CN109580169B - 一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，克服现有应变片测量方法的局限性。该系统包括左水下振动台视频测量装置和右水下振动台视频测量装置；左水下振动台视频测量装置包括测试桁架、过渡旋转装置、前侧相机光源组件和后侧相机光源组件；过渡旋转装置包括伺服电机、回转轴承、安装基座、旋转支架；伺服电机设置在安装基座上，且输出轴上设置有过渡齿轮，回转轴承的内圈固定设置在安装基座上，回转轴承的外圈齿轮与过渡齿轮啮合；前侧相机光源组件包括光源安装基板、右外侧光源模块、右内侧光源模块、左内侧光源模块、左外侧光源模块、相机固定支架、相机可调支架、左密封相机安装模块和右密封相机安装模块。

Description

一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统

技术领域

本发明涉及一种水下测量装置，具体涉及一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统。

背景技术

在大型工程结构的安全性和可靠性研究中，通过水下模拟地震的振动台来进行波浪、水流耦合地震激励下大型工程结构的动力试验，从而研究大型土木、水利和海洋工程及其基础设施的地震灾害过程及结构受地震、波浪、海流等复杂动力效应的影响程度。在动力试验过程中，最常用的测量手段是在被测试验件上贴应变片，来获取试验件的位移和应变。但应变片测量时需要进行清洗、打磨、粘贴工作，且应变片无法重复使用，每次测量都需重新粘贴应变片。此外，在水下应用时，还需对应变片进行防护处理，耗时耗力。

发明内容

本发明提供一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，克服现有应变片测量方法的局限性，使其可应用于水下各类工程的测量领域。

本发明的技术方案是：

一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，包括左水下振动台视频测量装置和右水下振动台视频测量装置，所述左水下振动台视频测量装置和右水下振动台视频测量装置均至少为一组，且结构相同；所述左水下振动台视频测量装置包括测试桁架、过渡旋转装置、前侧相机光源组件和后侧相机光源组件；所述过渡旋转装置通过测试桁架固定安装，所述前侧相机光源组件和后侧相机光源组件结构相同，分别设置在过渡旋转装置的两端；所述过渡旋转装置包括伺服电机、回转轴承、安装基座、旋转支架；所述安装基座与测试桁架固定连接；所述伺服电机设置在安装基座上，且输出轴上设置有过渡齿轮，所述回转轴承的内圈固定设置在安装基座上，所述回转轴承的外圈齿轮与旋转支架固定连接，且外圈齿轮与过渡齿轮啮合；所述前侧相机光源组件包括光源安装基板、右外侧光源模块、右内侧光源模块、左内侧光源模块、左外侧光源模块、相机固定支架、相机可调支架、左密封相机安装模块和右密封相机安装模块；所述相机固定支架与旋转支架固定连接，所述光源安装基板与旋转支架固定连接；所述右外侧光源模块、右内侧光源模块设置在光源安装基板的右侧，所述左内侧光源模块、左外侧光源模块设置在光源安装基板的左侧；所述相机可调支架包括竖直安装板、左侧相机安装板和右侧相机安装板，所述竖直安装板设置在相机固定支架上，且其位置可调；所述左密封相机安装模块与左侧相机安装板固定连接，所述右密封相机安装模块与右侧相机安装板固定连接。

进一步地，所述左密封相机安装模块和右密封相机安装模块结构相同，所述左密封相机安装模块包括相机固定板、水下密封高速相机、相机交汇角度调整板；所述水下密封高速相机通过连接螺栓与相机固定板上的腰形孔连接，所述相机交汇角度调整板与相机固定板固定连接，并且左侧相机安装板通过连接螺栓与相机交汇角度调整板上的腰形孔连接。

进一步地，所述左密封相机安装模块还包括相机固定卡箍，所述相机固定卡箍为U型结构，所述相机固定板、水下密封高速相机位于相机固定卡箍内，且通过相机固定卡箍上方的螺栓紧顶相机固定板和水下密封高速相机。

