CN105547635B - 一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法，实施步骤如下：A.搭建风洞试验模型并调试高速摄像头参数；B.双目系统标定；C.建立连续自适应均值漂移算法目标动态追踪任务；D.多点结构空间三维动态位移自动测量与存储。

Description

一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法

技术领域

本发明涉及到使用摄像装置对风荷载作用下的结构进行动态监测和动力特性参数识别的方法。

背景技术

风荷载对于大跨度桥梁、大型空间结构、高层建筑、高耸塔式结构、大型拉索结构等各类建筑物的设计、施工和运营有着重要的影响。结构物在风荷载的作用下会产生复杂的动力风效应，并且可能导致灾难性的风致破坏。比如灾害性台风可能导致结构主体开裂破坏，长时间持续的风致振动则可能使结构某些部分如节点、支座等产生疲劳和损伤，危及结构安全。所以对于结构在风荷载作用下的风致响应研究至关重要。风洞试验是研究结构风致响应的重要方法。通过采用相似准则，在风洞实验室中建立一个实际结构的缩尺模型，来研究模型在风作用下的响应。缩尺模型除了与实物几何外形相似，还满足一定的长度缩尺比、密度缩尺比以及刚度缩尺比。风洞实验室可以模拟与实际情形相同对数衰减数、弹性数、密度比数、重力数、雷诺数等，通过测量这些条件下试验模型的响应，再利用相似准则就可以反算出实际结构在相同风荷载作用下的响应。

对于测量风洞试验下的结构动力响应，传统的测量方法主要是利用加速度传感器、速度传感器或者位移传感器来测量结构在风荷载作用下的动态加速度、速度或者位移，然后通过结构力学和结构动力学相关理论计算出结构振动频率、幅值、阻尼比、模态及其他动力特性参数。这些测量方法当中主要分为接触式传感器和非接触式传感器两种，以下针对其分类进行相关评述。

1、接触式动态测量方法：

(1)加速度传感器。将加速度传感器安装在被测结构的表面，测量过程中加速度信号通过导线传递给采集设备并保存。通过对加速度信号进行频谱分析可以得到结构振动的频率、阻尼比、模态振型等动力特性指标。另外，对加速度信号进行二次积分处理可以得到结构振动的幅值大小，即位移信息。但是这种方式会将加速度传感器的质量附着在被测结构上，影响结构自身的动力特性。而且导线也会影响结构的边界条件以及风场特征，使得风洞试验测量结果容易出现较大的误差。另外，加速度传感器容易受到电磁等环境因素干扰，获取的信号会夹杂大量噪声。

(2)电阻应变片。将电阻应变片贴在被测结构表面，测得结构在风致振动过程中的应变量，利用弹性力学相关理论得到位移与应变的关系，从而获取结构振动位移特征，对位移信号进行处理即可得到结构的振动特性参数。这种接触式测量方法除了具有前面提到的加速度测量方法的缺点(接触、需要布线、易受电磁干扰)之外，电阻应变片本身容易损坏，而且只能一次性使用。

(3)直线位移传感器。主要包括磁致伸缩位移传感器、线性可变差动变压器、拉线式位移计、电子百分表等。这种传感器需要通过架设固定支架使传感器的一部分与被测结构表面接触，每个传感器只能测量一个方向的结构位移。除了因为布线和电磁干扰带来的测量误差之外，支架本身在风洞中受到风场作用会引起扰动，从而增大安装在支架上的传感器的测量误差。

2、非接触式动态测量方法：

(1)激光位移传感器。这是一种非接触式动态位移测量系统，使用方便，不需要固定参考坐标系，不需要在被测结构上安装位移测点，从而不会对被测结构的振动造成干扰，而且激光测量的采样频率高、精度好。但是也有自身的缺点，比如其在测量过程受其他杂散光的干扰较大，测量位移的量程会受到限制。并且激光位移传感器需要安装在风洞中的固定支架上，支架自身在风场作用下会发生风致振动，从而影响测量结果。另外这些支架等装置对风洞中气流的影响较为明显，对风洞中风场的模拟产生干扰。

