本發(fā)明屬于危巖探測(cè)分析，尤其涉及一種基于無(wú)人機(jī)和仿生機(jī)器人的庫(kù)區(qū)危巖穩(wěn)定性分析方法。

背景技術(shù)：

1、危巖崩塌作為山區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害之一，具有分布范圍廣、突發(fā)性強(qiáng)、致災(zāi)性強(qiáng)和隱蔽性高等特點(diǎn)。例如，某些大型峽谷的庫(kù)區(qū)由于兩岸山勢(shì)高拔陡峭，為崩塌災(zāi)害的孕育提供了天然條件。這些危巖的存在嚴(yán)重威脅黃金水道通航安全。

2、危巖是指位于陡崖或者陡坡上被巖體結(jié)構(gòu)面切割且在重力、地震、裂隙水壓力等誘發(fā)因素作用下穩(wěn)定性較差的巖石塊體，其形成、失穩(wěn)與運(yùn)動(dòng)屬于邊坡地貌動(dòng)力過(guò)程演化的主要形式之一。從危巖失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理出發(fā)可以將危巖分為墜落式、滑移式、傾倒式危巖。而大型峽谷的庫(kù)區(qū)危巖眾多，且受制于地形難以開展人工勘測(cè)，無(wú)法對(duì)危巖穩(wěn)定性、危險(xiǎn)性進(jìn)行有效的分析評(píng)估?，F(xiàn)有的技術(shù)通常采用無(wú)人機(jī)等非接觸測(cè)量手段，但由于無(wú)人機(jī)通常只能獲取表面巖體信息，無(wú)法有效提取主控結(jié)構(gòu)面關(guān)鍵信息，進(jìn)而影響后續(xù)對(duì)危巖穩(wěn)定性的判斷。

3、因此，怎樣才能準(zhǔn)確、便捷的對(duì)大型峽谷庫(kù)區(qū)的危巖進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，成為目前亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于無(wú)人機(jī)和仿生機(jī)器人的庫(kù)區(qū)危巖穩(wěn)定性分析方法，可以準(zhǔn)確、便捷的對(duì)大型峽谷庫(kù)區(qū)的危巖進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、一種基于無(wú)人機(jī)和仿生機(jī)器人的庫(kù)區(qū)危巖穩(wěn)定性分析方法，包括以下步驟：

4、s1、設(shè)置庫(kù)區(qū)危巖穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，包括無(wú)人機(jī)、仿生機(jī)器人和中控系統(tǒng)；其中，無(wú)人機(jī)用于運(yùn)輸仿生機(jī)器人，還用于獲取危巖的圖像；仿生機(jī)器人用于獲取危巖的主控結(jié)構(gòu)面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

5、s2、控制無(wú)人機(jī)將仿生機(jī)器人運(yùn)送到待檢測(cè)的危巖頂部；

6、s3、控制無(wú)人機(jī)沿預(yù)設(shè)航線飛行并沿途拍攝危巖的圖像，并將圖像上傳至中控系統(tǒng)；

7、s4、控制仿生機(jī)器人沿危巖的主控結(jié)構(gòu)面移動(dòng)，并沿途獲取主控結(jié)構(gòu)面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)上傳至中控系統(tǒng)；

8、s5、通過(guò)中控系統(tǒng)融合接收到的圖像數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成帶主控結(jié)構(gòu)面的危巖體三維點(diǎn)云模型，并對(duì)危巖進(jìn)行分析處理；所述分析處理包括危巖類型判斷和穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算；

9、s6、根據(jù)危巖的分析處理結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)處理。

10、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

11、1、使用本方法，在設(shè)置好庫(kù)區(qū)危巖穩(wěn)定性分析系統(tǒng)后，進(jìn)行危巖檢測(cè)時(shí)，首先，利用無(wú)人機(jī)攜帶仿生機(jī)器人達(dá)到危巖體頂部。無(wú)人機(jī)與仿生機(jī)器人分離后，按照預(yù)定的航線對(duì)危巖體進(jìn)行整體掃描，存儲(chǔ)并上傳圖像至中控系統(tǒng)。同時(shí)，控制仿生機(jī)器人沿危巖的主控結(jié)構(gòu)面移動(dòng)，并沿途獲取主控結(jié)構(gòu)面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并上傳數(shù)據(jù)至中控系統(tǒng)。然后，中控系統(tǒng)融合兩種數(shù)據(jù)，形成帶主控結(jié)構(gòu)面的危巖體三維點(diǎn)云模型，再對(duì)危巖進(jìn)行分析處理，包括危巖類型判斷和穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算。通過(guò)該分析處理，可以準(zhǔn)確的了解危險(xiǎn)的類型以及危險(xiǎn)的程度。