进一步地，所述右外侧光源模块、右内侧光源模块、左内侧光源模块和左外侧光源模块结构相同；所述右外侧光源模块包括光源固定板、中间螺柱、光源安装板、至少一组光源调整环、至少一组第一光源；所述中间螺柱的上端穿过光源安装基板的腰形孔和光源固定板后通过螺栓固定，下端与光源安装板固定连接，所述光源调整环的上端通过螺栓与光源安装板上的腰形孔连接，下端与第一光源螺纹连接。

进一步地，所述光源调整环、第一光源均为三组。

进一步地，所述测试桁架由钢管和钢板焊接而成，其一端通过膨胀螺钉与深水池的内侧墙体固连，另一端设有人梯。

进一步地，所述安装基座与测试桁架通过连接组件连接，所述连接组件包括右定位槽钢、左定位槽钢、四个完全相同的定位卡箍和连接杆；所述连接杆的上端通过定位卡箍与测试桁架连接，所述连接杆的下端的与安装基座固定连接，所述右定位槽钢分别与两个定位卡箍连接，所述左定位槽钢分别与其他两个定位卡箍连接；

进一步地，所述相机可调支架上设置有多个安装孔，所述相机固定支架上设置有腰形孔，连接螺栓穿过安装孔和腰形孔将相机可调支架和相机固定支架连接。

进一步地，所述定位卡箍上还设置有锁紧螺钉孔，锁定螺钉穿过锁紧螺钉孔对定位卡箍和钢管进行固定。

进一步地，所述连接杆与安装基座的连接孔为腰形孔。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明系统克服了现有的通过贴应变片进行水下测量的缺点，基于双目视觉原理，首次提出可应用于水下振动模拟试验系统的圆周测量装置，通过相机标定、算法处理和PLC伺服电机控制能够实现一键自动测量，与传统测量方法相比，大大缩短测量时间，提高测量效率。

2.本发明系统为水下密封相机预留了足够的空间位置调整量，可实现水下密封相机垂直高度、两双目相机水平间距和相机交汇角度的调整，便于针对不同试验件来调整相机视场。

3.为弥补水下光照不足，图像质量不高，本发明系统提出水下光源补光方案。在水下振动台振动和造浪机工作时，水面会有浪花和水纹，光源布置在水面上，会使被测目标物上有不均匀晃动的光线，影响测量精度。本发明将光源布置在水下，水下的水体晃动较小，光照会更加均匀，同时距离目标物近，光照也能满足水下成像要求。

4.本发明系统为水下光源的空间位置预留调整量，能够实现水下光源垂直高度、与相机水平间距、光源间的水平间距和光源倾斜角度的调整，便于在试验时，调整光照强度，同时避免水下光源结构件进入相机视场，影响测量。

