桥梁振型的测量方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及桥梁振型的测量方法、装置及系统，该系统包括视频采集装置、激光雷达和图像数据处理装置，其中，所述激光雷达用于向桥梁的虚拟测点发射单线激光，所述视频采集装置用于分别在发射单线激光前后采集目标区域的视频图像，所述图像数据处理装置用于根据采集到的视频图像测算出桥梁的振型。本发明专利技术实施例通过视频与单线激光结合，获取到目标区域图像中的虚拟测点，对虚拟测点发射单线激光，以获取虚拟测点位移向量，进一步的获得桥梁的静平衡曲线，通过虚拟测点空间位置的变化来获得桥梁的原始振型，以及结合手机拍摄帧率得到虚拟测点的振动响应，从而对桥梁的振动有一个定量的描述。描述。描述。

【技术实现步骤摘要】
桥梁振型的测量方法、装置及系统


[0001]本专利技术属于测量
，尤其涉及一种桥梁振型的测量方法、装置及系统。

技术介绍

[0002]桥梁结构振动信息的测量是桥梁结构健康监测必不可少的内容。结构的振动信息反映了桥梁的整体安全性能，是桥梁结构损伤识别和安全状态评估的重要数据来源。结构的振动信息包含有自振频率、振型、阻尼系数等关键参数。目前已有较为成熟的自振频率和阻尼系数的测量方法，但自振频率和阻尼系数对于结构损伤识别和安全状态评估的效果不好。
[0003]桥梁结构振型的测量方法可分为接触类测量方法和非接触类测量方法两类。接触类测量方法主要采用加速度计、倾角计、位移计、GPS和差压变送器等类型的传感器进行测量。接触类测量方法具有测量数据精度相对较高的优点。但这种有方法有以下不足之处：(1)测点数量极为有限，无法得到高阶振型。(2)需要外接电源和数据采集传输设备。(3)传感器及其采集仪的设备成本高昂，且安装难度较大。(4)各测点数据的同步性不高。
[0004]非接触类测量方法主要有基于机器视觉的方法。现有的基于机器视觉的测量方法为了得到预设测点的振动时程曲线，就必须获取高清的视频图像，此时就必须采用工业高速相机。但这种相机成本很高，且对操作人员也有一定的要求，且图像数据的处理需要较高配置的计算机配合才能完成。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种桥梁振型的测量方法、装置及系统，基于机器视觉和激光雷达配合使用，提高目前非接触类测量方法的测量精度的同时降低成本。
[0006]一方面，本专利技术提供了一种桥梁振型的测量系统，包括视频采集装置、激光雷达和图像数据处理装置，其中，所述激光雷达用于向桥梁的虚拟测点发射单线激光，所述视频采集装置用于分别在发射单线激光前后采集目标区域的视频图像，所述图像数据处理装置用于根据采集到的视频图像测算出桥梁的振型。
[0007]另一方面，本专利技术提供了一种桥梁振型的测量方法，基于本专利技术实施例所述的桥梁振型的测量系统而实现，所述的测量方法包括以下步骤：
[0008]通过视频采集装置获取目标区域的视频图像，提取图像中的虚拟测点的像素坐标，利用激光雷达对虚拟测点发射单线激光，再次采集目标区域的视频图像，并提取单线激光在图像中与虚拟测点像素坐标所对应的激光点像素坐标；
[0009]根据虚拟测点像素坐标及激光点像素坐标，得到激光点到虚拟测点的方向向量，并根据方向向量调整激光雷达的姿态，直到虚拟测点像素坐标与激光点像素坐标重合；
[0010]测量虚拟测点到激光雷达的空间距离，并结合虚拟测点像素坐标，进行空间坐标转换，得到虚拟测点对应视频采集装置的空间坐标，基于不同时间帧的视频图像，测量得到每个虚拟测点的静平衡位置，并基于所有静平衡位置绘制得到静平衡曲线；
[0011]选取虚拟测点处的视频图像进行处理，提取虚拟测点的原始位移响应值；
[0012]根据原始位移响应值和静平衡曲线确定出桥梁振型。
[0013]再一方面，本专利技术提供了一种桥梁振型的测量装置，包括：
[0014]图像采集单元，用于通过视频采集装置分别获取在发射单线激光前后目标区域的视频图像；
[0015]像素坐标提取单元，用于提取图像中的虚拟测点的像素坐标，以及提取单线激光在图像中与虚拟测点像素坐标所对应的激光点像素坐标；
[0016]静平衡曲线绘制单元，用于根据虚拟测点像素坐标及激光点像素坐标，得到激光点到虚拟测点的方向向量，并根据方向向量得到虚拟测点对应视频采集装置的空间坐标，以及基于不同时间帧的视频图像，测量得到每个虚拟测点的静平衡位置，并基于所有静平衡位置绘制得到静平衡曲线；
[0017]原始位移提取单元，用于选取虚拟测点处的视频图像进行处理，提取虚拟测点的原始位移响应值；
[0018]振型确定单元，用于根据原始位移响应值和静平衡曲线确定出桥梁的振型。
[0019]与现有技术相比，本专利技术实施例通过视频与单线激光结合，获取到目标区域图像中的虚拟测点，对虚拟测点发射单线激光，以获取虚拟测点位移向量，进一步的获得桥梁的静平衡曲线，本专利技术具有以下技术优势：
[0020](1)本申请识别的是结构的振动轮廓，即使图像中出现重影、或者桥梁结构部分被遮挡，都可以根据观测到的信息识别出桥梁结构的轮廓，因此可以不受重影等影响，继而提高测量精度。
