CN107121250A - 一种输电塔及输电线模态内共振分析系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输电塔及输电线模态内共振分析系统及方法，系统包括输电塔测量靶标、输电线测量靶标、输电塔双目识别监系统、输电线双目识别系统；首先在输电塔和输电线的特定点位置设置好靶标，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；计算机中的图像处理软件根据两个相邻靶点之间距离的变化计算出电塔位移的瞬时变化，进而得到输电塔‑输电线的振动模态。本发明有良好的操作性及稳定性，并具有高采样率、高精度、非接触及实时性采集等优点，能够实现对电塔振动有效监控，从而为研究输电塔的风致倒塌的研究提供依据，优化往后的结构设计。

Description

一种输电塔及输电线模态内共振分析系统及方法
技术领域
本发明属于结构健康监测领域，具体涉及一种利用双目视觉位移监测系统分析输电塔-线模态内共振的方法。
背景技术
近年来，输电塔在强风作用下倒塌的事故时有发生，给人民的生命和财产造成了极大的威胁。但是由于输电塔和输电塔线在风荷载作用下的耦合作用，研究人员很难对输电塔的破坏情况进行判断，其中一种便是由于塔-线耦联体内共振破坏，缺乏有效的监测技术也就无法提出有效的解决输电塔倒塌的措施。
由于输电塔-线结构现场环境的局限，运用传统的传感器如加速度传感器、位移传感器、激光传感器或者全球定位系统等，已经满足不了对输电塔-线结构动态位移监测的要求，因而也无法准确获取结构振动模态。常规图像处理技术通过灵活组合多种图像处理算法可完成各种场景运动图像的分析和信息的提取，然而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、方便地分析塔-线耦合结构是否会发生内共振，需要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，以获取塔线耦合模态来进行塔-线耦合结构内共振分析。
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分析输电塔-线共振的方法。
本发明的系统所采用的技术方案是：一种输电塔及输电线模态内共振分析系统，其特征在于：包括输电塔测量靶标、输电线测量靶标、输电塔双目识别监系统、输电线双目识别系统；
所述输电塔测量靶标若干，根据需要设置在输电塔上；所述输电线测量靶标若干，根据需要设置在输电线上；
所述输电塔双目识别监系统包括两个高速摄像机，两个高速摄像机布置在输电塔下方，用于获取输电塔测量靶标的三维坐标；
所述输电线双目识别系统包括两个高速摄像机，两个高速摄像机布置在输电线下方，用于获取输电线测量靶标的三维坐标；
四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，计算输电塔或输电线在不同风速和风向下的振动模态，评估结构是否有发生内共振的风险。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种输电塔及输电线模态内共振分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取实时风速风向；
步骤2：计算舞动后输电线和振动后输电塔的耦合模态的频响函数；
步骤3：假定输电塔-输电线结构模型的阻尼为粘性比例阻尼对结构进行简化，则整个模态的模态矢量能进行正交性对角化，从而将测试过的耦合的模态进行解耦，分别得到解耦后输电塔的幅频曲线和输电线的幅频曲线；
步骤4：根据输电塔和输电线的幅频曲线评估结构是否有发生内共振的风险。
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，能够实现对输电塔-线耦联体在不同风速和风向情况下的动态位移和变形的有效监控；
2、输电塔风致振型复杂、难以计算，该系统利用图像处理软件能够准确读取同一时刻所有靶标的三维坐标，利用相应算法和动力学原理推算出输电塔、输电线在不同风速和风向下的振动模态，从而分析输电塔-线内共振的研究提供依据；
3、该方法能够对输电塔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为本发明实施例的系统示意图；
图2为本发明实施例的方法流程图；
图3为本发明实施例的解耦后输电塔的幅频曲线和导线的幅频曲线图；
图4为本发明实施例的不发生内共振的幅频曲线；
图5为本发明实施例的有一定概率发生内共振的幅频曲线；
图6为本发明实施例的极可能发生内共振的幅频曲线；
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，本发明提供的一种输电塔及输电线模态内共振分析系统，包括输电塔测量靶标1、输电线测量靶标2、输电塔双目识别监系统7、输电线双目识别系统8；输电塔测量靶标1若干，根据需要设置在输电塔5上；输电线测量靶标2若干，根据需要设置在输电线3上；输电塔双目识别监系统7包括两个高速摄像机，两个高速摄像机布置在输电塔5下方，用于获取输电塔测量靶标1的三维坐标；输电线双目识别系统8包括两个高速摄像机，两个高速摄像机布置在输电线3下方，用于获取输电线测量靶标2的三维坐标；四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的三维坐标，计算输电塔5或输电线3在不同风速和风向下的振动模态，评估结构是否有发生内共振的风险。
本实施例的高速摄像机的帧数为1000～1500帧/s，风速风向测量装置为PHWE测风仪。
请见图2，本实施例提供的一种输电塔及输电线模态内共振分析方法，包括以下步骤：
步骤1：利用PHWE测风仪进行风速风向测试；
步骤2：在输电塔-输电线体系的下方布置两个高速摄像机，利用输电塔双目识别监系统7、输电线双目识别系统8以及在输电塔5上输电塔测量靶标1的和输电线3上的输电线测量靶标2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)，得到舞动后输电线4和振动后输电塔6的耦合模态的频响函数；
步骤3：假定整个结构模型的阻尼为粘性比例阻尼对结构进行简化，因此整个模态的模态矢量可以进行正交性对角化，从而可以将测试过的耦合的模态进行解耦，分别得到解耦后输电塔的幅频曲线和导线的幅频曲线，如图3所示；
步骤4：绘制输电塔的幅频曲线与导线的幅频曲线在同一坐标轴下，根据解耦后输电塔和输电线模态半功率带宽相互覆盖关系判定结构是否有发生内共振的风险：
ωt为由频响函数得到的输电塔固有频率，ωl为由频响函数得到的导线固有频率。
如图4所示，若且则表明输电塔模态频率和导线模态频率均不落在相互半功率带宽内，此时结构不发生内共振。
如图5所示，若或输电塔模态频率和导线模态频率其一落在相互半功率带宽内，结构有一定概率发生内共振。
如图6所示，若且输电塔模态频率和导线模态频率均落在相互半功率带宽内，结构极可能发生内共振。
尽管本说明书较多地使用了输电塔测量靶标1、输电线测量靶标2、输电线3、舞动后输电线4、输电塔5、振动后输电塔6、输电塔双目识别监系统7、输电线双目识别系统8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 (6)