(2)数字图像相关法。利用光学成像原理，通过摄像机拍摄被测结构得到其数字图像，利用结构变位或者变形前后数字图像的灰度变化来测量结构的位移和变形。它的主要优势在于非接触、多点同步、实时、多参数测量，而且实验设备简单。利用数字图像相关法进行结构位移测量目前正处于研究阶段。目前国内外学者在这方面的研究主要集中在基于一个相机的单目位移测量系统，这种方式可以实现拍摄视野内测量结构的二维动态位移变化。风洞中的结构物在风场作用下会发生复杂的三维位移，仅仅使用单个相机不能满足要求。而目前采用基于两个相机的双目三维位移测量相对较少，使用两个相机的测量需要架设在风洞外面，相机透过风洞外壁上的玻璃拍摄被测结构，风洞外部以及内部的光线变化对相机拍摄图像质量的影响较大。而且相机方向与玻璃平面并非正交，由此带来的反光和折光问题会影响成像质量，进而影响结构动态位移测量结果。

总结上述几种测量方法，传统接触式结构动态测量方法因为需要与风洞中的被测结构接触、布线和架设固定支架等，不仅测量不方便而且直接影响结构自身动态特性，并且额外的装置会影响风洞中气流，从而导致风场模拟结果不准确，给风洞试验带来较大误差。固定支架本身在风场中的扰动也会影响测量结果。接触式结构动态测量也容易受到电磁干扰等环境因素影响，使测量结果不可靠。传统的非接触式测量方法如果设备架设在风洞内部不仅会影响风场而且支架也会发生扰动。激光传感器和传统的单目或双目数字图像相关法对光线变化比较敏感，易受干扰。

风洞中的缩尺模型本来是按照一定尺度比从实际结构当中缩尺过来的，风洞试验的目的也是通过对缩尺模型的研究来反推实际结构的在风场中的动力特性。如果风洞中的动态测量误差太大或者风洞中对于风场的模拟受到了干扰，那么在反推到实际结构的过程中误差就会放大，从而误导实际结构的设计、施工甚至运营。为了保证风洞试验的研究目的和意义及其对实际结构风工程研究的指导作用，一种可靠有效的结构动力响应测量方法至关重要。

发明内容

本发明要克服传统风洞试验中动力特性测量方法的不足，提出了一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法。本测量方法是一种基于两个相机的双目机器视觉动态追踪方法。通过两个相机来模拟人的双眼，在风洞中去感知风场作用下结构的三维变形/变位，采用改进的连续自适应均值漂移算法实现多目标的动态追踪和结构动力响应识别。测量装置包括高速摄像头和计算机。

本发明要解决以下几个方面的问题：

一是解决传统动力响应测量方法因为连接测量装置与被测结构、现场布线和安装支架等带来的实验误差问题，这里将风洞中原有的监控摄像头升级为高速摄像头，使用两个高速摄像头构建双目立体视觉系统，并把结构动力响应算法嵌入到原有的监控系统当中，从而实现对风洞中的被测结构进行多点非接触式动态位移监测。

二是解决传统数字图像相关法中的光线变化对测量结果的影响问题，因为传统数字图像相关法将相机架设在风洞外面，相机需要透过风洞外壁上的玻璃拍摄风洞里面的结构，玻璃以及风洞内外的光线会对测量产生影响从而带来误差，直接利用风洞内部的用来执行监控功能的高速摄像头可以规避这些误差干扰源。

三是解决传统数字图像相关法中需要在被测结构上布置额外特征点的问题，直接利用被测目标表面本身纹理特征作为测量目标，使实验操作简单方便。

本发明所述的一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法，具体实施步骤如下：

A.搭建风洞试验模型并调试高速摄像头参数；

A1.将被测结构固定在风洞的合适位置，确定结构测点，启动风洞试验非接触式动力响应测量系统；

A2.反复调整两个高速摄像头的空间角度，调节摄像头的镜头焦距、光圈大小和放大倍数等,使得被测结构上的各测点出现在两个摄像头的视野并集里；

A3.反复调整两个摄像头曝光时间和增益值，调整摄像头拍摄到的被测结构测点处的图像清晰度，直到得到测点处的最佳图像；

B.双目系统标定；

B1.根据两个摄像头的空间朝向角度、空间距离以及被测结构的空间位置，确定三者的空间几何关系；

B2.分别用两个摄像头拍摄被测结构的照片，建立拍摄到的图像坐标与被测结构的空间坐标映射关系；

B3.对双目系统进行标定，确定实际结构空间变位在两个图像上的像素变位，找出标定系数矩阵；

C.建立连续自适应均值漂移算法目标动态追踪任务；

C1.根据被测结构目标点空间变位的预估范围分别对两个摄像头拍摄到的图像进行区域分割；

C2.在两个进行了区域分割之后的图像子集中选择被测目标区域，这里用矩形方框选定的包含被测目标点区域作为追踪点，即被测目标点，并记录下选择所用的矩形方框和对应目标点编号；

