CN110068282B - 一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法。起重机械所处环境复杂，不易直接接触测量，需要检测人员登高粘贴人工非编码点，对检测人员的生命安全带来很大隐患。本发明如下：投射多个非编码点到起重机械主梁表面，并采用检校好的普通数码相机多摄站拍摄起重机主梁，将获得的主梁数字图像传送至计算机，运用图像处理技术和摄影侧量法获得非编码点三维信息，对非编码点进行筛选。选取主梁下边缘非编码点，并对其进行分区，通过区域内非编码点信息对区域边缘插值，使得各区域间的变化具有一定协调性，可高精度拟合主梁下梁曲线；最后对比在空载和加载下主梁曲线，获得该载重下起重机主梁各点处的变形量。

Description

一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法

技术领域

本发明属于工业测量技术领域，具体涉及一种基于摄影测量的起重机械1主梁变形检测装置及测量方法。

背景技术

摄影测量是一种测量精度高、检测速度快、非接触检测的技术，可以解决传统的起重机械主梁变形检测测量结果精度不高、量测速度慢等问题。传统摄影测量是通过粘贴非编码点到被测物体表面的方式来获得被测物体的三维信息。但起重机械所处环境复杂，不易直接接触测量，需要检测人员登高粘贴人工非编码点，对检测人员的生命安全带来很大隐患；且贴非编码点的数量有限，仅用有限的非编码点获得起重机械1主梁形状对精度影响很大；若粘贴大量非编码点到起重机表面，增加了人工操作量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测装置及检测方法。

本发明的具体步骤如下：

步骤一、在被测起重机械的支撑轴上粘贴坐标系标识。坐标系标识包括第一坐标系编码点、第二坐标系编码点和第三坐标系编码点。第一坐标系编码点、第三坐标系编码点的中心连线与第一坐标系编码点、第二坐标系编码点的中心连线相互垂直。以第一坐标系编码点的中心点为坐标原点，第一坐标系编码点、第二坐标系编码点的中心连线为X轴，第一坐标系编码点、第三坐标系编码点的中心连线为Z轴，建立空间直角坐标系。

步骤二、搭建投点设备。投点设备包括投点支架、投点仪安装组件和投点仪。投点仪安装组件包括伸缩杆、基块、翻转块和安装柱。伸缩杆的两端与投点支架、基块分别连接。翻转块与基块构成转动副。安装柱的底端与翻转块构成转动副。投点仪安装组件共有两个。两个投点仪安装组件分别位于投点支架的两侧。两个投点仪安装组件内的安装柱上均固定有投点仪。

投点仪内装有投影片。两张投影片上均设置有h个检测编码点和h个非编码点组，h≥2。h个检测编码点沿水平方向依次等距排列。一张投影片的h个检测编码点与h个非编码点组分别对应。每个非编码点组均由关于基准线对称两个非编码点阵组成。基准线为h个检测编码点的中心点连线。非编码点阵包括g列非编码点，g≥2。第一坐标系编码点、第二坐标系编码点、第三坐标系编码点及两片投影片上的所有检测编码点互不相同。

步骤三、将投点设备安装在地面上，并调节两个投点仪的方位角和俯仰角。启动两个投点仪，在被测起重机械的主梁上投射出两个投点区域。每个投点区域内均含有五个检测编码点和检测编码点下方的二十五列非编码点。投射在起重机械主梁上，且圆心位于起重机械主梁下边缘以上的非编码点为有效非编码点。

步骤四、用摄像机的f个摄影点分别对被测起重机械进行拍摄，f≥2，得到f张被测照片。

步骤五、将步骤四所得f张被测照片导入计算机。计算机通过图像处理分别获取f张被测照片上各检测编码点及非编码点的像点坐标。将每列有效非编码点中最靠近起重机械主梁下边缘的那个有效非编码点作为控制点，每个投点区域各得到二十五个控制点。

根据第一坐标系编码点、第二坐标系编码点及第三坐标系编码点在空间直角坐标系中的坐标以及所有被测照片上检测编码点及控制点的像点坐标，通过近景摄影测量法确定所有控制点在空间直角坐标系中的坐标。

步骤六、拟合出起重机械主梁下边缘曲线。

6-1.分别通过最小二乘法对每个非编码点组内的各控制点进行二项式拟合，得到2h条初级二项式曲线。对所得的2h条初级二项式曲线进行排序。第一个投点区域内的h条初级二项式曲线为第1至h条初级二项式曲线。第二个投点区域内的h条初级二项式曲线为第h+1至2h条初级二项式曲线。

