專利名稱：一種基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于橋梁工程的橋梁動位移測量裝置，既適用于即時 的橋梁動位移測量，又適用于大跨度的連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、斜拉橋和懸索 橋的撓度長期實(shí)時監(jiān)測，屬于橋梁工程建筑領(lǐng)域，具體地說是涉及一種適用于 橋梁工程動位移的實(shí)時監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，橋梁工程結(jié)構(gòu)中的動位移測量，橋梁豎向位移的監(jiān)測一般
采用全站儀法、反射鏡法和水準(zhǔn)儀法以及加速度傳感器法、GPS法和機(jī)器視覺法， 全站儀法、反射鏡法和水準(zhǔn)儀法都是靜態(tài)測量，無法實(shí)現(xiàn)橋梁位移的動態(tài)、連 續(xù)觀測，也無法實(shí)現(xiàn)橋梁動位移的自動化處理，只能作為橋梁定期監(jiān)測的一種 手段，而且存在在人為參與環(huán)節(jié)中增加誤差產(chǎn)生的缺陷；而加速度傳感器法， 對于低頻靜態(tài)位移鑒別效果差，為獲得位移必須對它進(jìn)行兩次積分，精度不高， 也無法實(shí)時；GPS法采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實(shí) 時相位差分即RTK技術(shù)，實(shí)時測定大橋位移，存在測量精度不高、價格昂貴等 缺點(diǎn)。機(jī)器視覺測量融合了光學(xué)、電子、機(jī)械、傳感器、計(jì)算機(jī)、圖像處理、 通信技術(shù)于一體，利用圖像分析的方法動態(tài)測定大橋動位移，具有精度高、實(shí) 時性強(qiáng)、非接觸、能夠長時間穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)。目前，機(jī)器視覺法在橋梁動位 移測量的原理為利用光電和圖像處理方法求解橋梁的動位移，具體實(shí)現(xiàn)方法 為在橋梁被測點(diǎn)處放置靶標(biāo)(點(diǎn)光源)，檢測儀在岸上通過光學(xué)望遠(yuǎn)放大系統(tǒng)使 耙標(biāo)在CCD感光單元上成像，通過系統(tǒng)標(biāo)定，檢出橋梁在豎向和橫橋向的動位移。 系統(tǒng)標(biāo)定是在測量之前進(jìn)行的，即求解出線陣CCD上每個像素代表的實(shí)際位移 值。這種方法存在的缺點(diǎn)是由于靶標(biāo)(點(diǎn)光源)和檢測儀距離較遠(yuǎn)，可達(dá)幾 百米，這就要求光學(xué)系統(tǒng)為了獲得清晰的數(shù)據(jù)圖像必須選用長焦距鏡頭或望遠(yuǎn) 系統(tǒng)。因此安裝調(diào)試和測量過程中的些微誤差經(jīng)過長焦鏡頭或望遠(yuǎn)系統(tǒng)高倍放 大以后很容易產(chǎn)生較大的測量誤差，這種測量方式不僅造價昂貴，而且也容易 造成較大的測量誤差。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種新型基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置，通過設(shè)置 在岸上的激光源不斷向設(shè)置在橋上被測點(diǎn)的靶標(biāo)發(fā)射激光束，在標(biāo)靶上產(chǎn)生激 光光斑，由同樣設(shè)置在橋上被測點(diǎn)靶標(biāo)后面的集成成像單元連續(xù)進(jìn)行圖像拍攝 和A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字圖像信號，經(jīng)USB方式傳輸?shù)絇C機(jī)或數(shù)據(jù)存儲卡上，再由 運(yùn)行圖像處理軟件的PC機(jī)進(jìn)行目標(biāo)的識別及運(yùn)算，通過測量之前的系統(tǒng)標(biāo)定， 得到橋梁的動位移。由于靶標(biāo)和集成成像單元通過同 一機(jī)具設(shè)置于橋上被測點(diǎn)
處，保證了輩巴標(biāo)和集成成像單元的相對靜止，從而可以拍攝出清晰的圖像，以 利于后續(xù)圖像的分析和處理。系統(tǒng)標(biāo)定是在測量之前進(jìn)行的，即求解出CCD上每 個像素代表的實(shí)際位移值。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的
