一种沉管隧道接头三维变形的监测方法、系统技术方案

本发明专利技术涉及一种沉管隧道接头三维变形的监测方法、系统，该方法包括：S1、设计分离式靶标，包括分别安装在沉管隧道接头两侧的沉管隧道管节上靶标a和靶标b；S2、采用相机连续拍摄分离式靶标图像；S3、基于分离式靶标图像，根据靶标成像模型解算在当前拍摄时刻分离式靶标体系中两个靶标的位置关系，包括旋转向量和平移向量；S4、随着分离式靶标图像的更新，根据分离式靶标体系中两个靶标的初始位置关系和最新位置关系计算沉管隧道接头的三维变形。与现有技术相比，本发明专利技术能实时监测，准确获取沉管隧道接头三向位移和扭转角度。隧道接头三向位移和扭转角度。隧道接头三向位移和扭转角度。

【技术实现步骤摘要】
一种沉管隧道接头三维变形的监测方法、系统


[0001]本专利技术属于土木工程
，尤其是涉及一种沉管隧道接头三维变形的监测方法、系统。

技术介绍

[0002]沉管隧道由多节位于水下的管段拼接而成，管段接头的变形状态成为关注的重点。作为沉管隧道结构中的薄弱环节，其变形状态对结构安全至关重要。当隧道下卧地层刚度不均匀时，接头变形将更加复杂，往往呈现出张开、错动、扭转等一系列变形行为的复杂组合。因此有必要对沉管隧道的接头变形状态进行连续和密切的监测和分析。
[0003]现有的接触式三维测量方法由于尺寸限制，往往不能够安装于接头部位的狭小空间中。而且，接触式三维测量只能够测量得到接头部位的三向位移，无法得到管节之间扭转变形而产生的角度变化。
[0004]摄影测量方法具有非接触、速度快等优点，在工业检测等领域有着广泛的应用前景。摄影测量方法采用已知内部参数的相机对靶标体系进行连续监测，可以获取和追踪得到靶标体系的运动情况，包括空间位移矩阵和空间转角向量等参数。但是该方法在靶标设计、标定算法和实施方式上存在很多需要研究的地方。
[0005]目前几乎没有沉管隧道接头的三维变形进行连续监测的方法和技术，尤其缺少分别获取沉管隧道接头三向位移和扭转角度的测量方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种沉管隧道接头三维变形的监测方法、系统。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种沉管隧道接头三维变形的监测方法，该方法包括：
[0009]S1、设计分离式靶标，包括分别安装在沉管隧道接头两侧的沉管隧道管节上靶标a和靶标b；
[0010]S2、采用相机连续拍摄分离式靶标图像；
[0011]S3、基于分离式靶标图像，根据靶标成像模型解算在当前拍摄时刻分离式靶标体系中两个靶标的位置关系，包括旋转向量和平移向量；
[0012]S4、随着分离式靶标图像的更新，根据分离式靶标体系中两个靶标的初始位置关系和最新位置关系计算沉管隧道接头的三维变形。
[0013]优选地，步骤S3包括：
[0014]S31、以相机中心为坐标系原点，以相机光轴为Z轴，以图像平面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，建立相机坐标系，Z轴垂直于图像平面并过图像平面的中心；
[0015]S32、分别提取图像中两个靶标的靶标点坐标，基于针孔模型的等效光路原理，获取靶标a和靶标b的靶标点在相机坐标系中的坐标；
[0016]S33、基于靶标成像模型将靶标a和靶标b在相机坐标系中的坐标转换到实际靶标平面，分别确定两个靶标的靶标平面方程；
[0017]S34、基于两个靶标平面方程解算靶标位置关系，包括旋转向量和平移向量。
[0018]优选地，步骤S32具体为：以图像平面的中心为原点，图像平面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴建立图像平面坐标，对于图像中的任意一个靶标点，提取坐标为(x
i
',y
i
')，则该靶标点在相机坐标系中的坐标为(x
i
',y
i
',id)，其中，x
i
'为靶标点i的在相机坐标系中X轴坐标，y
i
'为靶标点i的在相机坐标系中Y轴坐标，id为相机中心到平面图像的垂直距离。
[0019]优选地，步骤S33具体为：
[0020]在相机坐标系中，对于任意一个靶标，校正靶标图像的畸变，使得校正后的靶标图像与相应靶标平面平行；
[0021]获取校正后的靶标图像中个靶标点在相机坐标系中的坐标，基于相似原理，获取实际靶标平面中各靶标中靶标点的坐标；
[0022]基于各靶标点的坐标分别确定两个靶标的靶标平面方程。
[0023]优选地，步骤S34具体为：
[0024]在靶标a对应的靶标平面P
a
上建立坐标系O
a
：以靶标a中的标记靶标点为原点t1＝(x1,y1,z1)，以靶标平面P
a
为坐标系O
a
的XY轴平面，坐标系O
a
的Z轴垂直于靶标平面P
a
且经过原点t1，计算坐标系O
a
的基向量坐标系O
a
的基向量即为靶标平面P
a
的法向量，(x1,y1,z1)为靶标a中的标记靶标点在靶标平面P
a
中的坐标；
[0025]在靶标b对应的靶标平面P
