一种悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法，测量装置包括用于与悬浮隧道模型管段相固定连接的支架，支架上固定连接有的背景板，背景板上设有的至少两个特征点，以及对特征点进行实时图像采集的图像采集装置；试验系统包括水池、模型管段以及任一所述的测量装置，模型管段放置于水池中，测量装置的支架固定安装在模型管段上；试验方法为制作支架以及背景板；将背景板固定安装在支架上，将支架固定安装在模型管段上，并将模型管段放置于水池中；利用图像采集装置记录特征点初始数据，将管段姿态调平；水池注水，保证特征点位于水面以上，进行工况试验，利用图像采集装置记录特征点位置变化。

An Attitude Measurement Device, Test System and Test Method for Suspension Tunnel Section

【技术实现步骤摘要】
一种悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法
本专利技术涉及悬浮隧道
，特别涉及一种基于支架转换法的悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法。
技术介绍
当前有关悬浮隧道物理模型试验的管段姿态测量均在水下进行，主要采用的测量方法包括：①水下激光法/水下摄像法；②速度/加速度传感器测量法；③测斜仪/多维度测量系统测量法等。其中，水下激光法/水下摄像法通过激光捕捉或者高速相机拍摄悬浮隧道管体特征点在不同时刻的运动位置换算得到管段姿态，但因受到水体浑浊、水密度变化、波浪等因素影响，水下激光法/水下摄像法测量精确度无法保证。速度/加速度传感器测量法属于惯性测量法，可以获得管体的实时速度/加速度数据，但如需获得位移数据，需进行一次/二次积分，且需结合准确的初始条件，推导较为复杂，难以保证准确性。另外，采用速度和加速度传感器进行运动测量中往往掺杂着比较复杂的直流分量和干扰噪声，对测量结果的真实性影响较大。测斜仪/多维度测量法可以直接获得管段位移/变形，但是数据采集频率及自动化程度均很低，无法实现实时采集。目前已有的水下测量方法无法在悬浮隧道整体物模试验中验证其精确度，不同于海洋立管对位移没有严格要求，悬浮隧道的水下姿态控制要求高，对于长条形的柔性结构，位移监测非常重要，目前暂无成功先例。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种悬浮隧道管段姿态测量装置、试验系统及试验方法，将精度难以把控的水下测量转换为技术、经验成熟的水上测量。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种悬浮隧道管段姿态测量装置，包括用于与悬浮隧道模型管段相固定连接的支架，所述支架上固定连接有的背景板，所述背景板上设有的至少两个特征点，以及对所述特征点进行实时图像采集的图像采集装置。在悬浮隧道的物理模型试验中，由于悬浮隧道位于水下，利用现有的装置和方法进行水下姿态测量均存在精度不高的问题，而悬浮隧道对水下姿态控制要求较高，为此，本专利技术提出了将悬浮隧道的水下测量转换为水上测量，具体实现方式为利用支架将特征点露出水面，将水面上的测量特征点与水面下的悬浮隧道模型管段相连，通过图像采集装置实时采集露出水面的特征点的位置信息，再几何换算得到水下管段的姿态信息。通过本专利技术所述的测量装置可以精确的测量悬浮隧道管段姿态，满足试验精度要求。需要说明的是，为了使得特征点能准确反映水下模型管段的姿态信息，支架需与模型管段固定连接，背景板也需与支架固定连接，并保证在姿态测量过程中一直连接牢固，不发生相对位移(包括转动和移动)，固定连接的实现方式有多种，比如焊接、固定铆接等。所述支架的长度则要满足能够使得所有所述特征点露出水面。而背景板和特征点的颜色应该有明显的灰度对比，比如背景板为白色，特征点为黑色。所述图像采集装置应该能在短时间内完成对特征点的快速、多次采样。优选的，所述背景板包括有若干个特征面，所有所述特征点位于所述特征面上。特征面的设置要考虑如何准确反映悬浮隧道的变形，以及便于图像采集装置进行拍摄。通常，所述特征面包括平行于模型管段轴向设置的第一特征面，以及垂直于模型管段轴向设置的第二特征面。优选的，所述模型管段为圆管型结构，但不限于圆管型结构，也可以是其他截面形式。优选的，所述第一特征面上包括有沿平行于模型管段轴向方向进行分布的至少两个特征点，从而便于计算悬浮隧道的水平平动量、竖向平动量以及转动量。优选的，所述第二特征面上包括有与模型管段某一横截面中心点距离相等的至少两个特征点，所述横截面中心点与所述第二特征面共面，从而便于计算悬浮隧道的水平平动量、竖向平动量以及转动量。优选的，所述第二特征面上还包括有沿着模型管段某一横截面径向分布的至少两个特征点，所述横截面与所述第二特征面共面，从而便于计算悬浮隧道的水平平动量、竖向平动量以及转动量。优选的，每个所述背景板上仅包括有第一特征面或第二特征面，或每个所述背景板上同时包括有第一特征面和第二特征面。优选的，所述图像采集装置包括高速摄像机，高速摄像机能够以很高的频率记录一个动态的图像，高速摄像机一般可以每秒1000～10000帧的速度记录，高速摄像机具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。优选的，所述高速摄像机的数量至少为两台，至少一台沿平行于模型管段轴向方向进行设置，至少一台沿垂直于模型管段轴向方向进行设置。高速摄像机一般布置在水池岸边，高速摄像机应保证能准确采集到所有特征点的位置信息。优选的，所述支架通过卡箍固定在所述模型管段上，安拆方便。优选的，所述卡箍设置在悬浮隧道的拉锚截面处。拉锚式悬浮隧道，卡箍可与模型管段本身的扣环兼用，卡箍质量在浮重比设计时考虑在内，因此对卡箍材料可不作轻质要求。对于浮筒式悬浮隧道，卡箍位置不在模型管段本身的扣环位置，故卡箍应采用轻质材料。优选的，所述悬浮隧道管段姿态测量装置还包括有用于分析换算管段线形、姿态变化的数据处理装置，所述数据处理装置可以为电脑。通过电脑进行计算分析，相较于手算，可大大提高计算速度。优选的，所述支架和背景板均采用轻质材料制作而成，尽量不影响模型管段的重量，以减少测试误差。优选的，所述支架采用高强度钢制作而成，以确保其不发生变形或发生的变形可以忽略不计，一般来说，变形量应不超过1/1000。本专利技术还公开了一种悬浮隧道管段姿态试验系统，包括悬浮隧道模型管段、水池、任一上述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，所述模型管段放置于所述水池中，所述测量装置的支架固定安装在所述模型管段上。试验时，悬浮隧道模型管段位于水面以下，但是通过支架可以将特征点露出水面，通过测量特征点的位置变化来实时反映模型管段的姿态，大大提高了测量精度，且整套试验装置结构简单、安装使用方便。优选的，所述模型管段通过缆绳安装在所述水池中，或所述模型管段通过浮筒安装在所述水池中。本专利技术还公开了一种悬浮隧道管段姿态的试验方法，利用任一上述的一种悬浮隧道管段姿态试验系统进行试验，包括以下步骤：步骤一：制作支架、以及带有特征点的背景板；步骤二：将所述背景板固定安装在所述支架上，将所述支架固定安装在悬浮隧道模型管段，并将所有模型管段放置于水池中；步骤三：利用图像采集装置记录特征点的初始数据，根据初始数据将管段姿态调平；步骤四：水池注水，并保证所述特征点位于水面以上，进行工况试验，试验过程中利用图像采集装置连续记录特征点的位置变化，根据特征点的位置变化分析换算管段线形、姿态变化。本专利技术的测量方法将悬浮隧道的水下测量转换为成熟且精度高的水上测量，利用图像采集装置记录特征点的位置变化，来分析换算管段线形、姿态变化，具有安装、测量方便，且测量精度高的优点。优选的，所述步骤四中，将所述特征点的位置变化的数据，传输给数据处理装置，利用数据处理装置分析换算管段线形、姿态变化，具有计算精度高、计算速度快的优点。当然在计算量较小的情况下也可以直接手算。优选的，所述步骤二中，所述背景板与所述支架焊接连接，所述支架通过卡箍安装在所述模型管段上。优选的，所述步骤二中，所有所述模型管段相互连接，每个所述模型管段上均连接有背景板。优选的，所述步骤三和步骤四中，所述图像采集装置为高速摄像机。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术提出了将悬浮隧道的水下测量转换为水上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，包括用于与悬浮隧道模型管段(1)相固定连接的支架(2)，所述支架(2)上固定连接有的背景板(3)，所述背景板(3)上设有的至少两个特征点(4)，以及对所述特征点(4)进行实时图像采集的图像采集装置。

