CN109631768A - 一种结构物二维位移监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构物二维位移监测装置及方法，该装置包括靶标、监测装置和三轴调节云台，靶标设于待监测的结构物上，三轴调节云台设于相对于结构物稳固的位置，监测装置安装在三轴调节云台上，监测装置位置与靶标对应。监测装置从前到后依次包括防尘罩、物镜、目镜、CCD摄像头、嵌入式计算模块，同时还包括防尘开关装置和太阳能电源系统。嵌入式计算模块中运行图像识别与动态算法，动态算法能够解决CCD摄像头的畸变问题，能够对CCD摄像头进行现场标定，无需定期将摄像头拆下回厂维护标定。监测装置可以同时测量水平和竖直二维位移量，能够实现一台监测装置同时监测多个靶标，大大简化了现场的仪器布设，同时降低了监测成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测装置及方法，具体地说是一种结构物二维位移监测装置及方法。
背景技术
土木工程结构物的安全监测最主要的两个物理量为：沉降和水平位移。现有用于结构物位移监测的装置通常是分开进行的，一般用静力水准装置测量结构物的沉降，用激光传感器测量结构物的水平位移，不论是水平位移还是沉降位移都需要在相对稳定的位置设置基准点，因此现场布设较为繁杂，缺少既能测量水平位移又能测量竖向位移的二维监测装置。
同时现有的静力水准测量系统普遍存在测量精度不够，且长期稳定性不好的问题，采用激光水平监测，一个激光发射器只能对应一个测点，对结构物的多个位置进行监测时需要需安装多个激光发射器。结构物一般需要进行长期监测，因此也需要对仪器进行长期的维护，人力和费用都较高。
发明内容
本发明提供了一种结构物二维位移监测装置及方法。
本发明的目的是解决现有用于结构物位移监测的装置测量单一，缺少既能监测水平位移又能监测竖向位移的二维监测装置的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种结构物二维位移监测装置，包括靶标、监测装置和三轴调节云台，所述靶标设于待监测的结构物上，所述三轴调节云台设于相对于结构物稳固的位置，监测装置安装在三轴调节云台上，所述监测装置位置与靶标对应。
三轴调节云台可以通过调节基座来调整监测装置的方向。
监测装置从前到后依次包括防尘罩、物镜、目镜、CCD摄像头、嵌入式计算模块，同时还包括防尘开关装置和太阳能电源系统。防尘开关装置位于监测装置的底部，与防尘罩接触，用来控制防尘罩的开关。太阳能电源系统与嵌入式计算模块、CCD摄像头和防尘开关装置通过电缆连接通电。
嵌入式计算模块中包含信号发射器，信号发射器与云服务器无线通信连接。嵌入式计算模块中运行图像识别与动态算法，动态算法包括动态比例修正算法和动态局部视窗算法，动态算法能够解决CCD摄像头的畸变问题，能够对CCD摄像头进行现场标定，无需定期将摄像头拆下回厂维护标定。
一种基于结构物二维位移监测装置的方法：在一个或者多个待监测结构物的选定位置处安装靶标，在选定的相对于结构物稳定的位置安装三轴调节云台，将所述监测装置固定在三轴调节云台上，调整三轴调节云台的基座，使监测装置和需要监测的多个靶标位置对应。
现场监测装置布设好以后，嵌入式计算模块进行各个靶标的图像数据采集，采集的程序为：
嵌入式计算模块控制防尘开关装置打开防尘罩，CCD摄像头采集各个靶标的初始图像位置数据，采集结束后，嵌入式计算模块控制防尘开关装置关闭防尘罩，嵌入式计算模块记录所有靶标的初始图像位置数据，并进行标定，对数据进行初始化，使靶标在初始图像位置处X0＝0，Y0＝0。接下来嵌入式计算模块按照设定好的频率对所有靶标进行长期监测。