12、2、本方法中，無(wú)人機(jī)同時(shí)起到運(yùn)輸仿生機(jī)器人以及危巖圖像采集的雙重作用，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行能力進(jìn)行了充分的利用，可以有效的控制整體成本。

13、3、本方法中通過(guò)仿生機(jī)器人對(duì)危巖進(jìn)行近距離勘測(cè)，由于仿生機(jī)器人的功能要求單一(獲取主控結(jié)構(gòu)面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù))，可以做到輕量化，仿生機(jī)器人進(jìn)行勘測(cè)時(shí)不會(huì)對(duì)危巖體本身穩(wěn)定性造成較大影響。

14、4、本方法中，還會(huì)根據(jù)危巖的分析處理結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)處理。從而可以對(duì)危巖的后續(xù)處理進(jìn)行有效的幫助，保證后續(xù)處理的有效性。

15、綜上，本方法可以準(zhǔn)確、便捷的對(duì)大型峽谷庫(kù)區(qū)的危巖進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。

16、優(yōu)選地，仿真機(jī)器人設(shè)有三折機(jī)械臂，用于進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)和移動(dòng)。

17、這樣的設(shè)置，三折機(jī)械臂起到雙重作用。通過(guò)姿態(tài)調(diào)節(jié)可以保證獲取到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效性。通過(guò)移動(dòng)則可以保證獲取到的主控結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)的充足性。

18、優(yōu)選地，仿真機(jī)器人設(shè)有位于側(cè)面的攝像頭和位于底部的激光傳感器；仿真機(jī)器人獲取主控結(jié)構(gòu)面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程包括：

19、達(dá)危巖頂部后，仿真機(jī)器人通過(guò)攝像頭和激光傳感器的采集數(shù)據(jù)，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行確認(rèn)，并尋找危巖主控結(jié)構(gòu)面；搜索到危巖主控結(jié)構(gòu)面后，通過(guò)調(diào)節(jié)三折機(jī)械臂的調(diào)整仿生機(jī)器人的姿態(tài)，使激光傳感器對(duì)準(zhǔn)主控結(jié)構(gòu)面，并沿主控結(jié)構(gòu)面行走，采集主控結(jié)構(gòu)面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)上傳給中控系統(tǒng)。

20、這樣，可以快速準(zhǔn)確的搜索到危巖的主控結(jié)構(gòu)面，并有效的獲取到主控結(jié)構(gòu)面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

21、優(yōu)選地，仿真機(jī)器人的主體包括從上到下的控制層和基座層；攝像頭設(shè)于控制層；基座層的底部設(shè)置有收納倉(cāng)和探測(cè)倉(cāng)；收納倉(cāng)用于收納三折機(jī)械臂；探測(cè)倉(cāng)用于設(shè)置激光傳感器。

22、這樣，在不進(jìn)行近距離勘測(cè)的期間，仿真機(jī)器人可以將三折機(jī)械臂收納在收納倉(cāng)內(nèi)，整體的外形更加的工整且占用的空間小，便于運(yùn)輸和存放。

23、優(yōu)選地，無(wú)人機(jī)的底部設(shè)有電磁板，仿生機(jī)器人的頂部設(shè)有電磁吸頭；無(wú)人機(jī)與仿生機(jī)器人通過(guò)電磁板與電磁吸頭進(jìn)行可拆卸連接。

24、這樣的設(shè)置，無(wú)人機(jī)可以便捷的將仿生機(jī)器人進(jìn)行固定，到達(dá)危巖頂部后也可以便捷的將仿生機(jī)器人脫離連接。

25、優(yōu)選地，中控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊、類型判斷模塊、穩(wěn)定計(jì)算模塊和防治建議模塊；

26、數(shù)據(jù)處理模塊用于根據(jù)接收到的圖像及激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成危巖的三維點(diǎn)云模型，并獲取危巖的關(guān)鍵信息；類型判斷模塊用于根據(jù)危巖的三維點(diǎn)云模型，對(duì)危巖進(jìn)行類型判斷；穩(wěn)定計(jì)算模塊用于根據(jù)危巖的類型以及關(guān)鍵信息，計(jì)算危巖的穩(wěn)定性系數(shù)；防治建議模塊用于根據(jù)危巖的類型及穩(wěn)定性系數(shù)，生成相應(yīng)的防治方案。