b
上建立坐标系O
b
：以靶标b中的标记靶标点为原点t2＝(x2,y2,z2)，以靶标平面P
b
为坐标系O
b
的XY轴平面，坐标系O
b
的Z轴垂直于靶标平面P
b
且经过原点t2，计算坐标系O
b
的基向量坐标系O
b
的基向量即为靶标平面P
a
的法向量，(x2,y2,z2)为靶标b中的标记靶标点在靶标平面P
b
中的坐标；
[0026]确定两个靶标的位置关系Q
ab
＝(w
ab
,t
ab
)，w
ab
为旋转向量，t
ab
为平移向量，其中t
ab
＝t1‑
t2＝(x1‑
x2,y1‑
y2,z1‑
z2)，w
ab
通过对基向量R1、R2进行罗德里格斯变换得到，w
ab
＝(θ，c(c1,c2,c3))，θ为旋转角度，c(c1,c2,c3)为旋转轴：
[0027][0028][0029]优选地，所述的旋转向量w
ab
通过三相转角表示，具体为：
[0030]将旋转轴c(c1,c2,c3)进行归一化得到旋转轴的单位向量c
′
(c1′
,c2′
,c3′
)，通过旋转轴的单位向量和旋转角度构造四元数q＝[w x y z]T
：
[0031][0032][0033][0034][0035]转换为欧拉角：
[0036][0037]α、β、γ分别为X、Y、Z轴旋转角度。
[0038]优选地，步骤S4具体为：
[0039]记初始监测时刻两个靶标的位置关系为Q
ab
＝(w
ab
,t
ab
)，记第t次监测时两个靶标的位置关系为w
ab
、为旋转向量，t
ab
、为平移向量；
[0040]计算沉管隧道接头的三维变形，包括平移量T
t
和旋转量W
t
：：
[0041]一种沉管隧道接头三维变形的系统，该系统包括分离式靶标、相机、存储器和处理器，所述的分离式靶标包括分别安装在沉管隧道接头本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沉管隧道接头三维变形的监测方法，其特征在于，该方法包括：S1、设计分离式靶标，包括分别安装在沉管隧道接头两侧的沉管隧道管节上靶标a和靶标b；S2、采用相机连续拍摄分离式靶标图像；S3、基于分离式靶标图像，根据靶标成像模型解算在当前拍摄时刻分离式靶标体系中两个靶标的位置关系，包括旋转向量和平移向量；S4、随着分离式靶标图像的更新，根据分离式靶标体系中两个靶标的初始位置关系和最新位置关系计算沉管隧道接头的三维变形。2.根据权利要求1所述的一种沉管隧道接头三维变形的监测方法，其特征在于，步骤S3包括：S31、以相机中心为坐标系原点，以相机光轴为Z轴，以图像平面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，建立相机坐标系，Z轴垂直于图像平面并过图像平面的中心；S32、分别提取图像中两个靶标的靶标点坐标，基于针孔模型的等效光路原理，获取靶标a和靶标b的靶标点在相机坐标系中的坐标；S33、基于靶标成像模型将靶标a和靶标b在相机坐标系中的坐标转换到实际靶标平面，分别确定两个靶标的靶标平面方程；S34、基于两个靶标平面方程解算靶标位置关系，包括旋转向量和平移向量。3.根据权利要求2所述的一种沉管隧道接头三维变形的监测方法，其特征在于，步骤S32具体为：以图像平面的中心为原点，图像平面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴建立图像平面坐标，对于图像中的任意一个靶标点，提取坐标为(x
i
',y
i
')，则该靶标点在相机坐标系中的坐标为(x
i
',y
i
',id)，其中，x
i
'为靶标点i的在相机坐标系中X轴坐标，y
i
'为靶标点i的在相机坐标系中Y轴坐标，id为相机中心到平面图像的垂直距离。4.根据权利要求2所述的一种沉管隧道接头三维变形的监测方法，其特征在于，步骤S33具体为：在相机坐标系中，对于任意一个靶标，校正靶标图像的畸变，使得校正后的靶标图像与相应靶标平面平行；获取校正后的靶标图像中个靶标点在相机坐标系中的坐标，基于相似原理，获取实际靶标平面中各靶标中靶标点的坐标；基于各靶标点的坐标分别确定两个靶标的靶标平面方程。5.根据权利要求1所述的一种沉管隧道接头三维变形的监测方法，其特征在于，步骤S34具体为：在靶标a对应的靶标平面P
a
上建立坐标系O
a
：以靶标a中的标记靶标点为原点t1＝(x1,y1,z1)，以靶标平面P
a
为坐标系O
a
的XY轴平面，坐标系O
a
的Z轴垂直于靶标平面P
a
且经过原点t1，计算坐标系O
a
的基向量坐标系O
a
的基向量即为靶标平面P
a
的法向量，(x1,y1,z1)为靶标a中的标记靶标点在靶标平面P
a
中的坐标；在靶标b对应的靶标平面P
b
上建立坐标系O
b
：...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾青，袁勇，王辉，黄醒春，吴刚，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：