[0021](2)本专利技术实施例可以自主选择桥梁上的虚拟测点，通过虚拟测点空间位置的变化来获得桥梁的原始振型，以及结合手机拍摄帧率得到虚拟测点的振动响应，从而对桥梁的振动有一个定量的描述。
[0022](3)本专利技术方法只需要得到桥梁的轮廓外形，而不需要高清的预设测点图像，因此不需要例如工业相机等高清摄像设备，而激光雷达的成本相对更低，因此采用本专利技术方法可以降低成本。
[0023](4)本专利技术方法在基于视频图像进行计算时，只需要截取虚拟测点处的视频，而可以忽略其他部分，因此可以极大地降低运算量。
[0024](5)传统桥梁动力特性识别方法中需要人为对桥梁施加激励的弊端，而本专利技术的结构振型测量采用车辆荷载、风荷载等环境激励，无需额外激励源，无需在测量过程中对桥上交通进行管制处理，不会对桥梁产生不利影响。
[0025](6)传统桥梁结构振动测试方法中因为加速度传感器等与被测结构直接连接带来的测试误差问题。
[0026](7)传统基于机器视觉技术的测试方法中需要在被测结构上布置额外特征点的问题，本专利技术直接利用被测结构表面的结构特征，如目标表面的纹理、图案背景等作为测量区域，使实验操作简单方便，对视频质量要求较低，继而降低硬件成本。
[0027]本专利技术还具有的其他优势请见实施例部分的相关描述。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1是本专利技术实施例中单线激光测量桥梁振型的场景示意图；
[0030]图2是本专利技术实施例中提供的测量桥梁振型的方法的实现流程图；
[0031]图3是本专利技术实施例中提供的测量桥梁振型的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0033]以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述：
[0034]本实施例中提供了一种桥梁振型的测量系统，包括视频采集装置、激光雷达和图像数据处理装置，其中，视频采集装置用于采集桥梁结构的视频，尤其是桥梁主跨部分的视频；激光雷达用于向设定的虚拟测点发射单线激光，图像数据处理装置用于根据采集到的视频测算出桥梁振型。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桥梁振型的测量系统，其特征在于，包括视频采集装置、激光雷达和图像数据处理装置，其中，所述激光雷达用于向桥梁的虚拟测点发射单线激光，所述视频采集装置用于分别在发射单线激光前后采集目标区域的视频图像，所述图像数据处理装置用于根据采集到的视频图像测算出桥梁的振型。2.根据权利要求1所述的桥梁振型的测量系统，其特征在于，所述视频采集装置为单目相机，或者单目摄像头的手机。3.一种桥梁振型的测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的桥梁振型的测量系统而实现，所述的测量方法包括以下步骤：通过视频采集装置获取目标区域的视频图像，提取图像中的虚拟测点的像素坐标，利用激光雷达对虚拟测点发射单线激光，再次采集目标区域的视频图像，并提取单线激光在图像中与虚拟测点像素坐标所对应的激光点像素坐标；根据虚拟测点像素坐标及激光点像素坐标，得到激光点到虚拟测点的方向向量，并根据方向向量调整激光雷达的姿态，直到虚拟测点像素坐标与激光点像素坐标重合；测量虚拟测点到激光雷达的空间距离，并结合虚拟测点像素坐标，进行空间坐标转换，得到虚拟测点对应视频采集装置的空间坐标，基于不同时间帧的视频图像，测量得到每个虚拟测点的静平衡位置，并基于所有静平衡位置绘制得到静平衡曲线；选取虚拟测点处的视频图像进行处理，提取虚拟测点的原始位移响应值；根据原始位移响应值和静平衡曲线确定出桥梁振型。4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述基于不同时间帧的视频图像，测量得到每个虚拟测点的静平衡位置，并基于所有静平衡位置绘制得到静平衡曲线的步骤，包括：定义第j帧图像中第i个虚拟测点的像素坐标为P(x
ij
,y
ij
)，激光点像素坐标为Q(X
ij
,Y
ij
)，令D
i
＝x
ij
‑
X
ij
,y
ij
‑
Y
ij
＝0，x
i(j+1)
＝x
ij
+D
i
，确定出虚拟测点每一帧的相对初始位置x
i0
的挠度方向的位移x
ij
，根据测量到的所有位移值，通过上下最大位移值得到桥梁的静平衡曲线，设最大值和最小值分别为(x
i上
)
max
和(x
i下
)
min
，那么静平衡位置：f
i静
＝(x
i上
)
max
+[(x
i上
)
max
+(x
i下
)
min
]/2。5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述选取虚拟测点处的视频图像进行处理，提取虚拟测点的原始位移响应值的步骤，包括：采用Sobel边缘检测算法检测出虚拟测点处桥梁的外轮廓的像素坐标，进一步得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯丹，赵少强，李二伟，徐旭升，郝云超，谭若愚，冯俊迎，郝先慧，郑军星，吕建源，王鸿飞，
申请(专利权)人：中铁七局集团有限公司勘测设计研究院，
类型：发明
国别省市：