当进行某个靶标的第i次图像位置数据采集时，同样的方式，嵌入式计算模块控制防尘开关装置打开防尘罩，CCD摄像头采集该靶标的第i次位置数据，采集结束后，嵌入式计算模块控制防尘开关装置关闭防尘罩，嵌入式计算模块将采集图像的两次位置数据变化转换为成像位移，记录下该靶标第i次在两个方向的成像位移Xi成像，Yi成像，并通过动态比例修正算法对其进行处理，最终得出准确的Xi，Yi。
本发明提出动态比例修正算法的原因是：在靶标的初始位置，图像采集像素与靶标实际尺寸是吻合的，靶标越偏离初始位置，图像采集像素则与实际尺寸偏差越大，嵌入式计算模块能够对采集到的图像位移Xi成像和Yi成像采用动态比例修正算法进行像素的修正，消除畸变，使得采集到的数据提高精度。动态比例修正算法如下。
第i次图像位移采集时，X方向的成像位移为Xi成像，Y方向的成像位移为Yi成像。
第i次图像位移采集时，X方向的修正位移为Xi，Y方向的修正位移为Yi。
靶标X方向的实际尺寸为Lx，靶标Y方向的实际尺寸为Ly。
第i次图像位移采集时，X方向的成像尺寸为Lxi，Y方向的成像尺寸为Lyi。
第i次图像位移采集时，X方向和Y方向的动态比例修正系数为：
Rxi＝Lx/Lxi Ryi＝Ly/Lyi
第i-1次图像位移采集时，X方向的成像尺寸为Lx(i-1)，Y方向的成像尺寸为Ly(i-1)。
第i-1次图像位移采集时，X方向和Y方向的动态比例修正系数：
Rx(i-1)＝Lx/Lx(i-1) Ry(i-1)＝Ly/Ly(i-1)
经过动态比例修正系数修正后的靶标在两个方向的位移为：
Xi＝Xi成像[Rxi+Rx(i-1)]/2 Yi＝Yi成像[Ryi+Ry(i-1)]/2
同时本发明还提出了一种动态局部视窗算法，使得位移数据的计算量大大减小，从而使得所有的监测数据都能够在本地微型嵌入式计算模块中运行计算，无需将数据传输到远程计算机中进行计算。
动态局部视窗算法，是嵌入式计算模块在搜索靶标的成像位置时，锁定上一次记录的靶标位置，仅在该位置的一定范围内进行搜索和计算。一定范围是可以进行用户设定的，一般为上一次靶标的边界位置向两个方向分别增加位移变化上限值。嵌入式计算模块一旦在该范围内未搜索到本次靶标的成像位置，说明靶标位移超出上限值，也不需要更大范围的搜索计算，立即发出预警信息。
监测装置根据设定好的频次对各个靶标的图像位置进行不间断的测量，存储每次测量并处理好的位移数据Xi和Yi。
所述嵌入式计算模块通过信号发射器将靶标的位移数据上传至云端服务器，供工作人员在远程进行监测与分析。
当Xi大于初始设定的水平位移报警值时，或者Yi大于初始设定的竖向位移报警值时，嵌入式计算模块发送预警信息到云服务器，同时向远程电脑或者工作人员手机发送报警。
本发明的有益效果是：本发明所述的结构物二维位移监测装置及方法通过对结构物上靶标的不间断拍摄实现结构物位移数据的测量，监测装置内含嵌入式计算模块，对记录的靶标图像进行畸变处理，校正靶标位移，提高结构物位移的监测精度，同时采用动态局部视窗算法，解决了运算复杂和计算量大的问题，从而使得所有的监测数据都能够在本地微型嵌入式计算模块中运行计算。监测装置可以同时测量水平和竖直二维位移量，能够实现一台监测装置同时监测多个靶标，大大简化了现场的仪器布设，同时降低了监测成本。
附图说明
图1为本发明结构物二维位移监测装置的工作示意图。
图2为靶标的发生位移的示意图。
图3为监测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
如图所示，提供了本发明结构物二维位移监测装置的实施例，包括靶标1、监测装置2和三轴调节云台4，所述靶标1设于待监测的结构物3上，所述三轴调节云台4设于相对于结构物3稳固的位置，监测装置2安装在三轴调节云台4上，所述监测装置2的位置与靶标1对应。
所述三轴调节云台4可以通过调节基座41来调整监测装置2的方向。
