CN105910743A - 一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法 - Google Patents

一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法 Download PDF

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D19/00—Structural or constructional details of bridges
    • E01D19/16—Suspension cables; Cable clamps for suspension cables ; Pre- or post-stressed cables

Abstract

本发明公开了一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，属于桥梁工程领域。斜拉桥拉索的张力是斜拉桥结构状态的重要参数，无论是施工或是运营过程中，都必须精确测量，以便在需要的情况下，通过调整拉索张力优化结构的受力状态。目前常用的索力测量方法为频率法，测量效率较低，且运营中的斜拉桥，因拉索端部的套筒内有阻尼垫圈，限制了频率法的应用，若拆除垫圈再测量则费时费力。本发明利用无人机对斜拉桥中多根拉索拍照，识别出同一根拉索上长度方向三个不同点的相对位置，即可利用拉索的线形解析解，求得拉索张力。本方法的实施操作简单，一次拍照可求出多根拉索的索力，速度快捷，中断交通时间短，适用于成桥状态端部带阻尼垫圈的拉索，也适用于测量施工中斜拉桥的拉索张力，及其他结构中的绳缆张力。

Description

一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法
技术领域
本发明涉及一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，属于桥梁工程领域。
背景技术
拉索是斜拉桥的主要受力构件之一，其拉索张力的大小直接影响桥梁结构的内力和变形状态，拉索的工作状态是衡量斜拉桥是否处于正常营运状态的重要标志之一。通常斜拉索的索力状态确定后，主梁和塔柱的内力状态也随之而确定。因此，准确掌握运营期间斜拉桥拉索索力状态是非常重要的，通过对斜拉索索力的监测，能够获得斜拉桥整体结构工作状态的信息，它不仅为斜拉桥的索力分布分析、结构运营期间的状态评估以及养护管理提供参考依据，而且对桥梁的整体健康状况做出评价均有着重要意义。
实际工程中常用的索力测试方法有：油压表读数法、荷载传感器测量法、磁通量法以及振动频率法等。油压表读数法一般应用于施工期间，且精度较低；荷载传感器测量法需要在拉索端部放置压力传感器，该传感器长期使用状态下的稳定性较差，且与制作工艺关系较大，该方法投入较大；磁通量法为新技术，需要的投入也较大，长期性能有待观察；振动频率法是利用精密拾振器，拾取拉索在激励下的振动信号，经过消除趋势项、采样数据的平滑处理和数字滤波等预处理后，利用数值分析的方法进行拉索自振频率的识别，然后根据自振频率与索力的关系确定索力。用频率法测定索力方便快捷，适应多种工况，设备可重复使用，且测量精度能够满足工程应用要求，因此频率法已经成为目前对施工及运营期间的斜拉桥索力测试的最佳选择。
运营中的斜拉桥，因拉索端部的套筒内有阻尼垫圈，限制了频率法的应用。若拆除垫圈再测量则费时费力，影响交通。若不拆除垫圈，则需要根据经验修正拉索的计算长度，带来一定的误差，且该误差与索的长短有关，各索的不尽相同。因此，运营中的斜拉桥，急需一种不拆除阻尼垫圈的且快速的索力测量方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法。该方法提供的技术方案为，在无人机上安装数码相机，遥控无人机飞到斜拉桥塔柱一侧拉索扇面的侧面，对部分拉索拍照，对图像中的一部分拉索，识别出每根沿索长方向不少于三个的测点，得到它们在水平和竖直方向的相对距离，基于其中的三个测点，利用拉索的线形方程，计算得到拉索状态参数，进而得到该拉索的张力的一个计算值，对该拉索每三个测点进行一次组合，可得到该拉索的多个计算值，对全桥所有拉索多次拍照，各拉索的张力取其所有计算值中的最小值。该方案对索力的计算是基于拉索的解析解答，拉索在两点固定后，只需要另外一个状态量就可确定该拉索的状态。该状态量可以是索端部的倾角，可以是索中的张力，可以是索上任一点处的垂度等，为求出索的张力，可再确定索上的另外一点即可。本专利即利用该特性给出张力求解方案。考虑到无人机开始在工程中得到应用，使其携带数码相机，对拉索拍照，并根据图像确定拉索上的三个点，即可求解拉索张力。
进一步地，无人机上的数码相机清晰度高，具有自动调平功能，拍照时无人机到拉索的距离处于10米至50米范围内。采用高清数码相机可提高图像的清晰度，对点的识别精度也更高。在无人机的配合下，实现数码相机的自动调平，便于对图像识别时确定水平和竖直方向。对无人机与拉索间距离的建议是为了同一图像能拍到多根拉索，且可拍到包含拉索中部的大部分范围。
进一步地，所识别出的各索上的测点处于图像中拉索横断线上相同位置，同一拉索的各测点水平间距相近。要求测点位置一致是为了提高计算的精度，各测点间保持一定的间距也是便于控制计算误差。
进一步地，无人机具有智能定向功能，能使相机的前端面平行于待测的微弯拉索所在的索平面。拉索在重力的作用下，并非是直的，端点间有一定的下挠，处于微弯状态，微弯的索所在的平面一般称为该索的索平面。相机的前端面平行于待测的微弯拉索所在的索平面是理想的拍照姿态，这就要求无人机具有智能功能，能自动调整姿态。
当不能确定镜头平面平行于待测拉索的索平面时，无人机在拉索附近进行多角度的连续拍照，在得到较小索力计算值位置附近再微调角度进行测量，直到前后两次拍照得到的张力差值满足精度要求，此最小张力即为该拉索的张力。该规定是基于，镜头平面平行于待测拉索的索平面时,得到的拉索垂度最大，相应地，计算得到的索力最小。
无人机自动识别各拉索，并在飞行过程中得到各拉索张力，并将结果无线传输到手机端。使用无人机的初级阶段是无人机只负责拍照并传回接受装置，如笔记本电脑，对测点的选择等利用电脑内的软件完成。随着计算硬件的小型话，可使无人机具有计算功能，自动识别测点，完成对索力的计算，并将最终结果传到手机上，实现实时索力测量功能。
在无人机拍照前，桥面上的工作人员在拍照范围内的拉索所在平面内摆放带刻度的水平标杆或竖直标杆。该项规定是为了便于对图像的处理，调平或处于竖直状态的标杆便于确定图像中的竖直和水平方向，标杆上的刻度便于更精确地计算水平和竖直间距。且该项工作比较简单，人工很容易协助完成。
本发明给出的方案不仅可用于测量成桥状态的拉索，同样可用于测量施工中的拉索，也适用于电力线等其他结构中绳缆的拉力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）对处于成桥状态斜拉桥的索力的测量，不需拆除拉索端部套筒内的阻尼垫圈，加快测量进度；
（2）无需知道拉索的两个锚固点的坐标，只根据索上至少三个点的坐标，即可计算得到索力，大幅度地减小了测量前的准备工作；
（3）测量过程中并未触及拉索，避免了对测量量的影响，保证了精度；
（4）利用无人机拍照，测量速度快，最大限度地减小了对交通的影响。
附图说明
图1 本专利实施时的现场示意图；
图2 图像处理时拉索上的测点示意图；
图中标识：1-桥墩，2-塔柱，3-桥面，4-拉索，5-无人机，6-数码相机，7-1-测点1，7-2-测点2，7-3-测点3，7-4-测点4。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案进行了描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
本实施例对应的示意图见图1和图2。本实施例中的斜拉桥为独塔单索面斜拉桥，桥墩(1)、塔柱(2)及桥面（3）三者固结，塔柱(2)位于桥面（3）中间，拉索（4）组成的索面与塔柱(2)一道将桥面（3）分为两幅。拉索（4)在桥面（3）端穿入钢套筒，且钢套筒内安装有减振阻尼垫圈。桥梁运行数年后，需要测量该桥中各拉索的索力。选择采用无人机（5）协助测量，在无人机（5）下方安装数码相机（6）。测量前暂时阻断交通，车辆不得驶上大桥。遥控无人机（5）从桥梁的一端沿桥的纵向飞行，使无人机（5）与索面保持30米间距，飞行高度为长索的高度中部。数码相机(6)的前端平面平行于索平面。进入索面范围后，每次对数根拉索拍照，拍照时无人机（5）处于悬停状态。无人机（5）自带有计算和处理软件，如图2所示识别拉索上的4个测点，并得到它们之间竖向和水平向的相对距离。取测点1（7-1）、 测点2（7-2）和测点3（7-3）三个点，求解即可得到拉索的各个状态量，从而得到该拉索张力的1个计算值；取测点1（7-1）、 测点2（7-2）和测点4（7-4）三个点，同样可得到该拉索张力的又1个计算值；取测点2（7-2）、 测点3（7-3）和测点4（7-4）三个点，同样可得到该拉索张力的又1个计算值。无人机（5）从桥的一端飞到另一端的过程中，对拉索（4）拍照多次，每根拉索（4）都得到多个计算值，选择其最小值作为该拉索（4）的张力。将所有拉索（4）的最终张力无线传输到手机终端。

