CN102506727B - 臂架振动位移测量方法、系统及包含其的混凝土泵车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种臂架振动位移测量方法、系统及包含其的混凝土泵车。该臂架振动位移测量方法包括：在臂架上设置标识；采集标识在不同时刻的图像；以及根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移。从而实现简单、快速、非接触的实时高精度振动位移测量。

Description

臂架振动位移测量方法、系统及包含其的混凝土泵车
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种臂架振动位移测量方法、系统及包含其的混凝土泵车。
背景技术
臂架系统作为混凝土泵车的布料装置，承担着将混凝土不断地输送至浇注位置的重任。随着市场对大型泵车的需求日益增多，泵车臂架的最大垂直高度由37m、42m、47m、52m逐渐攀升至66m、70m、72m，并且发展出Z型、R型、RZ型等折叠方式，以及三节、四节、五节、六节等多种臂架结构形式。整个臂架系统除了承受自重载荷、工作载荷等静态载荷作用之外，工作中的各种振动、冲击激励如泵车液压系统的冲击、混凝土流经输送管的流固耦合振动、臂架运动的惯性冲击以及风载、发动机振动载荷等，都可能引发臂架系统显著的动态响应，对于臂架振动的位移、速度、加速度的测量技术已成为泵车臂架系统研究的关键。
图1是示出了现有技术一的使用位移传感器测量振动位移的示意图。如图1所示，在需要测量的部位，顶一个位移传感器1，从而可以直接获取该点的位移变化。但是，这种测量方式存在着布置传感器比较困难的问题，适合低频率小范围振动位移测量。
图2是示出了现有技术二的使用光纤光栅传感器测量振动位移的示意图。如图2所示，图中机械悬臂梁2一端固定在封装壳体3上，封装壳体3与待测的基座4连接。在测量待测目标振动时，基座4固定在振动源上，振动源与基座4同时振动，从而引起悬臂梁2的机械振动。选取性能匹配的两个光纤光栅5，一个为传感光栅FBG1，贴装在机械悬臂梁2的上表面上；另一个为信号解调光栅FBG2，贴装在悬臂梁2下表面的对称位置。在待测振动惯性力的作用下悬臂梁2发生机械振动，上表面应变收缩而下表面应变伸长，带动两个光纤光栅5产生周期性的应变拉伸或收缩，从而引起传感FBG的布拉格波长发生变化，通过探测传感FBG波长的变化即可实现振动的传感测量。
然而，现有技术二的测量方法存在以下缺点：测量范围小，设备昂贵，实时性不够好，精度较低，同时对多点进行测量实时性较差等。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种臂架振动位移测量方法、系统及包含其的混凝土泵车，以实现简单、快速、非接触的实时高精度振动位移测量。
为了实现上述目的，本发明提供一种臂架振动位移测量方法，包括：在臂架上设置标识；采集标识在不同时刻的图像；以及根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移。
为了实现上述目的，本发明还提供一种臂架振动位移测量系统，包括：标识，设置在臂架上；图像采集装置，用于采集标识在不同时刻的图像；以及图像处理装置，与图像采集装置连接，用于根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移。
为了实现上述目的，本发明还提供一种混凝土泵车，包括上述的臂架振动位移测量系统。
通过上述技术方案采集设置在臂架上的标识在不同时刻的图像，并根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移，从而实现了简单、快速、非接触的实时高精度振动位移测量。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是示出了现有技术一的使用位移传感器测量振动位移的示意图；
图2是示出了现有技术二的使用光纤光栅传感器测量振动位移的示意图；
图3是根据本发明实施例的臂架振动位移测量方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的臂架振动位移测量系统的方框图；
图5是根据本发明实施例的圆形标识示意图；
图6是根据本发明实施例的十字标尺示意图；
图7示出了根据本发明实施例的在同一臂架上设置的两个圆形标识和两个十字标尺；
图8示出了根据本发明实施例的前一帧图像的圆形标识和十字标尺的位置；
图9示出了根据本发明实施例的后一帧图像的圆形标识和十字标尺的位置；以及
图10示出了根据本发明实施例的一个标识在一段时间内的位移变化。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图3是根据本发明实施例的臂架振动位移测量方法的流程图。
如图3所示，该臂架振动位移测量方法包括：
S302，在臂架上设置标识；
S304，采集标识在不同时刻的图像；以及
S306，根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移。
