B、第一监测点Pi的第一坐标分别为(X

然后利用三个公共点A、B、Pi在两坐标系之间的坐标转换关系，求得7个参数，即3个旋转参数，3个平移参数，1个比例参数。具体坐标转换关系公式如下：

其中，是比例参数，R是旋转参数，Δ是平移向量，1，2分别是GNSS坐标系和全站仪坐标系中的坐标，即GNSS坐标系为坐标系1，全站仪坐标系为坐标系2。

其中，|AB|

|APi|

|BPi|

其中，I是单位矩阵，

由上式可求得a，b，c。再将a，b，c代入矩阵S求出旋转参数矩阵R，再把任意坐标代入前面的坐标转换关系公式即可求得平移向量Δ，如此7个参数均已知。全站仪进一步可以根据所述坐标转换关系将所述第一监测点和所述全站仪所在站点的在全站仪坐标系下的第二坐标转换至GNSS坐标系下的所述第一坐标。

可选的，如图2所示，所述自动砍青系统还包括：设置在无人机本体上的传感器，用于检测所述无人机本体直线飞行过程中视觉是否被草木遮挡。所述传感器包括超声波传感器和视觉传感器，所述无人机本体在飞行过程中通过所述超声波传感器检测到障碍物，则控制启动所述视觉传感器进行视觉观察，并在观察到视觉被草木遮挡时，开启所述电锯进行自动砍青。GNSS模块安装在无人机本体头部，位于各螺旋桨中央位置，用于对所述无人机本体进行定位和导航；所述超声波传感器与视觉传感器安装在无人机本体的中部，两传感器呈上下排列，视觉传感器外部无遮挡，用于对外部遮挡物拍照回传；所述电锯位于无人机本体最下方位置，可伸缩旋转，用于全方位清理草木。

自动砍青系统的工作原理如图3所示，包括：

步骤101：判断智能全站仪是否能对Pi进行观测。如果是，则跳转至步骤105；否则执行步骤103。

步骤102：根据3个已知公共点求取全站仪坐标系与GNSS坐标系之间坐标转换关系。

确定在观测房附近的后视点B、所述全站仪所在站点A和监测区域内任一第一监测点Pi为三个已知公共点，根据该3个已知公共点应用前述的方法求取全站仪坐标系与GNSS坐标系之间坐标转换关系，可实现将各点全站仪坐标系2的坐标转换为GNSS坐标系1的坐标。

步骤103：将观测点A和第一监测点Pi在全站仪坐标系下坐标转化成GNSS三维坐标并传递给无人机：

当全站仪不能对第一监测点Pi进行观测时，获取此第一观测点Pi和全站仪所在站点A在坐标系2下的坐标，并根据步骤102中获得的坐标转换关系转换为坐标系1下的坐标，将此转换后的坐标系1的坐标传递给无人机本体。

步骤104：无人机本体沿A、Pi三维坐标形成的直线飞行，进行砍青任务：

无人机接收到全站仪传递来的A和Pi两点在GNSS坐标系1下的坐标，沿着这两点形成的直线前进飞行，在飞行过程中开启超声波传感器，当超声波传感器检测到障碍物时打开视觉传感器视察，在观察到视觉被草木遮挡时，开启所携带的电锯进行自动砍青任务，直到智能全站仪可以对Pi进行较清晰的观测，结束砍青任务返航。

步骤105：继续观测：

当智能全站仪可以对第一监测点Pi进行较为清晰的观测时，说明智能全站仪与第一监测点Pi无阻挡，能正常监测，不用无人机进行自动砍青任务，继续对第一监测点Pi进行观测。

本发明实施例通过判断智能全站仪是否能对第一监测点Pi进行观测；将观测点A和第一监测点Pi在全站仪坐标系下坐标转化成GNSS三维坐标传递给无人机；无人机本体沿A、Pi三维坐标形成的直线飞行，进行砍青任务，能够实现GNSS坐标系与全站仪坐标系的自动转换，使无人机沿直线巡航并针对第一监测点Pi进行自动砍青任务，节省了人工成本。

本发明实施例还提供了一种大坝变形监测的自动砍青方法，如图4所示，大坝变形监测的自动砍青方法包括：

步骤S11：通过全站仪对第一监测点进行实时监测，并在监测到所述第一监测点被遮挡时，将所述第一监测点以及所述全站仪所在站点的坐标传输给所述无人机本体。

在步骤S11之前，所述全站仪获取包括所述全站仪所在站点以及监测区域内监测点在内的至少三个公共点在GNSS坐标系下的所述第一坐标和以及全站仪坐标系下的第二坐标；根据三个公共点的所述第一坐标和所述第二坐标获取所述全站仪坐标系与所述GNSS坐标系的坐标转换关系。

在步骤S11中，在监测到所述第一监测点被遮挡时，所述全站仪根据所述坐标转换关系将所述第一监测点和所述全站仪所在站点的在全站仪坐标系下的第二坐标转换至GNSS坐标系下的所述第一坐标；将所述第一监测点和所述全站仪所在站点的所述第一坐标传输至所述无人机本体。

步骤S12：所述无人机本体沿着所述全站仪所在站点与所述第一监测点之间的直线飞行，并在直线飞行过程中，探测视觉是否被草木遮挡。

在本发明实施例中，所述无人机本体根据所述第一监测点和所述全站仪所在站点的第一坐标沿着所述全站点与所述第一监测点之间的直线飞行；通过超声波传感器检测是否存在障碍物；如果检测到存在障碍物，则通过视觉传感器观察视觉是否被草木遮挡。

如果通过超声波传感器检测到存在障碍物，还触发报警，提醒操作人员，开启摄像机观察周围环境，以决定后续的操作。如果通过超声波传感器未监测到存在障碍物，则继续飞行观察。

步骤S13：如果探测视觉被草木遮挡，则所述无人机开启所述电锯对所述障碍物进行自动砍青。

如果通过视觉传感器观察到视觉被草木遮挡，则无人机本体开启所述电锯对草木进行自动砍青。清理任务完成后，继续开启视觉传感器判断测路径畅通无阻，并再次利用观测房的全站仪对该监测点进行观测确认其通视性，检验是否能瞄准监测点。如全站仪不能瞄准第一监测点则继续砍青任务；如全站仪能瞄准第一监测点则继续监测，再启动无人机的自动返回功能回到观测房。如此全站仪可以观测各第一监测点以达到自动化大坝监测，能够节约人工成本，还可以提高监测效率，保障监测结构的可靠性。

本发明实施例通过全站仪对第一监测点进行实时监测，并在监测到所述第一监测点被遮挡时，将所述第一监测点以及所述全站仪所在站点的坐标传输给所述无人机本体；所述无人机本体沿着所述全站仪所在站点与所述第一监测点之间的直线飞行，并在直线飞行过程中，探测视觉是否被草木遮挡；如果探测视觉被草木遮挡，则所述无人机开启所述电锯对所述障碍物进行自动砍青，可对大坝各监测点Pi的遮挡物进行判断，对遮挡的草木进行自动清理，判断清除结果是否符合监测要求，实行大坝的自动化监测，节约人工成本，还可以提高监测效率，保障监测结构的可靠性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。