C3.求出两个摄像头中有关目标点的反向投影图，根据反向投影图和矩形方框进行连续自适应均值漂移迭代，由于其进行重心移动，向反向投影图中概率大的地方移动，最终矩形方框移动到目标上；

C4.对目标追踪过程进行机器学习和训练，优化追踪任务，如果目标追踪满足要求，则本次追踪任务完成，且追踪过程搭建完毕；

D.多点结构空间三维动态位移自动测量与存储；

D1.利用图像坐标与被测结构的空间坐标映射关系对追踪目标的当前位置与起始位置进行三维重构，得到被测目标在图像三维坐标系中的坐标变化，用坐标变化和标定系数矩阵确定出被测结构目标测点的三维位移；

D2.按照被测结构动力响应监测要求制定数据采样频率和存储策略，并启动风洞实验；

D3.两个摄像头不断进行拍照，按照C中搭建的追踪过程对每一帧拍摄到的图像进行目标追踪，目标追踪到之后利用前述过程得到测点的三维位移；

D4.检查D3是否完成D2提出的采集策略和采集存储任务，如果完成，则风洞试验非接触式结构位移监测完成，风洞实验中结构动力响应测量任务完成。

上述步骤中所提到的高速摄像头将采集到图像利用千兆以太网进行传输，保存在风洞监控平台的计算机硬盘当中并即时处理。

在双目系统标定当中，双目是指用两个高速摄像头来提供三维立体视觉功能。对于每个相机而言，通过单目位移测量得到单个相机测得的结构位移变化，再利用两个相机的距离和空间角度对实际空间坐标尺度和两个相机拍摄到的图像坐标尺度进行尺度转换计算，即可得到相机的被测结构测点的三维位移。双目系统标定过程中使用了3D摄影技术对两个高速摄像头采集到的两张图像的图像坐标与实际被测结构的空间尺度建立关系，得到拍摄到的图像坐标与被测结构的空间坐标映射关系，确定实际结构空间变位在两个图像上的像素变位，找出标定系数矩阵。

在目标追踪过程中需要对拍摄到的图像进行多次追踪学习和训练，通过优化算法使得图像与追踪目标达到自适应的追踪要求。

本发明中除了前述提到的高速摄像头和计算机等，还提供了一套存储在风洞监控平台计算机当中的基于连续自适应均值漂移追踪算法的用于风洞试验非接触式结构动力响应测量系统软件平台。

与现有的技术相比，本技术有几下几个优点：

1、使用两个高速摄像头替代了用于风洞监控原有的摄像头，将基于连续自适应均值漂移追踪算法的用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量系统软件平台集成到风洞监控平台系统当中，整合度高，无需附加太多设备负载，测试现场更加简洁清楚，也节能环保；

2、解决了传统动力响应测量方法因为连接测量装置与被测结构、现场布线和安装支架等带来的实验误差问题，实现了对风洞中的被测结构进行多点非接触动态空间三维位移监测；

3、解决了传统数字图像相关法中的光线变化对测量结果的影响问题，因为传统数字图像相关法将相机架设在风洞外面，相机需要透过风洞外壁上的玻璃拍摄风洞里面的结构，玻璃以及风洞内外的光线会对测量产生影响从而带来误差，直接利用风洞内部的用来执行监控功能的高速摄像头可以规避这些误差干扰源，摄像头放置于风洞当中不影响风洞气流，对风场模拟无干扰；

