CN106932084A - 基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其中机器双目视觉系统包括输电塔导线、振动后导线、测量靶标和双目识别位移监测系统；本发明在输电导线的特定位置设置好测量靶标，然后利用高速摄像机进行连续拍摄，并将照片通过传输导线输送到图像处理计算机中，根据相邻靶标之间距离的变化计算出导线位移的瞬时变化，进而得到电塔的振动模态。本发明有良好的操作性及稳定性，并具有高采样率、高精度、非接触及实时性等优点，能够实现对输电塔导线的动态位移和变形的有效监控；从而为输电塔导线因振动而引起输电塔的风致倒塌的实时监测研究和运营安全监测评估提供依据。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法。
背景技术
近年来，对导线舞动在线监测技术的研究逐渐成为电力行业的研究热点之一。输电线路的导线舞动是导线因覆冰或者其他原因而在气流中形成对空气动力不稳定的外形引起的，是一种低频率(0.1～3Hz)、大振幅(可达导线直径5～300倍)的自激振动。当导线舞动幅度较大时，一次持续时间很长的摆动将极易引起线间闪络，导致金具和绝缘子损坏、线路跳闸、导线断股和断线，甚至拉倒杆塔，这将造成严重的电网事故和重大的经济损失，给人们的生活和工业生产造成严重的影响。因此，对导线动态模拟的方法的研究具有重大意义。
由于输电塔-线结构现场环境的局限，常规图像处理技术通过灵活组合多种图像处理算法虽然可以完成各种场景运动图像的分析和信息的提取，但是常规图像处理手段也存在的诸多问题，如参数多，难调整；步骤多，繁琐易出错；对图像质量要求高,光照、噪声对算法执行效果有直接影响等。为了更准确、方便地获得结构的动态位移或变位信息，急需另外一种高效的、实时结构动态位移及变形监测技术来获取导线振动模态，预防因导线振动而引起的输电塔风致倒塌。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明利用了一种采用机器双目视觉技术的、高效的、准确的输电塔-线体系实时动态监测系统实现对输电导线模态进行监测。
本发明所采用的技术方案是：一种基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，所述机器双目视觉系统包含输电塔导线、振动后导线、测量靶标和双目识别位移监测系统；所述测量靶标若干，粘贴在输电塔导线需要监测的位置上；双目识别位移监测系统包括两个高速摄像机、图像处理计算机和风速风向测量装置，两个高速摄像机布置在输电塔-线体系的下方，用于获取测量靶标的三维坐标；
所述两个高速摄像机均与图像处理计算机通过传输导线连接，所述图像处理计算机读取所述高速摄像机拍摄得到的帧系列照片中测量靶标的三维坐标，计算输电塔导线在不同风速和风向下的振动模态，并根据连续拍摄的照片中相邻靶标距离的变化计算出结构的内力。
所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取实时风速风向，计算得到风的工作频率ω；
步骤2：计算空间位移函数si和输电塔导线测点在特定频率ωf位移阻抗Zf；
步骤3：利用输电塔导线测点的空间位移函数估算模态质量m和模态刚度k，以此为基础计算结构振动幅值A和模态固有频率ω0；
步骤4：判定结构是否在正常工作范围内振动，以及是否有发生共振的可能。
本发明的优点是：
1、该方法有良好的操作性及稳定性，并具有高采样率、高精度、非接触及实时性等优点，能够实现对输电导线的振动模态有效监控；
2、输电导线风致振型复杂、难以计算，该系统利用双目视觉技术能够准确读取两个靶点的三维坐标，确定靶点之间距离的变化，根据动力学原理能够推算出结构的振型模态，从而为防止输电导线风致倒塌的研究提供依据；
3、该方法能够对输电导线风致振动破坏形态进行预估，可以实现动态结构设计以及结构优化；
4、与传统的模态获取方法相比，该方法的仪器回收率高，人力要求低，经济性好。
附图说明
图1为本发明实施例的双目识别动态系统监测输电导线模态示意图；
图2为本发明实施例的流程图。
具体实施方法
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的机器双目视觉系统包含输电塔导线1、振动后导线2、测量靶标3和双目识别位移监测系统4；
测量靶标3若干，粘贴在输电塔导线1需要监测的位置上；
双目识别位移监测系统4包括包括两个高速摄像机、图像处理计算机和风速风向测量装置，两个高速摄像机布置在输电塔-线体系的下方，用于获取测量靶标3的三维坐标；
两个高速摄像机均与图像处理计算机通过传输导线连接，图像处理计算机读取高速摄像机拍摄得到的帧系列照片中测量靶标2的三维坐标，计算输电塔导线1在不同风速和风向下的振动模态，并根据连续拍摄的照片中相邻靶标距离的变化计算出结构的内力。
本实施例的高速摄像机的帧数为1000～1500帧/s，至少设置2台；传输导线为USB数据线，风速风向测量装置为PHWE测风仪。
