CN108267782B - 基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统及方法，该系统为采用了基于机器视觉技术以及数值解析技术获取地表绝对位移的设备，相比于采用加速度积分获取的地表位移精度更高，有效的防止了基线漂移现象。相比于常规的物理、机械式位移测试技术亦具有有效消除由于接触而产生的测试误差以及机械间相互摩擦等优点，同时具有较强的抗电磁干扰能力，稳定性好，且多个识别标靶可以对地表位移数据进行校正，以获得更精确的结果。

Description

基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统及方法

技术领域

本发明属于地球物理技术领域，具体涉及一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统及方法。

背景技术

地震过程中的地面运动问题一直是地震工程领域的重点问题，特别是大的地表位移对地表建筑物将造成很大的破坏。强地面运动观测是认识强地震动特征的主要手段。现阶段，地震过程中测量的物理量主要是直接与地震力相关的加速度。理论上由加速度时程积分可得到速度时程，再次积分得到位移时程。然而由于各种原因，最典型的情形为地面倾斜、存在永久位移等，会带来测试加速度的漂移，积分获取的速度时程和位移时程都不准确，甚至不可用。为了进一步了解震源和断层方面的特性，位移是相当关键的信息。近几年测震方面的前沿研究开始引入陀螺仪、GPS等设备来测量地震动的旋转分量。但陀螺仪和加速计类似都存在基线漂移问题，GPS技术存在缺少方位信息，更新频率低的问题。要更深入的认识地面运动的各种特性以及更详尽的反演震源和断层信息，必须突破现有的地面运动观测方法，迫切需要一种设计相对简单，能够提供地震过程中精度更高的绝对位移数据的仪器。但是，如今国内外尚未有这种针对地震，能够精确测量地震持续过程中地表绝对位移的传感器。

其次，城市的大规模发展使得现在已建成的城市监控数量巨大，采用城市监控摄像的视频文件数据获取地表绝对位移是理论可行，经济可观，发展持续的观测方法，成套设备也将实现地表绝对位移的实际测试。

发明内容

本发明的目的是针对在地震持续过程中，目前尚没有适用于测量地表绝对位移的传感器的现状，提供一种基于机器视觉与数值解析相结合的地表绝对位移测试系统及方法。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统，该系统包括设于地表上的杆件组件、设于所述杆件组件上的云台、设于所述云台上的摄像设备及与所述摄像设备通信的服务器，所述服务器内设有：

非接触式位移测试单元：用于实时接受摄像设备传输的视频数据，并根据接收的视频数据计算云台的绝对位移与地表绝对位移差；

数值解析单元：基于数值解析方法迭代获取地表绝对位移。

进一步的改进，所述非接触式位移测试单元包括：

数据接收模块，用于实时接受摄像设备传输的视频数据；

第一计算模块，用于根据接收的视频数据计算△u₁，△u₁＝u-u_g，其中，u为摄像设备所在云台的绝对位移，u_g为地表绝对位移；

进一步的改进，所述数值解析单元包括：

第二计算模块，用于根据输入的值，采用数值解析方法计算△u₂；

第三计算模块，用于计算容差ε，ε＝|△u₁-△u₂|；

比对判断模块，用于将容差ε与设定阈值ε₁进行比对，当ε≤ε₁时，判断震动全过程中测量的u_g为真，当ε＞ε₁时，向第二计算模块和第三计算模块发送计算指令，直至判断u_g为真。

进一步的改进，根据如下公式计算△u₂：

其中，m表示单自由度体系质量，k表示体系刚度，ω表示体系自振参数，h表示阻尼系数，表示输入震动，u分别表示杆件顶部位置的加速度、速度及位移，t表示震动时间，d_τ表示时间积分项，c表示阻尼比，τ表示时间增量。