1.一种输电塔及输电线模态内共振分析系统，其特征在于：包括输电塔测量靶标(1)、输电线测量靶标(2)、输电塔双目识别监系统(7)、输电线双目识别系统(8)；
所述输电塔测量靶标(1)若干，根据需要设置在输电塔(5)上；所述输电线测量靶标(2)若干，根据需要设置在输电线(3)上；
所述输电塔双目识别监系统(7)包括两个高速摄像机，两个高速摄像机布置在输电塔(5)下方，用于获取输电塔测量靶标(1)的三维坐标；
所述输电线双目识别系统(8)包括两个高速摄像机，两个高速摄像机布置在输电线(3)下方，用于获取输电线测量靶标(2)的三维坐标；
四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(5)和输电线(3)在不同风速和风向下的振动模态，评估结构是否有发生内共振的风险。
2.根据权利要求1所述的输电塔及输电线模态内共振分析系统，其特征在于：所述高速摄像机的帧数为1000～1500帧/s。
3.根据权利要求1所述的输电塔及输电线模态内共振分析系统，其特征在于：所述风速风向测量装置为PHWE测风仪。
4.一种输电塔及输电线模态内共振分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取实时风速风向；
步骤2：计算舞动后输电线(4)和振动后输电塔(6)的耦合模态的频响函数；
步骤3：假定输电塔-输电线结构模型的阻尼为粘性比例阻尼对结构进行简化，则整个模态的模态矢量能进行正交性对角化，从而将测试过的耦合的模态进行解耦，分别得到解耦后输电塔的幅频曲线和输电线的幅频曲线；
步骤4：根据输电塔和输电线的幅频曲线评估结构是否有发生内共振的风险。
5.根据权利要求4所述的输电塔及输电线模态内共振分析方法，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输电塔双目识别监系统(7)或输电线双目识别系统(8)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，模拟出输电塔特定点或输电线特定点的实时位置得到空间位移函数，进一步将某一时间段不同时刻的输电塔和输电线进行动态模拟，利用计算机得到耦合模态的频响函数。
6.根据权利要求4所述的输电塔及输电线模态内共振分析方法，其特征在于：步骤4中，绘制输电塔的幅频曲线与输电线的幅频曲线在同一坐标轴下，根据解耦后输电塔和输电线模态半功率带宽相互覆盖关系判定结构是否有发生内共振的风险。
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