附图说明

图1为本发明水下地震模拟双振动台系统的结构示意图；

图2为本发明左水下振动台视频测量装置结构示意图；

图3为本发明过渡旋转装置结构示意图；

图4为本发明安装基座与定位卡箍结构示意图；

图5为本发明前侧相机光源组件结构示意图；

图6为本发明相机可调支架结构示意图；

图7为本发明左密封相机安装模块结构示意图；

图8为本发明右外侧光源模块结构示意图。

附图标记：1-X向造浪机，2-左振动台，3-左密封气囊，4-左水下振动台视频测量装置，5-深水池，6-右密封气囊，7-右振动台，8-Y向造浪机，9-右水下振动台视频测量装置，10-反力墙，11-测试桁架，12-过渡旋转装置，13-前侧相机光源组件，14-后侧相机光源组件，111-定位卡箍，112-锁紧螺钉孔，115-右定位槽钢，116-左定位槽钢，117-伺服电机，118-回转轴承，119-安装基座，120-旋转支架，122-连接杆，130-光源安装基板，131-右外侧光源模块，132-右内侧光源模块，133-左内侧光源模块，134-左外侧光源模块，135-相机固定支架，136-相机可调支架，137-左密封相机安装模块，138-右密封相机安装模块，140-光源固定板，141-中间螺柱，144-光源安装板，145-光源调整环，146-第一光源，151-固定板，152-相机固定卡箍，153-水下密封高速相机，154-相机交汇角度调整板，160-竖直安装板，161-左侧相机安装板，162-右侧相机安装板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，该系统可实现绕水下振动台圆周旋转的高频拍摄，通过视频图像算法处理可以对水下振动台圆周气囊密封圈和水下振动台上试验件的位移和应变进行非接触测量，可应用于建工和水利行业各类水下振动台试验系统。为充分调整相机视场大小和水下光源的照度，实现对振动过程中不同试验件及运动密封气囊的测量，本发明系统中双相机的垂直高度、水平间距及交汇角度均可调节，水下光源的垂直高度、倾斜角度、与相机的水平间距及同排任意两个光源的水平间距均可调节；并且，通过PLC控制电机旋转，自动完成水下振动台圆周高频拍摄，获取被测目标物试验过程图像。

如图1所示，水下地震模拟双振动台系统由X向造浪机1、左振动台2、左密封气囊3、左水下振动台视频测量装置4、深水池5、右密封气囊6、右振动台7、Y向造浪机8、右水下振动台视频测量装置9和反力墙10组成。深水池5用于蓄水，搭建水下试验环境。左振动台2和右振动台7均为工程常用的水下三向六自由度地震模拟振动台，两个振动台可实现同步与异步控制。左密封气囊3用于保证左振动台2在水下的密封性能，右密封气囊6用于保证右振动台7在水下的密封性能。X向造浪机1和Y向造浪机8用于产生一定波高的规则波、随机波等水动力工况。反力墙10上均匀布置有安装孔，用于振动试验时安装固定支撑。左水下振动台视频测量装置4用于测量左振动台试验件和左密封气囊3的应变测量。右水下振动台视频测量装置9用于测量右振动台试验件和右密封气囊6的应变测量。左水下振动台视频测量装置4和右水下振动台视频测量装置9通过膨胀螺钉固定在深水池5的内侧墙上。因左水下振动台视频测量装置4与右水下振动台视频测量装置9功能和结构完全相同，并且均至少各一组，以左水下振动台视频测量装置4为例展开详细说明。

如图2所示，左水下振动台视频测量装置4主要由测试桁架11、过渡旋转装置12、前侧相机光源组件13、后侧相机光源组件14组成；过渡旋转装置12通过测试桁架11设置在深水池5上，前侧相机光源组件13和后侧相机光源组件14分别设置在过渡旋转装置12的两端。测试桁架11由标准钢管和钢板焊接而成，其一端通过膨胀螺钉与深水池5的内侧墙体固连，另一端布置人梯，方便人工对桁架上的测量系统进行安装和调整。

如图3、图4所示，过渡旋转装置12包括伺服电机117、回转轴承118、安装基座119、旋转支架120；安装基座119与测试桁架11固定连接，伺服电机117通过螺钉连接于安装基座119上侧，伺服电机117输出轴端连接有过渡齿轮。回转轴承118为工程中常用的大型回转轴承118，回转轴承118的内圈通过螺钉连接于安装基座119下侧，回转轴承118的外圈齿轮通过螺钉与旋转支架120连接。回转轴承118的内圈和外圈通过滚珠连接，在进行回转轴承118选型时，需根据其下端悬挂结构件重量，对滚珠强度进行选型。在运动时，脉冲控制伺服电机117运动，其输出轴过渡齿轮与回转轴承118的外圈齿轮通过齿轮传动带动回转轴承118外圈齿轮转动，从而带动旋转支架120转动。