请见图2，本发明提供的一种基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，包括以下步骤：
步骤一：利用PHWE测风仪测得实时风速风向，利用脉动风力函数得到工作频率ω；
步骤二：在输电塔-线体系的下方布置两个高速摄像机，利用双目识别位移监测系统4，以及在输电塔导线1上的测量靶标3，将三维实体靶标位置投影到左右相机二维图像之中，原理表示为：
x＝K[R|t]·X；
随后采用基于立体视觉的3D重建，将左相机坐标PLj[xlj,ylj]与右相机坐标PRj[xRj,yRj]进行位移演变，获取靶点的三维坐标Pj＝(Xj,Yj,Zj)；
若将某一时刻所有靶点的坐标在软件中进行呈现时，就能模拟出输电塔导线1特定点的实时位置；就能模拟出输电塔导线1特定点的实时位置得到振动后导线2空间位移函数sij；，
sij(ti)＝f[ti,gj(X,Y,Z)]
式中，ti为测试时间点，j为在不同位置靶标测点；
若将某一时间段不同时刻的输电塔和输电线进行动态模拟，就能得到输电塔导线1测点在特定频率ωf位移阻抗Zf；
步骤三：利用输电塔导线1测点的空间位移函数估算模态质量m和模态刚度k；
再以此为基础计算结构振动幅值A和模态固有频率ω0；
以x方向振动为例，x方向的自由振动微分方程
转化为拉氏域方程：
令
结构固有频率
x方向振动响应方程为：
A与由边界条件s1、s2、s3等确定；
步骤四：判断结构振动幅值A是否超过结构正常工作幅值A0，A0根据《建筑结构风振控制规范》选取，若A≤A0说明振幅在控制范围内；若A≥A0说明振幅过大。
同时需要判断风的工作频率ω是否落在模态固有频率的半功率带宽之内：
若或则不会发生共振危险，
若则可能发生共振危险。
尽管本说明书较多地使用了输电塔导线1、振动后导线2、测量靶标3和双目识别位移监测系统4等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其特征在于：所述机器双目视觉系统包含输电塔导线(1)、振动后导线(2)、测量靶标(3)和双目识别位移监测系统(4)；
所述测量靶标(2)若干，粘贴在输电塔导线(1)需要监测的位置上；
所述双目识别位移监测系统(4)包括两个高速摄像机、图像处理计算机和风速风向测量装置，两个高速摄像机布置在输电塔-线体系的下方，用于获取测量靶标(3)的三维坐标；
所述两个高速摄像机均与图像处理计算机通过传输导线连接，所述图像处理计算机读取所述高速摄像机拍摄得到的帧系列照片中测量靶标(2)的三维坐标，计算输电塔导线(1)在不同风速和风向下的振动模态，并根据连续拍摄的照片中相邻靶标距离的变化计算出结构的内力。
2.根据权利要求1所述的基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法其特征在于：所述高速摄像机的帧数为1000～1500帧/s，至少设置2台。
3.根据权利要求1所述的基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其特征在于：所述传输导线为USB数据线。
4.根据权利要求1所述的基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其特征在于：所述风速风向测量装置为PHWE测风仪。
5.根据权利要求1所述的基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取实时风速风向，计算得到风的工作频率ω；
步骤2：计算空间位移函数si和输电塔导线测点在特定频率ωf位移阻抗Zf；
步骤3：利用输电塔导线测点的空间位移函数估算模态质量m和模态刚度k，以此为基础计算结构振动幅值A和模态固有频率ω0；
步骤4：判定结构是否在正常工作范围内振动，以及是否有发生共振的可能。
6.根据权利要求5所述的基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其特征在于：步骤1中，利用PHWE测风仪测得实时风速风向，利用脉动风力函数得到工作频率ω。
7.根据权利要求5所述的基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其特征在于：步骤2中，利用双目视觉技术，将三维实体测量靶标位置投影到双目识别位移监测系统(4)的左右相机二维图像之中，随后采用基于立体视觉的3D重建，获取测量靶标靶点的三维坐标；根据某一时刻所有测量靶标靶点的坐标，模拟出输电塔导线测点的实时位置得到空间位移函数si；根据某一时间段不同时刻的输电塔和输电塔导线所有测量靶标靶点的坐标，模拟出输电塔导线测点在特定频率ωf位移阻抗Zf。
8.根据权利要求5所述的基于机器双目视觉系统的输电导线风致振动模态测量方法，其特征在于：步骤3中，计算幅值A是否超过结构正常工作幅值A0，以了解振幅是否影响结构正常工作；并判断工作频率ω是否落在模态固有频率的半功率带宽之内，判断输电导线是否有发生共振的危险。
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