4、解决传统数字图像相关法中需要在被测结构上布置额外特征点或者光源的问题，直接利用被测目标表面本身纹理特征作为测量目标，使实验操作简单方便；

5、由于采用高速千兆以太网将相机采集到的图像信息传输到计算机，实时传输快，实现数据在线即时处理，可以将监控视频结合位移时程图像一起查看，可以实现事件全信息回放；

6、高速摄像头的采样频率比传统的加速度传感器、应变片、直线位移传感器等高很多，完全能够实现结构准分布式动态位移测量以及进一步的结构动力分析；

7、本发明支持更多相机更多视角的三维位移监测，通过整合多个摄像头拍摄的图像可以实现对被测结构上任何位置的测点进行实时、同步、三维位移测量；

8、相较于其他测量方法，测量同样的测点精度高、成本低、操作简单、携带方便。

附图说明

图1a本发明的装置示意图。

图1b本发明的被测结构的示意图。

图1c是图1b的Γ俯视图。

图2本发明的测量流程图。

图例说明：图1a、图1b、图1c中的代号分别表示：

1——风洞，

2——风洞出风口，

3——第1个高速摄像头，

4——第2个高速摄像头，

5——固定在风洞中的被测结构，

6——被测结构上的目标测点，

7——风洞监控平台及基于连续自适应均值漂移追踪算法的用于风洞试验非接触结构动力响应测量系统软件平台，

8——第1个高速摄像头拍摄到的目标图像，

9——第2个高速摄像头拍摄到的目标图像，

Γ——被测结构俯视图，

a——Γ俯视图下框架立柱a，

b——Γ俯视图下框架立柱b，

c——Γ俯视图下框架立柱c，

d——Γ俯视图下框架立柱d，

备注：本发明中以一个四层矩形空间框架作为风洞实验的被测结构为例进行说明，在调整摄像头空间拍摄角度过程中，第1个高速摄像头拍摄到的目标图像涵盖了b-a-d三根立柱上之间的所有被测目标点，第2个高速摄像头拍摄到的目标图像涵盖了a-b-c三根立柱上之间的所有被测目标点，所以用两个相机就能将所有目标点涵盖。如果需要更多测点，则需要整合额外的相机。

具体实施方式

以下结合图1中所示的案例和图2中所示的工作流程进一步阐述本发明。

参见图1和图2，本发明中所举案例为利用一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量系统测量固定在风洞中的四层空间矩形框架，对其实现三维结构动态位移测量，以完成风洞中的结构动力响应监测，具体的实施步骤如下：

A.搭建风洞试验模型并调试高速摄像头参数。

A1.将被测结构固定在风洞(1)的合适位置，确定结构测点，启动风洞试验非接触式动力响应测量系统(7)；

A2.反复调整两个高速摄像头(3和4)的空间角度，调节摄像头的镜头焦距、光圈大小和放大倍数等,使得被测结构上的各测点出现在两个摄像头的视野并集里；

A3.反复调整两个摄像头(3和4)曝光时间和增益值，调整摄像头拍摄到的被测结构测点处的图像清晰度，直到得到测点处的最佳图像。

B.双目系统标定。

B1.根据两个摄像头(3和4)的空间朝向角度、空间距离以及被测结构的空间位置，确定三者的空间几何关系；

B2.分别用两个摄像头(3和4)拍摄被测结构的照片，建立拍摄到的图像坐标与被测结构(5)的空间坐标映射关系；

B3.对双目系统进行标定，确定实际结构空间变位在两个图像上的像素变位，找出标定系数矩阵。

C.建立连续自适应均值漂移算法目标动态追踪任务。

C1.根据被测结构目标点(6)空间变位的预估范围分别对两个摄像头(3和4)拍摄到的图像进行区域分割；

C2.在两个进行了区域分割之后的图像子集中选择被测目标区域，这里用矩形方框选定的包含被测目标点(6)区域作为追踪点，即被测目标点(6)，并记录下选择所用的矩形方框和对应目标点编号；

C3.求出两个摄像头中有关目标点的反向投影图并根据反向投影图和矩形方框进行连续自适应均值漂移迭代，由于其进行重心移动，向反向投影图中概率大的地方移动，最终矩形方框移动到目标上；

C4.对目标追踪过程进行机器学习和训练，优化追踪任务，如果目标追踪满足要求，则本次追踪任务完成，且追踪过程搭建完毕。

D.多点结构空间三维动态位移自动测量与存储。

D1.利用图像坐标与被测结构的空间坐标映射关系对追踪目标的当前位置与起始位置进行三维重构，得到被测目标在图像三维坐标系中的坐标变化，用坐标变化和标定系数矩阵确定出被测结构目标测点的三维位移；

