[发明专利]基于目标点仰角变化的单目相机挠度测量方法

说明书

本发明属于光电检测领域，具体涉及一种用于大型设施挠度的非接触式测量方法。该方法包括：相机设置的步骤、相机位姿获取的步骤、真实俯仰角α计算的步骤、位置追踪的步骤以及挠度计算的步骤，并基于小孔成像模型中的几何关系，按式8的挠度计算公式，求出目标点的挠度S。本发明考虑了基于视觉传感器的挠度测量中，多个测量点因在视场中位置不同而仰角不同的影响，测量更精确；同时，还可以有效消除相机滚转引起的误差，测量大型设施挠度时应对室外复杂的测量环境更加灵活，使用非常方便，可广泛适用于桥梁、高塔、隧道、起重机械等一些复杂的大型建筑设施运营过程中多点挠度实时检测。

技术领域

本发明属于光电检测领域，具体涉及一种用于大型设施的挠度进行非接触式测量方法。

背景技术

桥梁、隧道、起重机械等一些复杂的大型建筑设施在国家经济社会建设中有着举足轻重的作用，关系到人民生命财产的安全。由于工程结构设计、建造、施工和运营维护的不规范；地质气候等自然因素以及大型设施自身的静载和交通或风力等动荷载，不同类型的桥梁、高塔、隧道、起重机械等大型设施不可避免的会出现各种内部损伤或外部变形，导致安全性和寿命缩短等问题频繁发生。

测量大型设施的位移/挠度对于了解设施的安全性能以及设施的服役状态具有重要意义，能够反映设施动力特性的参数主要有位移、速度、加速度，其中位移因其直观表现结构性能成为了健康监测重要的研究部分。

传统的挠度测量一般有三种：(1)预埋传感器：该方法成本高、效率低、精度无法保证，传统的接触式位移传感器，如线性可变差动变压器(LVDT)需要一个固定的参考点，但这在测量现场通常是难以保证的；(2)全站仪、经纬仪等测量法，该方法需要人工布设标靶然后逐点测量，测量效率低，无法实时多点同步测量；(3)全球定位系统(GPS)，GPS存在众多优点，如毫米级的定位精度、较高的采样频率、较好的实时性、远距离测量等；但其固有的弱点也决定了它应用的局限性，如GPS易受电磁干扰，如要提高精度和采样频率则需非常昂贵的费用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术缺陷和大型设施非接触式挠度检测的迫切的应用，提出了一种考虑测量目标点在视场中位置不同而存在仰角变化的单目相机挠度测量方法。

为达到上述目的，本发明提出的考虑图像仰角变化的单目相机挠度测量方法采用DIC图像匹配技术来获得大型设施的挠度数据，技术方案如下：

一种基于目标点仰角变化的单目相机挠度测量方法，其考虑在测量过程中测量目标点在位移前和位移后于相机视场中位置不同导致的仰角变化对测量结果的影响并予以修正，该测量方法包括：

1、相机设置的步骤：首先调整相机使得待测量目标点出现在相机的视场中，测量目标点到相机的距离，优选利用激光测距仪测量相机外壳至目标点的直线距离；若同时测量多个目标点的挠度，则需要确保它们均在视场中并分别测量它们到相机的距离。更佳地，还包括成像调节的步骤，调节相机位姿及光圈并对焦，使目标点清晰成像；最佳地，所述相机连接至电脑，以从电脑上查看实时图像。

2、相机位姿获取的步骤：相机设置完成后，测量以获取相机的位姿参数，包括相机俯仰角θ和滚转角β，优选利用倾角仪或倾角传感器获得。

3、真实俯仰角计算的步骤：结合每个目标点的在图像上坐标(即其在成像面上的坐标)和相机的固有参数，包括相机焦距和像素点实际物理尺寸，可以求出各目标点在不同状态时的真实俯仰角α；所述真实俯仰角α是指目标点与相机光心O间的连线与水平面的夹角。

真实俯仰角α优选可以按以下方法获得：

调整后图像坐标(x，y)可以看作由横轴平行于水平面的图像坐标系绕图像中心(x_c，y_c)旋转了β角后的位置，两者关系满足式(1)，

其中，旋转矩阵M为：