专利名称：一种基于机器视觉的桥梁动位移测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于桥梁工程的桥梁动位移测量装置，既适用于即时 的桥梁动位移测量，又适用于大跨度的连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥和悬索 桥的挠度长期实时监测，属于桥梁工程建筑领域，具体地说是涉及一种适用于 桥梁工程动位移的实时监测装置。
背景技术：
在现有技术中，桥梁工程结构中的动位移测量，桥梁竖向位移的监测一般
采用全站仪法、反射镜法和水准仪法以及加速度传感器法、GPS法和机器视觉法， 全站仪法、反射镜法和水准仪法都是静态测量，无法实现桥梁位移的动态、连 续观测，也无法实现桥梁动位移的自动化处理，只能作为桥梁定期监测的一种 手段，而且存在在人为参与环节中增加误差产生的缺陷；而加速度传感器法， 对于低频静态位移鉴别效果差，为获得位移必须对它进行两次积分，精度不高， 也无法实时；GPS法采用全球卫星定位系统，利用接收导航卫星载波相位进行实 时相位差分即RTK技术，实时测定大桥位移，存在测量精度不高、价格昂贵等 缺点。机器视觉测量融合了光学、电子、机械、传感器、计算机、图像处理、 通信技术于一体，利用图像分析的方法动态测定大桥动位移，具有精度高、实 时性强、非接触、能够长时间稳定工作等优点。目前，机器视觉法在桥梁动位 移测量的原理为利用光电和图像处理方法求解桥梁的动位移，具体实现方法 为在桥梁被测点处放置靶标(点光源)，检测仪在岸上通过光学望远放大系统使 耙标在CCD感光单元上成像，通过系统标定，检出桥梁在竖向和横桥向的动位移。 系统标定是在测量之前进行的，即求解出线阵CCD上每个像素代表的实际位移 值。这种方法存在的缺点是由于靶标(点光源)和检测仪距离较远，可达几 百米，这就要求光学系统为了获得清晰的数据图像必须选用长焦距镜头或望远 系统。因此安装调试和测量过程中的些微误差经过长焦镜头或望远系统高倍放 大以后很容易产生较大的测量误差，这种测量方式不仅造价昂贵，而且也容易 造成较大的测量误差。
发明内容
本实用新型提供一种新型基于机器视觉的桥梁动位移测量装置，通过设置 在岸上的激光源不断向设置在桥上被测点的靶标发射激光束，在标靶上产生激 光光斑，由同样设置在桥上被测点靶标后面的集成成像单元连续进行图像拍摄 和A/D转换后形成数字图像信号，经USB方式传输到PC机或数据存储卡上，再由 运行图像处理软件的PC机进行目标的识别及运算，通过测量之前的系统标定， 得到桥梁的动位移。由于靶标和集成成像单元通过同 一机具设置于桥上被测点
处，保证了輩巴标和集成成像单元的相对静止，从而可以拍摄出清晰的图像，以 利于后续图像的分析和处理。系统标定是在测量之前进行的，即求解出CCD上每 个像素代表的实际位移值。本实用新型的技术方案是这样实现的
基于机器视觉的桥梁动位移测量装置主要由激光源a、靶标b、安装架c、 集成成像单元和运行图像处理软件的PC机h组成。集成成像单元包含有光学镜 头d、工业照相机e、图像采集卡f、数据存储卡g,集成成像单元的前端设置 一个进行光学放大的光学镜头d,光学镜头d后设置一个进行光电转换的工业照 相机e，工业照相机e通过图像采集卡f,再连接到运行图像处理软件的PC机h 或数据存储卡g。靶标b由半透明、非透射、抗震性好的材料构成。设置在岸上 的激光源a不断向设置在桥上被测点的靶标b发射激光束，激光束a在輩巴标b 上成像，并在靶标b的另一面产生激光光斑，经光学镜头d放大成像后，由工 业照相机e进行连续采集拍摄，采集的视频信号首先经图像采集卡f进行滤波、 A/D转换变为数字图像数据输出，数字图像数据既可以通过USB接口输入到PC 机h中，通过相应的数字图像处理算法对激光束在靶标b上的成像点进行目标 特征的提取和识别，并根据坐标标定进行相关运算，最终实时得到桥梁的动位 移值；也可以将数字图像数据存储到数据存储卡g中，经过一段时间的测量用PC 机h将图像数据取出来，计算桥梁的动位移值，并进行相应的统计、分析、评 估等。由于必须保证在靶标b另一面激光光斑能够清晰成像，且激光不能透射 靶标b，以防对CCD感光单元造成损害，应选用半透明、非透射、抗震性好的材 料制作，靶标b的尺寸大小根据桥梁动位移实际情况进行选择和更换，靶标b 的安装应尽可能使激光束和靶标b的中心在同一条水平线上，以免靶标b在随 桥梁振动条件下激光束偏离靶标b范围；集成成^f象单元的光学镜头d和工业照 相机e的中心和靶标b的中心应在同一条水平线上，且靶标b和集成成像单元 均安装于同一安装架c上，使它们同频同相同幅振动，以保证二者无相对位移。