进一步的改进，所述杆件组件包括竖直设于地表且位于同一竖直线上的若干钢管，相邻两个所述钢管通过嵌套管相连。

进一步的改进，所述摄像设备包括设于所述杆件组件顶端的云台和设于所述云台上的摄像机。

进一步的改进，所述地表上设有识别标靶；优选地，所述服务器内还设有UPS供电单元。

本发明另一方面提供一种一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试方法，该方法包括如下步骤：

S1：实时接受摄像设备传输的视频数据，并根据接收的视频数据计算云台的绝对位移与地表绝对位移差；

S2：基于数值解析方法迭代获取地表绝对位移。

进一步的改进，步骤S1具体方法为：

S11：实时接受摄像设备传输的视频数据；

S12：根据接收的视频数据计算△u₁，△u₁＝u-u_g，其中，u为摄像设备所在云台的绝对位移，u_g为地表绝对位移。

进一步的改进，步骤S2具体方法为：

S13：根据输入的值，采用数值解析方法计算△u₂；

S14：计算容差ε，ε＝|△u₁-△u₂|；

S15：将容差ε与设定阈值ε₁进行比对，当ε≤ε₁时，判断震动全过程中测量的u_g为真，当ε＞ε₁时，重复步骤S13-S15，直至u_g为真。

进一步的改进，根据如下公式计算△u₂：

其中，m表示单自由度体系质量，k表示体系刚度，ω表示体系自振参数，h表示阻尼系数，表示输入震动，u分别表示杆件顶部位置的加速度、速度及位移，t表示震动时间，d_τ表示时间积分项，c表示阻尼比，τ表示时间增量。

本发明的有益效果如下：本发明提供一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统及方法，该系统为采用了基于机器视觉技术以及数值解析技术获取地表绝对位移的设备，相比于采用加速度积分获取的地表位移精度更高，有效的防止了基线漂移现象。相比于常规的物理、机械式位移测试技术亦具有有效消除由于接触而产生的测试误差以及机械间相互摩擦等优点，同时具有较强的抗电磁干扰能力，稳定性好，且多个识别标靶可以对地表位移数据进行校正，以获得更精确的结果。本发明不仅填补了目前尚没有适用于地震作用期间测量地表绝对位移仪器的空白，而且为反演地球深部震源和断层信息、认识地面运动的各种特性的研究工作提供了更高精度，更大范围的数据。本发明设计巧妙，组成结构简单，对其他工程振动测试领域也有很好的启发作用，真正实现所测即所得的地表绝对位移测试。

附图说明

图1为实施例1基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统的结构示意图；

图2为实施例1服务器的结构框图；

图3为实施例2基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统的结构示意图；

图4为实施例2服务器的结构框图；

图5为实施例3服务器的结构框图；

图6为实施例4基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试方法的流程图；

图7为实施例5基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试方法的流程图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统，该系统包括设于地表上的杆件组件、设于所述杆件组件上的云台1、设于所述云台1上的摄像设备2及与所述摄像设备2通信的服务器3，如图2所示，所述服务器3内设有：

非接触式位移测试单元31：用于实时接受摄像设备传输的视频数据，并根据接收的视频数据计算云台的绝对位移与地表绝对位移差；

数值解析单元32：基于数值解析方法迭代获取地表绝对位移。

需要说明的是，所述杆件组件包括竖直设于地表且位于同一竖直线上的若干钢管4，相邻两个所述钢管4通过嵌套管5相连。

本发明提供一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统，其中摄像设备实时采集视频信号，并通过数据线进行视频实时传输至服务器中，通过服务器内嵌的非接触式位移测试单元、数值解析单元对视频文件进行分析并通过数值迭代获取地表绝对位移。相比于采用加速度积分获取的地表位移精度更高，有效的防止了基线漂移现象。相比于常规的物理、机械式位移测试技术亦具有有效消除由于接触而产生的测试误差以及机械间相互摩擦等优点，同时具有较强的抗电磁干扰能力，稳定性好，且多个识别标靶可以对地表位移数据进行校正，以获得更精确的结果。