其中，在步骤S304中，采集标识在不同时刻的图像包括：采集第一时刻的标识的图像作为参考图像，并保存参考图像；以及采集第二时刻的标识的图像作为位移图像。
在步骤S306中，根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移包括：获取参考图像和位移图像中的标识的图像放大系数；通过使用归一互相关算法将位移图像中的标识的图像与参考图像中的标识的图像进行匹配，得到位移图像中的标识的第一中心位置坐标和参考图像中的标识的第二中心位置坐标；根据第一中心位置坐标、第二中心位置坐标和放大系数计算臂架位移。
在本实施例中，利用相机理想成像原理，可以根据下列公式获取放大系数K：
K＝a/A，
其中，a为标识在水平或垂直方向上实际长度，A为标识成像后水平或垂直方向上在图像中所占的像素大小。
由于在实际成像中，图像成像有些畸变，不同位置K值有稍微的变化，所以还可以通过在每个标识邻近位置设置参考标尺来克服图像畸变带来的误差。具体地，在标识的邻近位置设置参考标尺，并在采集标识的图像的同时采集参考标尺的图像，其中，参考标尺水平或垂直方向上的大小与标识水平或垂直方向上的大小相同。这种情况下，当使用上述公式获取放大系数K时，可以使用参考标尺成像后水平或垂直方向上在图像中所占的像素大小替代标识成像后水平或垂直方向上在图像中所占的像素大小。从而提高测量的精度。
并且，本实施例中的标识的数量可以为多个，分别设置在臂架的不同位置，每个标识的邻近位置均可以设置参考标尺，从而实现多点数据的同时测量。其中，位于不同位置的每个标识不同，每个标识可以为具有参考标志的圆形标识，不同位置的每个标识的参考标志指向不同的角度。另外，上述实施例中的标识可以为臂架上的固定部件。
图4是根据本发明实施例的臂架振动位移测量系统的方框图。
如图4所示，该臂架振动位移测量系统包括：
标识10，设置在臂架上；
图像采集装置20，用于采集标识在不同时刻的图像；以及
图像处理装置30，与图像采集装置连接，用于根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移。
在本实施例中，图像处理装置30还包括：
获取模块，用于获取参考图像和位移图像中的标识的图像放大系数，其中，参考图像为图像采集装置在第一时刻采集到的标识的图像，位移图像为图像采集装置在第二时刻采集到的标识的图像；
匹配分析模块，用于通过使用归一互相关算法将位移图像中的标识的图像与参考图像中的标识的图像进行匹配，得到位移图像中的标识的第一中心位置坐标和参考图像中的标识的第二中心位置坐标；
计算模块，用于根据第一中心位置坐标、第二中心位置坐标和放大系数计算臂架位移。
本发明还提供了一种混凝土泵车，包括上述实施例中的臂架振动位移测量系统。
在上述实施例中，具有参考标志的圆形标识可以如图5所示，其中参考标志为圆形标识的圆环上的一个空白点。参考标尺可以如图6所示，为标定好水平和垂直大小的十字标尺。如图7所示，当两个圆形标识设置在臂架待测位置上时，可以通过将不同位置的圆形标识旋转不同的角度，使其上的空白点(参考标志)指向不同的角度，以保证不同位置的标识不相同。其中，十字标尺可以与圆形标识水平相邻设置。但是，本领域技术人员可以理解，本发明图5至图7所示的情形仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
具体地，使用上述的臂架振动位移测量系统执行臂架振动位移的测量。图像采集装置可以与图像处理装置集成在一起。图像采集装置可以包括相机(例如，黑白面阵帧数为15的500万像素CCD相机)、与相机匹配的镜头和数据传输线。图像处理装置可以包括PC和数据软件处理系统。例如，通过图像采集卡将相机和PC连接，在PC上运行图像采集程序，固定相机位置，使相机与待测位置保持一定距离，尽可能让相机和所有被测点的中心位置保持水平，调节相机成像参数，让圆形标识和十字标尺在相机拍摄范围内清晰成像，同时保证振动点不超出相机视场范围。采集图像，制作模板图像，然后泵车臂架开始工作，需要开始测量数据的时候，让相机连续采集图像，通过图像采集卡传送到PC机中，在编制的图像处理程序中进行实时数据处理，输出泵车在垂直方向的运动轨迹和位移量。其中，可以采用两个或者两个以上相机从不同的角度去采集振动图像，从而提高系统精度。标识可以为臂架上的固定部件(例如，结构件上某一刚性不动部件或标志)，只要在摄像机拍摄范围内即可。
以圆形标识为模板，在每帧图像中进行模板滑动，设模板图T大小为Mx*My，每帧图像大小为Nx*Ny，匹配时模板叠放在参考图上平移，模板覆盖下的那块搜索图叫子图Si，j，i，j为这块子图的左下角像点在S图中的坐标，叫参考点，其中i和j的取值范围为大于等于0小于N-M，通过比较T和Si，j的内容，采用了归一互相关算法如下：
NC ( i , j ) = Σ m = 1 M Σ n = 1 n T ( m , n ) S i , j ( m , n ) Σ m = 1 M Σ n = 1 N T 2 ( m , n ) Σ m = 1 M Σ n = 1 N [ S i , j ( m , n ) ] 2