【技术特征摘要】
1.一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，包括用于与悬浮隧道模型管段(1)相固定连接的支架(2)，所述支架(2)上固定连接有的背景板(3)，所述背景板(3)上设有的至少两个特征点(4)，以及对所述特征点(4)进行实时图像采集的图像采集装置。2.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述背景板(3)包括有若干个特征面，所有所述特征点(4)位于所述特征面上。3.根据权利要求2所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述特征面包括平行于模型管段(1)轴向设置的第一特征面(31)，以及垂直于模型管段(1)轴向设置的第二特征面(32)。4.根据权利要求3所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述模型管段(1)为圆管型结构。5.根据权利要求4所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述第一特征面(31)上包括有沿平行于模型管段(1)轴向方向进行分布的至少两个特征点(4)。6.根据权利要求4所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述第二特征面(32)上包括有与模型管段(1)某一横截面中心点距离相等的至少两个特征点(4)，所述横截面中心点与所述第二特征面共面。7.根据权利要求4所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述第二特征面(32)上包括有沿着模型管段(1)某一横截面径向分布的至少两个特征点(4)，所述横截面与所述第二特征面(32)共面。8.根据权利要求3述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，每个所述背景板(3)上仅包括有第一特征面(31)或第二特征面(32)，或每个所述背景板(3)上同时包括有第一特征面(31)和第二特征面(32)。9.根据权利要求1-8任一所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述图像采集装置包括高速摄像机(5)。10.根据权利要求9所述的一种悬浮隧道管段姿态测量装置，其特征在于，所述高速摄像机(5)的数量至少为两台，至少一台沿平行...

【专利技术属性】
技术研发人员：林巍，刘凌锋，刘国辉，尹海卿，刘晓东，林鸣，
申请(专利权)人：中交公路规划设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11