基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置主要由激光源a、靶標(biāo)b、安裝架c、 集成成像單元和運(yùn)行圖像處理軟件的PC機(jī)h組成。集成成像單元包含有光學(xué)鏡 頭d、工業(yè)照相機(jī)e、圖像采集卡f、數(shù)據(jù)存儲卡g,集成成像單元的前端設(shè)置 一個進(jìn)行光學(xué)放大的光學(xué)鏡頭d,光學(xué)鏡頭d后設(shè)置一個進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的工業(yè)照 相機(jī)e，工業(yè)照相機(jī)e通過圖像采集卡f,再連接到運(yùn)行圖像處理軟件的PC機(jī)h 或數(shù)據(jù)存儲卡g。靶標(biāo)b由半透明、非透射、抗震性好的材料構(gòu)成。設(shè)置在岸上 的激光源a不斷向設(shè)置在橋上被測點(diǎn)的靶標(biāo)b發(fā)射激光束，激光束a在輩巴標(biāo)b 上成像，并在靶標(biāo)b的另一面產(chǎn)生激光光斑，經(jīng)光學(xué)鏡頭d放大成像后，由工 業(yè)照相機(jī)e進(jìn)行連續(xù)采集拍攝，采集的視頻信號首先經(jīng)圖像采集卡f進(jìn)行濾波、 A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)既可以通過USB接口輸入到PC 機(jī)h中，通過相應(yīng)的數(shù)字圖像處理算法對激光束在靶標(biāo)b上的成像點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo) 特征的提取和識別，并根據(jù)坐標(biāo)標(biāo)定進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，最終實(shí)時得到橋梁的動位 移值；也可以將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲卡g中，經(jīng)過一段時間的測量用PC 機(jī)h將圖像數(shù)據(jù)取出來，計(jì)算橋梁的動位移值，并進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)、分析、評 估等。由于必須保證在靶標(biāo)b另一面激光光斑能夠清晰成像，且激光不能透射 靶標(biāo)b，以防對CCD感光單元造成損害，應(yīng)選用半透明、非透射、抗震性好的材 料制作，靶標(biāo)b的尺寸大小根據(jù)橋梁動位移實(shí)際情況進(jìn)行選擇和更換，靶標(biāo)b 的安裝應(yīng)盡可能使激光束和靶標(biāo)b的中心在同一條水平線上，以免靶標(biāo)b在隨 橋梁振動條件下激光束偏離靶標(biāo)b范圍；集成成^f象單元的光學(xué)鏡頭d和工業(yè)照 相機(jī)e的中心和靶標(biāo)b的中心應(yīng)在同一條水平線上，且靶標(biāo)b和集成成像單元 均安裝于同一安裝架c上，使它們同頻同相同幅振動，以保證二者無相對位移。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)
1) 能同時進(jìn)行二維測量，測量豎橋向和橫橋向橋梁的動位移；
2) 將工業(yè)相機(jī)和靶標(biāo)集成放置在橋面上，避免了使用長焦距鏡頭或光學(xué)望 遠(yuǎn)系統(tǒng)，既降低了系統(tǒng)成本又提高了測量精度；
3 )測量精度高，采用高分辨率CCD和數(shù)字圖像處理技術(shù)，測量精度可達(dá)測 量范圍的1%;
4) 測量距離理論上可以達(dá)到無限遠(yuǎn)。只要激光光源發(fā)射的激光束在靶標(biāo)接 收范圍內(nèi)清晰成像就可以對動位移進(jìn)行精確測量；
5) 頻響范圍寬，頻響范圍可根據(jù)工業(yè)照相機(jī)的幀頻確定。選擇幀頻高的工 業(yè)照相機(jī)可獲得更寬的頻率響應(yīng)范圍；
6) 可方便地根據(jù)橋梁動位移的實(shí)際情況選擇和更換靶標(biāo)，適用于各種類型 的橋梁動位移測量。