安装基座119与测试桁架11具体可通过连接组件连接，连接组件包括右定位槽钢115、左定位槽钢116、四个完全相同的定位卡箍111和连接杆122；连接杆122的上端通过定位卡箍111与测试桁架11连接，连接杆122的下端的与安装基座119固定连接，右定位槽钢115分别与两个定位卡箍111连接，左定位槽钢116分别与其他两个定位卡箍111连接，右定位槽钢115、左定位槽钢116增加了四个定位卡箍111的刚度和承载能力。定位卡箍111和连接杆122通过12个螺钉与测试桁架11的钢管紧固连接，同时定位卡箍111设有4个锁紧螺钉孔112，锁定螺钉穿过锁紧螺钉孔112对定位卡箍111和钢管进行顶死，通过锁紧螺钉保证定位卡箍111和钢管之间相对位置固定。在进行水下振动试验测量时，需保证回转轴承118中心与水下振动台中心具有较高的重合度，所以将连接杆122与安装基座119的连接孔设置为腰形孔，便于现场安装时对回转轴承118中心位置进行调整。

如图5所示，前侧相机光源组件13与后侧相机光源组件14结构和功能完全相同，故以前侧相机光源组件13为例展开详细说明。前侧相机光源组件13主要由光源安装基板130、右外侧光源模块131、右内侧光源模块132、左内侧光源模块133、左外侧光源模块134、相机固定支架135、相机可调支架136、左密封相机安装模块137、右密封相机安装模块138组成。相机固定支架135通过焊接与旋转支架120连接，相机固定支架135竖直上开有四排腰形孔，光源安装基板130通过焊接与旋转支架120连接，右外侧光源模块131、右内侧光源模块132设置在光源安装基板130的右侧，左内侧光源模块133、左外侧光源模块134设置在光源安装基板130的左侧。

如图6所示的相机可调支架136，主要由竖直安装板160、左侧相机安装板161和右侧相机安装板162通过焊接而成。竖直安装板160上开有多排等间距的安装孔，可通过螺钉与相机固定支架135的四排的腰形孔锁定，并实现相机可调支架136在高度方向上的调整。左密封相机安装模块137与左侧相机安装板161固定连接，右密封相机安装模块138与右侧相机安装板162固定连接。

如图7所示，左密封相机安装模块137和右密封相机安装模块138结构和功能完全相同，故以左密封相机安装模块137为例展开说明。左密封相机安装模块137由相机固定板151、相机固定卡箍152、水下密封高速相机153、相机交汇角度调整板154组成。水下密封高速相机153通过螺钉与相机固定板151上的两排腰形孔连接，并通过腰形孔调节左、右相机的水平间距。相机固定卡箍152为U型结构，相机固定板151、水下密封高速相机153位于相机固定卡箍152内，且通过相机固定卡箍152上方的螺栓紧顶相机固定板151和水下密封高速相机153。相机固定卡箍152用于在水下造浪时对水下密封高速相机153的保护，以保证水下密封高速相机153与相机固定板151的连接可靠。相机固定卡箍152安装到位后，通过上方的两个螺栓紧顶相机固定板151，从而实现相机固定卡箍152的固定。相机交汇角度调整板154与相机固定板151固定连接，左密封相机安装模块137通过相机交汇角度调整板154与左侧相机安装板161连接，具体的，左侧相机安装板161通过连接螺栓与相机交汇角度调整板154上的腰形孔连接，左密封相机安装模块137能够在45度的范围内通过销轴实现转动，转动角度到位后，通过三个螺栓将其固定。通过上述方案可实现两个水下密封相机在垂直高度、水平间距和交汇角度上的调整，便于获取所选高速相机最大视场。

如图8所示，右外侧光源模块131、右内侧光源模块132、左内侧光源模块133和左外侧光源模块134的结构和功能相同，区别在于外侧的光源距离深水池5的池底距离更近。故以右外侧光源模块131为例展开说明。右外侧光源模块131由光源固定板140、中间螺柱141、光源安装板144、三组光源调整环145、三组第一光源146。