实施例2

本发明实施例2提供的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统与实施例1不同的是，如图3所示，所述系统包括设于所述地表上的振荡台6，所述杆件组件设于所述振荡台6上，所述振荡台6和所述地表上均设有识别标靶7；如图4所示，所述服务器内还设有UPS供电单元。所述识别标靶固定于地表，其对主标靶圆识别数据进行校正，以得到精度更高的位移数据。服务器内置UPS电源，地震发生过程中如遇到断电，UPS电源可持续供电进而保证传感器的正常工作。

实施例3

本发明实施例3提供的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统与实施例1不同的是，如图5所示，所述非接触式位移测试单元包括：

数据接收模块33，用于实时接受摄像设备传输的视频数据；

第一计算模块34，用于根据接收的视频数据计算△u₁，△u₁＝u-u_g，其中，u为摄像设备所在云台的绝对位移，u_g为地表绝对位移；

所述数值解析单元包括：

第二计算模块35，用于根据输入的值，采用数值解析方法计算△u₂；根据如下公式计算△u₂：

其中，m表示单自由度体系质量，k表示体系刚度，ω表示体系自振参数，h表示阻尼系数，表示输入震动，u分别表示杆件顶部位置的加速度、速度及位移，t表示震动时间，d_τ表示时间积分项，c表示阻尼比，τ表示时间增量；

第三计算模块36，用于计算容差ε，ε＝|△u₁-△u₂|；

比对判断模块37，用于将容差ε与设定阈值ε₁进行比对，当ε≤ε₁时，判断震动全过程中测量的u_g为真，当ε＞ε₁时，向第二计算模块和第三计算模块发送计算指令，直至判断u_g为真。

将本发明提供的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统简化为单自由度质点-弹簧体系，利用有限元软件对此模型进行地震激励。根据构件实际性质及材料特点可获取杆件系统的自振特性(结构体系的刚度与阻尼比)，通过输入种子地震动进行计算获取杆件系统顶底相对位移的解析时程，并与基于视觉系统测试获取的顶底相对位移进行对比、分析、迭代，不断优化输入地震动及位移数据，当相对位移容差小于设定容差时，输出地表较为精确的绝对位移及加速度数据。

实施例4

本发明实施例4提供一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试方法，如图6所示，该方法包括如下步骤：

S1：实时接受摄像设备传输的视频数据，并根据接收的视频数据计算云台的绝对位移与地表绝对位移差；

S2：基于数值解析方法迭代获取地表绝对位移。

本发明提供一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试方法，其中摄像设备实时采集视频信号，并通过数据线进行视频实时传输至服务器中，通过服务器内嵌的非接触式位移测试单元、数值解析单元对视频文件进行分析并通过数值迭代获取地表绝对位移。相比于采用加速度积分获取的地表位移精度更高，有效的防止了基线漂移现象。相比于常规的物理、机械式位移测试技术亦具有有效消除由于接触而产生的测试误差以及机械间相互摩擦等优点，同时具有较强的抗电磁干扰能力，稳定性好，且多个识别标靶可以对地表位移数据进行校正，以获得更精确的结果。

实施例5

本发明实施例5提供的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试方法与实施例4不同的是，如图7所示，所述方法具体为：

S11：实时接受摄像设备传输的视频数据；

S12：根据接收的视频数据计算△u₁，△u₁＝u-u_g，其中，u为摄像设备所在云台的绝对位移，u_g为地表绝对位移；

S13：根据输入的值，采用数值解析方法计算△u₂；根据如下公式计算△u₂：

其中，m表示单自由度体系质量，k表示体系刚度，ω表示体系自振参数，h表示阻尼系数，表示输入震动，u分别表示杆件顶部位置的加速度、速度及位移，t表示震动时间，d_τ表示时间积分项，c表示阻尼比，τ表示时间增量；