6-2.将1赋值给i。

6-3.在第i条初级二项式曲线与第i+1条初级二项式曲线之间插入n个离散点a_i,1和n个离散点a_i,2。n个离散点a_i,1与n个离散点a_i,2在X轴方向上分别对齐。n个离散点a_i,1的坐标均符合第i条初级二项式曲线对应的函数式。n个离散点a_i,2的坐标均符合第i+1条初级二项式曲线对应的函数式。将n个离散点a_i,1与n个离散点a_i,2的Z轴坐标值分别求差。分别取所得差值小于或等于阈值s₁的离散点a_i,1与对应离散点a_i,2之间的任意一点作为拟合离散点，得到多个拟合离散点。之后进入步骤6-4。

6-4.若i＜2h-1且i≠h-1，则将i增大1，并重复执行步骤6-3。若i＝h-1，则i增大2，并重复执行步骤6-3。若i≥2h-1，则进入步骤6-5。

6-5.分别通过最小二乘法对两个投点区域内的控制点与拟合离散点进行二项式拟合，得到两条次级二项式曲线。

6-6.在两条次级二项式曲线之间插入m个离散点b₁和m个离散点b₂。m个离散点b₁与m个离散点b₂分别在X轴方向上对齐。将m个离散点b₁与m个离散点b₂的Z坐标值分别求差；分别取所得差值小于或等于阈值s₂的离散点b₁与离散点b₂之间的任意一点作为最终拟合点，得到多个最终拟合点。

6-7.通过最小二乘法对所有控制点、拟合离散点及最终拟合点进行二项式拟合，得到最终二项式曲线。最终二项式曲线即为测量出的起重机械下梁曲线。

步骤七、在起重机械上进行加载，并重复执行一次步骤四至六。之后，对两次执行步骤四至六所得的两条起重机械下梁曲线求差，得到变形量曲线。变形量曲线的Z轴最大值，即为起重机械主梁的最大变形量。

进一步地，步骤一中，第一坐标系编码点与第二坐标系编码点的中心连线水平设置。第一坐标系编码点到第二坐标系编码点的间距、第一坐标系编码点到第三坐标系编码点的间距均为100mm。

进一步地，步骤二中，相邻两个检测编码点的间距为1.8mm。非编码点阵内的相邻两行非编码点的中心距及相邻两列非编码点的中心距均为0.8mm。

进一步地，步骤二中，h为奇数。h个检测编码点中位于中间的那个检测编码点的中心与投影片的中心点重合。

进一步地，所述的伸缩杆包括内轴体和外管身。内轴体伸入外管身内，并与外管身构成滑动副。内轴体与外管身通过紧定螺栓固定。外管身的端部与投点支架的顶部铰接，并通过紧定螺钉固定。内轴体的端部与基块固定。

进一步地，所述投影片的外直径为37mm，内直径为27mm。

进一步地，步骤四中，f张被测照片均含有被测起重机械完整的主梁和支撑柱。摄像机采用已完成检校的非量测相机。

进一步地，步骤三中，投点仪的方位角和俯仰角调节至满足以下条件的状态：两个投影片中的所有检测编码点均投射在被测起重机械的主梁中性面处，且每一列非编码点均有一个非编码点投射在主梁的下边缘处附近。“有一个非编码点投射在主梁的下边缘处附近”的定义为存在一个投射在主梁上的非编码点的中心点到主梁的下边缘处的距离小于两个相邻非编码点投射在主梁上所得点的中心距。

进一步地，步骤六中，阈值s₁的取值为0.5mm。阈值s₂的取值为1mm。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明可在不接触起重机械主梁的情况下瞬间捕捉主梁大量物理信息和几何信息，对恶劣环境下、不易直接测量的起重机械主梁进行变形检测提供了一种很好的方法。

2、本发明所采用的白光投点仪成本低、成像精度高，投影片形状可根据测量需求自行设计，投影片最小圆形光点直径可小至0.25mm，且能够投射数以百计的圆形光点至起重机械主梁表面做非编码点，高精度获得起重机械主梁信息。

3、本发明对投点区域中的非编码点采用分区插值拟合的方式，既保留主梁下梁中各区域内非编码点原始信息，又利用原始信息对各区域边缘插值延拓区域范围，使得各区域之间的变化具有一定的协调性；实现分段域内外的最佳拟合，更好还原起重机械主梁下梁曲线。