本实用新型的优点
1) 能同时进行二维测量，测量竖桥向和横桥向桥梁的动位移；
2) 将工业相机和靶标集成放置在桥面上，避免了使用长焦距镜头或光学望 远系统，既降低了系统成本又提高了测量精度；
3 )测量精度高，采用高分辨率CCD和数字图像处理技术，测量精度可达测 量范围的1%;
4) 测量距离理论上可以达到无限远。只要激光光源发射的激光束在靶标接 收范围内清晰成像就可以对动位移进行精确测量；
5) 频响范围宽，频响范围可根据工业照相机的帧频确定。选择帧频高的工 业照相机可获得更宽的频率响应范围；
6) 可方便地根据桥梁动位移的实际情况选择和更换靶标，适用于各种类型 的桥梁动位移测量。
图l是本实用新型基于机器视觉的桥梁动位移测量装置的组成示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型进一步说明，该实施例为一座主跨400 米预应力混凝土斜拉桥。根据该实施例中设计要求的桥梁变形大小和桥梁变形形式，该实施例中激光源a位于岸上距桥面路边lm的位置上，激光源a的发射距 离为250m;靶标b和集成成像单元安装在位于主跨i夸中的安装架c上，激光源a高 度和集成成像单元高度位于同一水平线上。靶标b大小为500mii^l00mm,标定为 lmn^lmm的单元格，耙标b距集成成像单元的光学镜头d、工业照相机e为600mm; 选配焦距为5 50mm的可变焦光学镜头d;工业照相机e采用MV相机，MV工业照相 机e采用l/3"CCD,最高分辨率为752x480，最大帧频为60fps，工业照相机e内部 集成了图像釆集卡f,直接输出数字图像信号，通过上位PC机h上的图像处理软 件进行图像的运算，目标的识别，最终计算出桥梁振动在竖桥向和横桥向上的 分量，即竖桥向和纟黄桥向两个方向上的动4立移。
权利要求1、一种基于机器视觉的桥梁动位移测量装置，主要由激光源(a)、靶标(b)、安装架(c)、集成成像单元和运行图像处理软件的PC机(h)组成，其特征是集成成像单元包含有光学镜头(d)、工业照相机(e)、图像采集卡(f)、数据存储卡(g)，集成成像单元的前端设置一个进行光学放大的光学镜头(d)，光学镜头(d)后设置一个进行光电转换的工业照相机(e)，工业照相机(e)通过图像采集卡(f)，再连接到运行图像处理软件的PC机(h)或数据存储卡(g)；靶标(b)和集成成像单元均安装于同一安装架(c)上，并设置于桥上被测点；激光源(a)设置在岸上。
2、 根据权利要求1所述的基于机器视觉的桥梁动位移测量装置，其特征是 靶标(b)选用半透明、非透射、抗震性好的材料制作。
3、 根据权利要求1所述的基于机器视觉的桥梁动位移测量装置，其特征是 耙标(b)的安装应尽可能使激光束和靶标(b)的中心在同一条水平线上，以 免靶标(b)在随桥梁振动条件下激光束偏离靶标(b)范围。
4、 根据权利要求1所述的基于机器视觉的桥梁动位移测量装置，其特征是 集成成像单元的光学镜头(d)和工业照相机(e)的中心和靶标(b)的中心应 在同一条水平线上。
专利摘要本实用新型提供一种新型基于机器视觉的桥梁动位移测量装置，通过设置在岸上的激光源不断向设置在桥上被测点的靶标发射激光束，在靶标上产生激光光斑，由同样设置在桥上被测点靶标后面的集成成像单元连续进行图像拍摄和A/D转换后形成数字图像信号，经USB方式传输到PC机或数据存储卡上，再由运行图像处理软件的PC机进行目标的识别及运算，通过测量之前的系统标定，得到桥梁的动位移。由于靶标和集成成像单元通过同一机具设置于桥上被测点处，保证了靶标和集成成像单元的相对静止，从而可以拍摄出清晰的图像，以利于后续图像的分析和处理。系统标定是在测量之前进行的，即求解出CCD上每个像素代表的实际位移值。
文档编号G01B11/02GK201364143SQ20082024109
公开日2009年12月16日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者刚 侍, 史雪峰, 尹双庆, 毅 杨, 王鸣辉, 袁建新, 钟继卫 申请人:中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司;中铁大桥局股份有限公司
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