所述监测装置2从前到后依次包括防尘罩26、物镜21、目镜22、CCD摄像头23、嵌入式计算模块24，同时还包括防尘开关装置27和太阳能电源系统25。所述防尘开关装置27位于监测装置2的底部，与防尘罩26接触，用来控制防尘罩26的开关。所述太阳能电源系统25与嵌入式计算模块24、CCD摄像头23和防尘开关装置27通过电缆连接通电。
所述嵌入式计算模块24中包含信号发射器，信号发射器与云服务器无线通信连接。嵌入式计算模块24中运行图像识别与动态算法，动态算法包括动态比例修正算法和动态局部视窗算法。
一种基于结构物二维位移监测装置的方法如下。
在一个或者多个待监测结构物3的选定位置处安装靶标1，在选定的相对于结构物3稳定的位置安装三轴调节云台4，将所述监测装置2固定在三轴调节云台4上，调整三轴调节云台4的基座41，使监测装置2和需要监测的多个靶标1位置对应。
现场监测装置布设好以后，嵌入式计算模块24进行各个靶标1的图像数据采集，采集的程序为：
所述嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27打开防尘罩26，所述CCD摄像头23采集各个靶标1的初始图像位置数据，采集结束后，嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27关闭防尘罩26，嵌入式计算模块24记录所有靶标1的初始图像位置数据，并进行标定，对数据进行初始化，使靶标1在初始图像位置处X0＝0，Y0＝0。接下来嵌入式计算模块24按照设定好的频率对所有靶标1进行长期监测。
对其中一个靶标1进行第i次图像位置数据采集，所述嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27打开防尘罩26，所述CCD摄像头23采集该靶标1的第i次位置数据，采集结束后，嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27关闭防尘罩26，嵌入式计算模块24采用动态局部视窗算法，锁定上一次记录的靶标位置搜索靶标1的成像位置，搜到以后将本次采集图像的位置数据与上次采集图像的位置数据进行对比计算，转换为该靶标本次位置数据采集在X方向的成像位移Xi成像，在Y方向的成像位移Yi成像。
嵌入式计算模块24同时计算该靶标1在X方向的第i次成像尺寸Lxi和第i-1次成像尺寸Lx(i-1)，在Y方向的第i次成像尺寸Lyi和第i-1次成像尺寸Lx(i-1)，计算出在X方向和Y方向的两次动态比例修正系数为：
Rxi＝Lx/Lxi Ryi＝Ly/Lyi
Rx(i-1)＝Lx/Lx(i-1) Ry(i-1)＝Ly/Ly(i-1)
用两次动态比例修正系数平均值进行靶标1在两个方向的位移修正，得出该靶标1在第i次的位移数据：
Xi＝Xi成像[Rxi+Rx(i-1)]/2 Yi＝Yi成像[Ryi+Ry(i-1)]/2
监测装置2根据设定好的频次对各个靶标1的图像位置进行不间断的测量，存储每次测量并处理好的位移数据Xi和Yi。
所述嵌入式计算模块24通过信号发射器将靶标1的位移数据上传至云端服务器，供工作人员在远程进行监测与分析。
当Xi大于初始设定的水平位移报警值时，或者Yi大于初始设定的竖向位移报警值时，嵌入式计算模块24发送预警信息到云服务器，同时向远程电脑或者工作人员手机发送报警。
本发明所述的结构物二维位移监测装置及方法通过对结构物上靶标的不间断拍摄实现结构物位移数据的测量，监测装置内含嵌入式计算模块，对记录的靶标图像进行畸变处理，校正靶标位移，提高结构物位移的监测精度，同时采用动态局部视窗算法，解决了运算复杂和计算量大的问题，从而使得所有的监测数据都能够在本地微型嵌入式计算模块中运行计算。监测装置可以同时测量水平和竖直二维位移量，能够实现一台监测装置同时监测多个靶标，大大简化了现场的仪器布设，同时降低了监测成本。