中间螺柱141的上端穿过光源安装基板130的腰形孔和光源固定板140后通过螺栓固定，中间螺柱141的上部是螺纹，可实现垂直方向的调整，高度调整后，通过上下双螺母将其与光源固定板140紧固，其下端通过螺钉与光源安装板144连接。光源安装板144上设有安装光源调整环145的腰形孔，通过螺钉与光源调整环145连接，光源调整环145通过两个螺钉分别与水下光源146连接，可实现水下光源倾斜角度的调整，调整倾斜角度后，拧紧螺钉，实现水下光源的固定。光源固定板140通过两侧的四个螺钉与光源安装基板130连接，并通过在光源安装基板130设有腰形孔来实现相机与光源的水平间距的调节。通过上述方案可实现水下光源在垂直高度、光源水平间距、倾斜角度及光源与相机水平间距的调整，便于获取最佳光照效果，获取更好质量的图像，提高测量精度。通过高速相机拍摄获取水下振动试验件和密封气囊的图像时，因高速相机的频率高于水下光源的发光频率，会拍出一暗一亮的照片，从而影响测量精度，故通过单侧设置两排同频率的灯进行补光，错开频率，减少暗光时间，提高拍摄图像质量。

通过水下振动台进行动力试验时，通过上述装置进行水下试验件及振动台密封气囊应变测量，光源安装基板130位于水面之上，光源模块(131、132、133、134)和密封相机安装模块(137、138)都位于水面之下。位于水下的所有机构件表面喷船壳漆，避免腐蚀。本发明装置基于双目视觉原理，通过在一个圆周布置对称了两组4台水下密封高速相机，每组布置了12个水下光源进行补光以获取高质量图像，并通过脉冲控制伺服电机117，使前侧相机光源组件13与后侧相机光源组件14各旋转180°，实现自动圆周旋转拍摄。本测量系统可根据被测目标物的大小，选择不同焦距的高速相机及镜头，调整相机距离被测目标物的远近、双目相机的水平间距及交汇角度，从而调整相机的视场，使其覆盖目标物的运动范围。并通过水下光源的调整量，使其光照强度满足测量需求，同时避免水下光源结构件进入相机视场，影响测量。

基于视觉的水下测量方法目前已经比较成熟，在专利申请“一种基于视觉的水下测量方法(20151102776.7)”中详细介绍了基于双目视觉利用获取的图像进行水下测量的方法。在圆周测量时，采用两个高速相机同时对同一目标物的同一位置进行拍摄，标记第一个图像为初始状态，拍摄被测目标物变形过程中或者运动过程中的连续图像，通过算法分析计算目标物位移或变形，实现高精度、非接触测量。

Claims (10)

1.一种基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：包括左水下振动台视频测量装置(4)和右水下振动台视频测量装置(9)，所述左水下振动台视频测量装置(4)和右水下振动台视频测量装置(9)均至少为一组，且结构相同；

所述左水下振动台视频测量装置(4)包括测试桁架(11)、过渡旋转装置(12)、前侧相机光源组件(13)和后侧相机光源组件(14)；所述过渡旋转装置(12)通过测试桁架(11)固定安装，所述前侧相机光源组件(13)和后侧相机光源组件(14)结构相同，分别设置在过渡旋转装置(12)的两端；

所述过渡旋转装置(12)包括伺服电机(117)、回转轴承(118)、安装基座(119)、旋转支架(120)；所述安装基座(119)与测试桁架(11)固定连接；所述伺服电机(117)设置在安装基座(119)上，且输出轴上设置有过渡齿轮，所述回转轴承(118)的内圈固定设置在安装基座(119)上，所述回转轴承(118)的外圈齿轮与旋转支架(120)固定连接，且外圈齿轮与过渡齿轮啮合；