Claims (7)

1.一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：无人机上安装有数码相机，遥控无人机飞到斜拉桥塔柱一侧拉索扇面的侧面，对部分拉索拍照，拍照时无人机处于悬停状态，对图像中的一部分拉索，识别出每根沿索长方向不少于三个的测点，得到它们在水平和竖直方向的相对距离，基于其中的三个测点，利用拉索的线形方程，计算得到拉索状态参数，进而得到该拉索的张力的一个计算值，对该拉索每三个测点进行一次组合，可得到该拉索的多个计算值，对全桥所有拉索多次拍照，各拉索的张力取其所有计算值中的最小值。
2.根据权利要求1所述的一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：无人机上的数码相机清晰度高，具有自动调平功能，拍照时无人机到拉索的距离处于10米至50米范围内。
3.根据权利要求2所述的一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：所识别出的各索上的测点处于图像中拉索横断线上相同位置，同一拉索的各测点水平间距相近。
4.根据权利要求3所述的一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：无人机具有智能定向功能，能使相机的前端面平行于待测的微弯拉索所在的索平面。
5.根据权利要求1所述的一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：当不能确定镜头平面平行于待测拉索的索平面时，无人机在拉索附近进行多角度的连续拍照，在得到较小索力计算值位置附近再微调角度进行测量，直到前后两次拍照得到的张力差值满足精度要求，此最小张力即为该拉索的张力。
6.根据权利要求1所述的一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：无人机自动识别各拉索，并在飞行过程中得到各拉索张力，并将结果无线传输到手机端。
7.根据权利要求1所述的一种利用无人机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：在无人机拍照前，桥面上的工作人员在拍照范围内的拉索所在平面内摆放带刻度的水平标杆或竖直标杆。
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