S14：计算容差ε，ε＝|△u₁-△u₂|；

S15：将容差ε与设定阈值ε₁进行比对，当ε≤ε₁时，判断震动全过程中测量的u_g为真，当ε＞ε₁时，重复步骤S13-S15，直至u_g为真。

本发明提出的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试方法简化为单自由度质点-弹簧体系测试方法，利用有限元软件对此模型进行地震激励。根据构件实际性质及材料特点可获取杆件系统的自振特性(结构体系的刚度与阻尼比)，通过输入种子地震动进行计算获取杆件系统顶底相对位移的解析时程，并与基于视觉系统测试获取的顶底相对位移进行对比、分析、迭代，不断优化输入地震动及位移数据，当相对位移容差小于设定容差时，输出地表较为精确的绝对位移及加速度数据。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统，其特征在于，所述系统包括设于地表上的杆件组件、设于所述杆件组件上的云台、设于所述云台上的摄像设备及与所述摄像设备通信的服务器，所述服务器内设有：

非接触式位移测试单元：用于实时接受摄像设备传输的视频数据，并根据接收的视频数据计算云台的绝对位移与地表绝对位移差；

所述非接触式位移测试单元包括：

数据接收模块，用于实时接受摄像设备传输的视频数据；

第一计算模块，用于根据接收的视频数据计算△u₁，△u₁＝u-u_g，其中，u为摄像设备所在云台的绝对位移，u_g为地表绝对位移；

数值解析单元：基于数值解析方法迭代获取地表绝对位移；

所述数值解析单元包括：

第二计算模块，用于根据输入的值，采用数值解析方法计算△u₂；

根据如下公式计算△u₂：

其中，m表示单自由度体系质量，k表示体系刚度，ω表示体系自振参数，h表示阻尼系数，表示输入震动，u分别表示杆件顶部位置的加速度、速度及位移，t表示震动时间，d_τ表示时间积分项，c表示阻尼比，τ表示时间增量；

第三计算模块，用于计算容差ε，ε＝|△u₁-△u₂|；

比对判断模块，用于将容差ε与设定阈值ε₁进行比对，当ε≤ε₁时，判断震动全过程中测量的u_g为真，当ε＞ε₁时，向第二计算模块和第三计算模块发送计算指令，直至判断u_g为真。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统，其特征在于，所述杆件组件包括竖直设于地表且位于同一竖直线上的若干钢管，相邻两个所述钢管通过嵌套管相连。

3.如权利要求1所述的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统，其特征在于，所述地表上设有识别标靶。

4.如权利要求3所述的基于机器视觉与数值解析的地表绝对位移测试系统，其特征在于，所述服务器内还设有UPS供电单元。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的系统进行地表绝对位移测试的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：实时接受摄像设备传输的视频数据，并根据接收的视频数据计算云台的绝对位移与地表绝对位移差；

步骤S1具体方法为：

S11：实时接受摄像设备传输的视频数据；

S12：根据接收的视频数据计算△u₁，△u₁＝u-u_g，其中，u为摄像设备所在云台的绝对位移，u_g为地表绝对位移；

S2：基于数值解析方法迭代获取地表绝对位移；

步骤S2具体方法为：

S13：根据输入的值，采用数值解析方法计算△u₂；

根据如下公式计算△u₂：

其中，m表示单自由度体系质量，k表示体系刚度，ω表示体系自振参数，h表示阻尼系数，表示输入震动，u分别表示杆件顶部位置的加速度、速度及位移，t表示震动时间，d_τ表示时间积分项，c表示阻尼比，τ表示时间增量；

S14：计算容差ε，ε＝|△u₁-△u₂|；

S15：将容差ε与设定阈值ε₁进行比对，当ε≤ε₁时，判断震动全过程中测量的u_g为真，当ε＞ε₁时，重复步骤S13-S15，直至u_g为真。