上式NC(i，j)的值越大，说明搜索图和模板越像，当有一个最大值的时候，那么就定位该圆形标识在每帧图像中的坐标位置为(x，y)。
图8和图9分别示出了根据本发明实施例的前一帧和后一帧图像的圆形标识和十字标尺的位置。根据上述算法可以确定图8中圆形标识初始中心位置坐标为(x1，y1)，图9中圆形标识中心位置坐标为(x2，y2)。其中，上述算法还可以替换为现有技术中其他的图像匹配算法。
根据成像原理，得到垂直方向的实际位移量为k(y2-y1)，水平方向位移量为k(x2-x1)，从而可以实现实时求取泵车臂架振动的振动位移量。
图10示出了根据本发明实施例的一个标识在一段时间内的位移变化。(取向下的方向为正)横坐标单位为帧数，纵坐标为位移量，单位为毫米。
从上述实施例可以看出，本发明通过采集设置在臂架上的标识在不同时刻的图像，并根据标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移，从而实现了简单、快速、非接触的实时高精度振动位移测量。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种臂架振动位移测量方法，其特征在于，包括：
在臂架上设置标识，在所述标识的邻近位置设置参考标尺；
采集所述标识在不同时刻的图像，同时采集所述参考标尺的图像；以及
根据所述标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移，
其中，所述标识的数量为多个，分别设置在臂架的不同位置，每个所述标识的邻近位置均设置所述参考标尺。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，采集所述标识在不同时刻的图像包括：
采集第一时刻的所述标识的图像作为参考图像，并保存所述参考图像；以及
采集第二时刻的所述标识的图像作为位移图像。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，根据所述标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移包括：
获取所述参考图像和所述位移图像中的标识的图像放大系数；
通过使用归一互相关算法将所述位移图像中的标识的图像与所述参考图像中的标识的图像进行匹配，得到所述位移图像中的标识的第一中心位置坐标和所述参考图像中的标识的第二中心位置坐标；
根据所述第一中心位置坐标、所述第二中心位置坐标和所述放大系数计算臂架位移。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，根据下列公式获取所述放大系数K：
K＝a/A，
其中，a为所述标识在水平或垂直方向上实际长度，A为所述标识成像后水平或垂直方向上在图像中所占的像素大小。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述参考标尺水平或垂直方向上的大小与所述标识水平或垂直方向上的大小相同。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，使用所述参考标尺成像后水平或垂直方向上在图像中所占的像素大小替代所述标识成像后水平或垂直方向上在图像中所占的像素大小。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，每个所述标识为具有参考标志的圆形标识，不同位置的每个标识的参考标志指向不同的角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述标识为臂架上的固定部件。
9.一种臂架振动位移测量系统，其特征在于，包括：
标识，设置在臂架上；
参考标尺，设置在所述标识的邻近位置；
图像采集装置，用于采集所述标识在不同时刻的图像，同时采集所述参考标尺的图像；以及
图像处理装置，与所述图像采集装置连接，用于根据所述标识在不同时刻的图像的位置变化来计算臂架振动位移，
其中所述标识的数量为多个，分别设置在臂架的不同位置，每个所述标识的邻近位置均设置所述参考标尺。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述图像处理装置包括：
获取模块，用于获取参考图像和位移图像中的标识的图像放大系数，其中，所述参考图像为所述图像采集装置在第一时刻采集到的标识的图像，所述位移图像为所述图像采集装置在第二时刻采集到的标识的图像；
匹配分析模块，用于通过使用归一互相关算法将所述位移图像中的标识的图像与所述参考图像中的标识的图像进行匹配，得到所述位移图像中的标识的第一中心位置坐标和所述参考图像中的标识的第二中心位置坐标；
计算模块，用于根据所述第一中心位置坐标、所述第二中心位置坐标和所述放大系数计算臂架位移。
11.一种混凝土泵车，包括权利要求9或10所述的臂架振动位移测量系统。
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