所述前侧相机光源组件(13)包括光源安装基板(130)、右外侧光源模块(131)、右内侧光源模块(132)、左内侧光源模块(133)、左外侧光源模块(134)、相机固定支架(135)、相机可调支架(136)、左密封相机安装模块(137)和右密封相机安装模块(138)；

所述相机固定支架(135)与旋转支架(120)固定连接，所述光源安装基板(130)与旋转支架(120)固定连接；所述右外侧光源模块(131)、右内侧光源模块(132)设置在光源安装基板(130)的右侧，所述左内侧光源模块(133)、左外侧光源模块(134)设置在光源安装基板(130)的左侧；

所述相机可调支架(136)包括竖直安装板(160)、左侧相机安装板(161)和右侧相机安装板(162)，所述竖直安装板(160)设置在相机固定支架(135)上，且其位置可调；所述左密封相机安装模块(137)与左侧相机安装板(161)固定连接，所述右密封相机安装模块(138)与右侧相机安装板(162)固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述左密封相机安装模块(137)和右密封相机安装模块(138)结构相同，所述左密封相机安装模块(137)包括相机固定板(151)、水下密封高速相机(153)、相机交汇角度调整板(154)；所述水下密封高速相机(153)通过连接螺栓与相机固定板(151)上的腰形孔连接，所述相机交汇角度调整板(154)与相机固定板(151)固定连接，并且左侧相机安装板(161)通过连接螺栓与相机交汇角度调整板(154)上的腰形孔连接。

3.根据权利要求2所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述左密封相机安装模块(137)还包括相机固定卡箍(152)，所述相机固定卡箍(152)为U型结构，所述相机固定板(151)、水下密封高速相机(153)位于相机固定卡箍(152)内，且通过相机固定卡箍(152)上方的螺栓紧顶相机固定板(151)和水下密封高速相机(153)。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述右外侧光源模块(131)、右内侧光源模块(132)、左内侧光源模块(133)和左外侧光源模块(134)结构相同；

所述右外侧光源模块(131)包括光源固定板(140)、中间螺柱(141)、光源安装板(144)、至少一组光源调整环(145)、至少一组第一光源(146)；

所述中间螺柱(141)的上端穿过光源安装基板(130)的腰形孔和光源固定板(140)后通过螺栓固定，下端与光源安装板(144)固定连接，所述光源调整环(145)的上端通过螺栓与光源安装板(144)上的腰形孔连接，下端与第一光源(146)螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述光源调整环(145)、第一光源(146)均为三组。

6.根据权利要求5所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述测试桁架(11)由钢管和钢板焊接而成，其一端通过膨胀螺钉与深水池(5)的内侧墙体固连，另一端设有人梯。

7.根据权利要求6所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述安装基座(119)与测试桁架(11)通过连接组件连接，所述连接组件包括右定位槽钢(115)、左定位槽钢(116)、四个完全相同的定位卡箍(111)和连接杆(122)；

所述连接杆(122)的上端通过定位卡箍(111)与测试桁架(11)连接，所述连接杆(122)的下端的与安装基座(119)固定连接，所述右定位槽钢(115)分别与两个定位卡箍(111)连接，所述左定位槽钢(116)分别与其他两个定位卡箍(111)连接。

8.根据权利要求7所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述相机可调支架(136)上设置有多个安装孔，所述相机固定支架(135)上设置有腰形孔，连接螺栓穿过安装孔和腰形孔将相机可调支架(136)和相机固定支架(135)连接。

9.根据权利要求8所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述定位卡箍(111)上还设置有锁紧螺钉孔(112)，锁定螺钉穿过锁紧螺钉孔(112)对定位卡箍(111)和钢管进行顶死。

10.根据权利要求9所述的基于双目视觉的水下振动台视频测量系统，其特征在于：所述连接杆(122)与安装基座(119)的连接孔为腰形孔。