D2.按照被测结构动力响应监测要求制定数据采样频率和存储策略，并启动风洞实验；

D3.两个摄像头不断进行拍照，按照C中搭建的追踪过程对每一帧拍摄到的图像进行目标追踪，目标追踪到之后利用前述过程得到测点的三维位移；

D4.检查D3是否完成D2提出的采集策略和采集存储任务，如果完成，则风洞试验结构位移监测完成，风洞实验中结构动力响应测量任务完成。

上述步骤中所提到的高速摄像头将采集到图像利用千兆以太网进行传输，保存在风洞监控平台的计算机硬盘当中并即时处理。

在双目系统标定当中，双目是指用两个高速摄像头来提供三维立体视觉功能。对于每个相机而言，通过单目位移测量得到单个相机测得的结构位移变化，再利用两个相机的距离和空间角度对实际空间坐标尺度和两个相机拍摄到的图像坐标尺度进行尺度转换计算，即可得到相机的被测结构测点的三维位移。双目系统标定过程中使用了3D摄影技术对两个高速摄像头采集到的两张图像的图像坐标与实际被测结构的空间尺度建立关系，得到建立拍摄到的图像坐标与被测结构的空间坐标映射关系，确定实际结构空间变位在两个图像上的像素变位，找出标定系数矩阵。

在目标追踪过程中需要对拍摄到的图像进行多次追踪学习和训练，通过优化算法使得图像与追踪目标达到自适应的追踪要求。

本发明中除了前述提到的高速摄像头和计算机等，还提供了一套存储在风洞监控平台计算机当中的基于连续自适应均值漂移追踪算法的用于风洞试验非接触结构动力响应测量系统软件平台。

本说明书实施案例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施案例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法，具体实施步骤如下：

A.搭建风洞试验模型并调试高速摄像头参数；

A1.将被测结构固定在风洞的合适位置，确定结构测点，启动风洞试验非接触式动力响应测量系统；

A2.反复调整两个高速摄像头的空间角度，调节摄像头的镜头焦距、光圈大小和放大倍数,使得被测结构上的各测点出现在两个摄像头的视野并集里；

A3.反复调整两个摄像头曝光时间和增益值，调整摄像头拍摄到的被测结构测点处的图像清晰度，直到得到测点处的最佳图像；

B.双目系统标定；

B1.根据两个摄像头的空间朝向角度、空间距离以及被测结构的空间位置，确定三者的空间几何关系；

B2.分别用两个摄像头拍摄被测结构的照片，建立拍摄到的图像坐标与被测结构的空间坐标映射关系；

对于每个相机而言，通过单目位移测量得到单个相机测得的结构位移变化，再利用两个相机的距离和空间角度对实际空间坐标尺度和两个相机拍摄到的图像坐标尺度进行尺度转换计算，即可得到相机的被测结构测点的三维位移；

B3.对双目系统进行标定，确定实际结构空间变位在两个图像上的像素变位，找出标定系数矩阵；

C.建立连续自适应均值漂移算法目标动态追踪任务；

C1.根据被测结构目标点空间变位的预估范围分别对两个摄像头拍摄到的图像进行区域分割；

C2.在两个进行了区域分割之后的图像子集中选择被测目标区域，这里用矩形方框选定的包含被测目标点区域作为追踪点，即被测目标点，并记录下选择所用的矩形方框和对应目标点编号；

C3.求出两个摄像头中有关目标点的反向投影图，根据反向投影图和矩形方框进行连续自适应均值漂移迭代，由于其进行重心移动，向反向投影图中概率大的地方移动，最终矩形方框移动到目标上；

C4.对目标追踪过程进行机器学习和训练，优化追踪任务，如果目标追踪满足要求，则本次追踪任务完成，且追踪过程搭建完毕；

D.多点结构空间三维动态位移自动测量与存储；

D1.利用图像坐标与被测结构的空间坐标映射关系对追踪目标的当前位置与起始位置进行三维重构，得到被测目标在图像三维坐标系中的坐标变化，用坐标变化和标定系数矩阵确定出被测结构目标测点的三维位移；

D2.按照被测结构动力响应监测要求制定数据采样频率和存储策略，并启动风洞实验；

D3.两个摄像头不断进行拍照，按照C中搭建的追踪过程对每一帧拍摄到的图像进行目标追踪，目标追踪到之后利用前述过程得到测点的三维位移；

D4.检查D3是否完成D2提出的采集策略和采集存储任务，如果完成，则风洞试验非接触式结构位移监测完成，风洞实验中结构动力响应测量任务完成。