Claims (3)
1.一种结构物二维位移监测装置，包括靶标1、监测装置2和三轴调节云台4，其特征在于：所述靶标1设于待监测的结构物3上，所述三轴调节云台4设于相对于结构物3稳固的位置，监测装置2安装在三轴调节云台4上，所述监测装置2的位置与靶标1对应；所述三轴调节云台4可以通过调节基座41来调整监测装置2的方向；所述监测装置2从前到后依次包括防尘罩26、物镜21、目镜22、CCD摄像头23、嵌入式计算模块24，同时还包括防尘开关装置27和太阳能电源系统25；所述防尘开关装置27位于监测装置2的底部，与防尘罩26接触，用来控制防尘罩26的开关；所述太阳能电源系统25与嵌入式计算模块24、CCD摄像头23和防尘开关装置27通过电缆连接通电。
2.根据权利要求1所述的结构物二维位移监测装置，其特征在于：所述嵌入式计算模块24中包含信号发射器，信号发射器与云服务器无线通信连接；嵌入式计算模块24中运行图像识别与动态算法，动态算法包括动态比例修正算法和动态局部视窗算法。
3.一种基于权利要求1所述的结构物二维位移监测装置的方法，其特征在于：在一个或者多个待监测结构物3的选定位置处安装靶标1，在选定的相对于结构物3稳定的位置安装三轴调节云台4，将所述监测装置2固定在三轴调节云台4上，调整三轴调节云台4的基座41，使监测装置2和需要监测的多个靶标1位置对应；
所述嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27打开防尘罩26，所述CCD摄像头23采集各个靶标1的初始图像位置数据，采集结束后，嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27关闭防尘罩26，嵌入式计算模块24记录所有靶标1的初始图像位置数据，并进行标定，对数据进行初始化，使靶标1在初始图像位置处X0＝0，Y0＝0；接下来嵌入式计算模块24按照设定好的频率对所有靶标1进行长期监测；
对其中一个靶标1进行第i次图像位置数据采集时，所述嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27打开防尘罩26，所述CCD摄像头23采集该靶标1的第i次位置数据，采集结束后，嵌入式计算模块24控制防尘开关装置27关闭防尘罩26，嵌入式计算模块24采用动态局部视窗算法，锁定上一次记录的靶标位置搜索靶标1的成像位置，搜到以后将本次采集图像的位置数据与上次采集图像的位置数据进行对比计算，转换为该靶标本次位置数据采集在X方向的成像位移Xi成像，在Y方向的成像位移Yi成像；
嵌入式计算模块24同时计算该靶标1在X方向的第i次成像尺寸Lxi和第i-1次成像尺寸Lx(i-1)，在Y方向的第i次成像尺寸Lyi和第i-1次成像尺寸Lx(i-1)，计算出在X方向和Y方向的两次动态比例修正系数为：
Rxi＝Lx/Lxi Ryi＝Ly/Lyi
Rx(i-1)＝Lx/Lx(i-1) Ry(i-1)＝Ly/Ly(i-1)
用两次动态比例修正系数平均值进行靶标1在两个方向的位移修正，得出该靶标1在第i次的位移数据：
Xi＝Xi成像[Rxi+Rx(i-1)]/2 Yi＝Yi成像[Ryi+Ry(i-1)]/2
监测装置2根据设定好的频次对各个靶标1的图像位置进行不间断的测量，存储每次测量并处理好的位移数据Xi和Yi；
所述嵌入式计算模块24通过信号发射器将靶标1的位移数据上传至云端服务器，供工作人员在远程进行监测与分析；
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