Dynamic monitoring of a pedestrian footbridge via a sub-250g commercial UAV: AprilTag pose, photogrammetric scaling and spectral identification

This thesis presents a reproducible, low-overhead workflow for vibration assessment of a full-scale pedestrian footbridge using sub-250 g UAVs and AprilTag tracking. Two DJI Mini 4 Pro drones recorded short hover sequences while a photogrammetric model (Agisoft Metashape) fixed the metric frame. Displacement histories were extracted in MATLAB via a pose-based AprilTag estimator (6-DoF) to limit perspective-induced scale drift. A shared-time processing pipeline—linear detrending, integer-cycle cropping, Hann window with coherent-gain correction, and zero-padding—yielded amplitude-faithful spectra and precise peak localization. Modal indicators were derived from magnitude-squared coherence and a Complex Spectral Ratio computed directly from FFT coefficients at resonance. On the Lambro River steel footbridge, both views consistently identified the first vertical bending mode at f1 ≈ 1.757 Hz, with near-zero cross-phase at midspan, high inter-UAV coherence, and amplitude ratios within ∼5–10% (differences mainly from viewing geometry). A “Strategy B” acquisition extended the analysis spatially: one UAV held a midspan reference tag while the other filmed markers along the deck, enabling reference-anchored complex ratios to assemble an Operational Deflection Shape at f1 with uniform phase and a unimodal envelope peaking at midspan. Results from both schemes (dual-hover and reference-plus-sweep) were validated against co-located accelerometers, confirming the identified frequency, in-phase behavior at midspan, and the relative amplitude pattern. Photogrammetric scale checks against field dimensions showed centimetric agreement—sufficient for frequency-domain identification and spatial ODS mapping. Overall, the commodity UAV → Metashape → MATLAB stack recovers actionable modal information without contact sensors, enabling rapid, non-contact screening of civil infrastructure.

Questa tesi presenta un flusso di lavoro riproducibile e leggero per la valutazione vibrazionale di una passerella pedonale in scala reale con UAV < 250 g e tracciamento AprilTag. Due DJI Mini 4 Pro hanno registrato brevi hover, mentre un modello fotogrammetrico (Agisoft Metashape) ha fissato il riferimento metrico. Le storie di spostamento sono state estratte in MATLAB con un estimatore AprilTag basato sulla pose (6-DoF) per limitare la deriva di scala prospettica. Una pipeline a base temporale condivisa— detrending lineare, ritaglio a numero intero di cicli, finestra di Hann con correzione del coherent gain e zero-padding—ha prodotto spettri fedeli in ampiezza e precisa localizzazione dei picchi. Gli indicatori modali derivano dalla magnitude-squared coherence e da una Complex Spectral Ratio calcolata direttamente dai coefficienti FFT in risonanza. Sulla passerella del fiume Lambro, le due viste hanno identificato il primo modo di flessione verticale a f1 ≈ 1.757 Hz, con cross-phase quasi nulla alla mezzeria, alta coerenza inter- UAV e rapporti di ampiezza entro ∼5–10% (dovuti soprattutto alla geometria di ripresa). Un’acquisizione “Strategy B” ha esteso l’analisi nello spazio: un UAV ha mantenuto il riferimento a metà campata mentre l’altro riprendeva marcatori lungo l’impalcato, consentendo rapporti complessi ancorati alla referenza per assemblare un’Operational Deflection Shape a f1 con fase uniforme e inviluppo unimodale con massimo alla mezzeria. I risultati di entrambi gli schemi (doppio hovering e reference+percorso) sono stati confrontati con accelerometri co-localizzati, confermando la frequenza identificata, il comportamento in fase alla mezzeria e il pattern di ampiezza. I controlli di scala fotogrammetrica rispetto alle misure in campo hanno mostrato accordo centimetrico—sufficiente per l’identificazione in frequenza e la mappatura spaziale dell’ODS. Nel complesso, la catena UAV → Metashape → MATLAB recupera informazioni modali operative senza sensori a contatto, abilitando uno screening rapido e non invasivo delle infrastrutture civili.