27、這樣，中控系統(tǒng)通過(guò)各模塊的處理，可以有效的對(duì)危巖進(jìn)行處理分析。

28、優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理模塊提取的關(guān)鍵信息包括危巖的體垂直高度h、主控結(jié)構(gòu)面傾角β、主控結(jié)構(gòu)面貫通段垂直高度e、主控結(jié)構(gòu)面充水垂直高度e1、危巖體重心至基座裸露面的水平距離a、以及危巖體與基座接觸長(zhǎng)度lb。

29、這樣的設(shè)置，可以保證后續(xù)對(duì)危巖的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。

30、優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)自適應(yīng)k最近鄰搜索算法擬合得到危巖的各個(gè)關(guān)鍵面的面狀方程后，再計(jì)算危巖的關(guān)鍵信息；擬合得到的關(guān)鍵面的面狀方程，滿足領(lǐng)域點(diǎn)云集中各點(diǎn)到平面距離的平方和最??；領(lǐng)域點(diǎn)云集由點(diǎn)云空間中的目標(biāo)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)鄰域k-1個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)形成。

31、這樣，自適應(yīng)k最近鄰搜索算法能夠根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布特性，動(dòng)態(tài)地選擇最佳的k值來(lái)構(gòu)建領(lǐng)域點(diǎn)云集。這種方法相較于固定k值的方法，更能準(zhǔn)確地反映危巖表面的局部特征，從而提高面狀方程的擬合精度。高精度的面狀方程有助于更準(zhǔn)確地計(jì)算危巖的關(guān)鍵信息，如體積、表面積、傾斜角度等。由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，危巖的表面形態(tài)往往呈現(xiàn)出不規(guī)則性和多樣性。自適應(yīng)k最近鄰搜索算法通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整k值，能夠更好地適應(yīng)不同形態(tài)和密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確保擬合結(jié)果的有效性和可靠性。這種適應(yīng)性使得該算法在處理各種類型的危巖時(shí)都能保持較高的精度和穩(wěn)定性。高精度的面狀方程和準(zhǔn)確的危巖關(guān)鍵信息為后續(xù)的類型判斷、穩(wěn)定性計(jì)算以及防治建議生成提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這些關(guān)鍵信息不僅有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估危巖的狀態(tài)和穩(wěn)定性，還能為制定針對(duì)性的防治方案提供科學(xué)依據(jù)。

32、優(yōu)選地，危巖類型包括滑塌式危巖、傾倒式危巖、墜落式危巖。

33、優(yōu)選地，計(jì)算危巖的穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)，滑塌式危巖的穩(wěn)定性計(jì)算式為：

34、

35、傾倒式危巖且傾覆點(diǎn)在內(nèi)側(cè)時(shí)，穩(wěn)定性計(jì)算式為：

36、

37、傾倒式危巖且傾覆點(diǎn)在外側(cè)時(shí)，穩(wěn)定性計(jì)算式為：

38、

39、墜落式危巖穩(wěn)定性計(jì)算式為：

40、

41、式中，fs為穩(wěn)定性系數(shù)；w為危巖體自重；p為水平地震力；β為主控結(jié)構(gòu)面傾角；c、為抗剪強(qiáng)度參數(shù)；e1為主控結(jié)構(gòu)面充水垂直高度；a為危巖體重心至基座裸露面的水平距離；flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；h為危巖體垂直高度；e為主控結(jié)構(gòu)面貫通段垂直高度；lb為危巖體與基座接觸長(zhǎng)度；f0k為危巖體與基座之間的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)基座為巖體時(shí)，f0k＝flk；p為水平地震力；h0為危巖體重心點(diǎn)到基座裸露面的垂直距離；q為危巖主控結(jié)構(gòu)面水壓力，q＝0.5γwe12l,l為危巖體沿陡崖或者陡坡走向方向的長(zhǎng)度，γw為裂隙水的容重。

42、這樣的設(shè)置，可以準(zhǔn)確的計(jì)算各類型危巖的穩(wěn)定性系數(shù)，可以保證后續(xù)處理的針對(duì)性和有效性。