圖l是本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置的組成示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明，該實(shí)施例為一座主跨400 米預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。根據(jù)該實(shí)施例中設(shè)計(jì)要求的橋梁變形大小和橋梁變形形式，該實(shí)施例中激光源a位于岸上距橋面路邊lm的位置上，激光源a的發(fā)射距 離為250m;靶標(biāo)b和集成成像單元安裝在位于主跨i夸中的安裝架c上，激光源a高 度和集成成像單元高度位于同一水平線上。靶標(biāo)b大小為500mii^l00mm,標(biāo)定為 lmn^lmm的單元格，耙標(biāo)b距集成成像單元的光學(xué)鏡頭d、工業(yè)照相機(jī)e為600mm; 選配焦距為5 50mm的可變焦光學(xué)鏡頭d;工業(yè)照相機(jī)e采用MV相機(jī)，MV工業(yè)照相 機(jī)e采用l/3"CCD,最高分辨率為752x480，最大幀頻為60fps，工業(yè)照相機(jī)e內(nèi)部 集成了圖像釆集卡f,直接輸出數(shù)字圖像信號，通過上位PC機(jī)h上的圖像處理軟 件進(jìn)行圖像的運(yùn)算，目標(biāo)的識別，最終計(jì)算出橋梁振動在豎橋向和橫橋向上的 分量，即豎橋向和纟黃橋向兩個方向上的動4立移。
權(quán)利要求1、一種基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置，主要由激光源(a)、靶標(biāo)(b)、安裝架(c)、集成成像單元和運(yùn)行圖像處理軟件的PC機(jī)(h)組成，其特征是集成成像單元包含有光學(xué)鏡頭(d)、工業(yè)照相機(jī)(e)、圖像采集卡(f)、數(shù)據(jù)存儲卡(g)，集成成像單元的前端設(shè)置一個進(jìn)行光學(xué)放大的光學(xué)鏡頭(d)，光學(xué)鏡頭(d)后設(shè)置一個進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的工業(yè)照相機(jī)(e)，工業(yè)照相機(jī)(e)通過圖像采集卡(f)，再連接到運(yùn)行圖像處理軟件的PC機(jī)(h)或數(shù)據(jù)存儲卡(g)；靶標(biāo)(b)和集成成像單元均安裝于同一安裝架(c)上，并設(shè)置于橋上被測點(diǎn)；激光源(a)設(shè)置在岸上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置，其特征是 靶標(biāo)(b)選用半透明、非透射、抗震性好的材料制作。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置，其特征是 耙標(biāo)(b)的安裝應(yīng)盡可能使激光束和靶標(biāo)(b)的中心在同一條水平線上，以 免靶標(biāo)(b)在隨橋梁振動條件下激光束偏離靶標(biāo)(b)范圍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置，其特征是 集成成像單元的光學(xué)鏡頭(d)和工業(yè)照相機(jī)(e)的中心和靶標(biāo)(b)的中心應(yīng) 在同一條水平線上。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種新型基于機(jī)器視覺的橋梁動位移測量裝置，通過設(shè)置在岸上的激光源不斷向設(shè)置在橋上被測點(diǎn)的靶標(biāo)發(fā)射激光束，在靶標(biāo)上產(chǎn)生激光光斑，由同樣設(shè)置在橋上被測點(diǎn)靶標(biāo)后面的集成成像單元連續(xù)進(jìn)行圖像拍攝和A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字圖像信號，經(jīng)USB方式傳輸?shù)絇C機(jī)或數(shù)據(jù)存儲卡上，再由運(yùn)行圖像處理軟件的PC機(jī)進(jìn)行目標(biāo)的識別及運(yùn)算，通過測量之前的系統(tǒng)標(biāo)定，得到橋梁的動位移。由于靶標(biāo)和集成成像單元通過同一機(jī)具設(shè)置于橋上被測點(diǎn)處，保證了靶標(biāo)和集成成像單元的相對靜止，從而可以拍攝出清晰的圖像，以利于后續(xù)圖像的分析和處理。系統(tǒng)標(biāo)定是在測量之前進(jìn)行的，即求解出CCD上每個像素代表的實(shí)際位移值。
文檔編號G01B11/02GK201364143SQ20082024109
公開日2009年12月16日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者剛 侍, 史雪峰, 尹雙慶, 毅 楊, 王鳴輝, 袁建新, 鐘繼衛(wèi) 申請人:中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司;中鐵大橋局股份有限公司