附图说明

图1为本发明的检测过程示意图；

图2为本发明中坐标系标识的示意图；

图3为本发明中搭建的投点设备的示意图；

图4为本发明中第一张投影片的示意图；

图5为本发明中第二张投影片的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

该基于摄影测量的起重机械主梁变形检测装置的检测方法如下：

步骤一、如图1所示，在被测起重机械1的支撑轴上粘贴坐标系标识4。

如图2所示，坐标系标识4包括互不相同的第一坐标系编码点4-1、第二坐标系编码点4-2和第三坐标系编码点4-3。第一坐标系编码点4-1与第二坐标系编码点4-2的中心连线水平设置。第一坐标系编码点4-1、第三坐标系编码点4-3的中心连线与第一坐标系编码点4-1、第二坐标系编码点4-2的中心连线相互垂直。第一坐标系编码点4-1到第二坐标系编码点4-2的间距、第一坐标系编码点4-1到第三坐标系编码点4-3的间距均为100mm。第一坐标系编码点4-1、第二坐标系编码点4-2、第三坐标系编码点4-3形成空间直角坐标系。第一坐标系编码点4-1的中心点为坐标原点。第一坐标系编码点4-1、第二坐标系编码点4-2的中心连线为X轴。第一坐标系编码点4-1、第三坐标系编码点4-3的中心连线为Z轴。空间直角坐标系的Y轴根据X轴与Z轴的位置根据右手定则确定。

步骤二、搭建投点设备2。如图3所示，投点设备2包括投点支架2-1、投点仪安装组件和投点仪2-2。投点仪安装组件包括伸缩杆2-3、基块2-4、翻转块2-5和安装柱2-6。伸缩杆2-3包括内轴体和外管身。内轴体伸入外管身内，并与外管身构成滑动副。内轴体与外管身通过紧定螺栓固定。外管身的端部与投点支架2-1的顶部铰接，并通过紧定螺钉固定。内轴体的端部与基块2-4固定。翻转块2-5与基块2-4构成公共轴线竖直设置的转动副，并通过紧定螺钉固定。安装柱2-6的底端与翻转块2-5构成公共轴线水平设置的转动副，并通过紧定螺钉固定。投点仪安装组件共有两个。两个投点仪安装组件分别位于投点支架2-1顶部的两侧。两个投点仪安装组件内安装柱2-6的顶端均固定有投点仪2-2。

如图4和5所示，投点仪2-2内装有投影片。投影片的外直径(投影片本身的直径)为37mm，内直径(投影片上含有投影点区域的直径)为27mm。两张投影片上均设置有五个检测编码点和五个非编码点组。五个检测编码点沿水平方向依次等距排列。五个检测编码点中位于中间的那个检测编码点的中心与投影片的中心点重合。相邻两个检测编码点的间距为1.8mm。一张投影片的五个检测编码点与五个非编码点组分别对应。每个非编码点组均由关于基准线对称两个非编码点阵组成。基准线为五个检测编码点的中心点连线。

非编码点阵包括五列从对应检测编码点延伸至投影片上投影区域的边缘处的非编码点(一列非编码点的排列方向垂直于基准线)。非编码点阵内的相邻两行非编码点的中心距及相邻两列非编码点的中心距均为0.8mm。由于投影片上的投影区域呈圆形，故不同非编码点组的非编码点阵内非编码点数量不相等。第一坐标系编码点4-1、第二坐标系编码点4-2、第三坐标系编码点4-3及两片投影片上的所有检测编码点(共计十个)互不相同。

步骤三、将投点支架2-1的底部固定在地面上。通过翻转块2-5、基块2-4所成转动副调节两个投点仪2-2的方位角；安装柱2-6、翻转块2-5所成转动副调节两个投点仪2-2的俯仰角，使得两个投影片中的所有检测编码点均投射在被测起重机械1的主梁中性面处，且每一列非编码点均有一个非编码点投射在主梁的下边缘处附近。“有一个非编码点投射在主梁的下边缘处附近”的定义为存在一个投射在主梁上的非编码点的中心点到主梁的下边缘处的距离小于两个相邻非编码点投射在主梁上所得点的中心距。两个投点仪2-2均启动，在被测起重机械1的主梁上投射出两个投点区域。每个投点区域内均含有五个检测编码点和检测编码点下方的二十五列非编码点(一个非编码点组内含有五列非编码点)。投射在起重机械1主梁上，且圆心位于起重机械1主梁下边缘以上的非编码点为有效非编码点。

步骤四、用摄像机3的f个摄影点分别对被测起重机械1进行拍摄，f＝6(即图1中的点A、B、C、D、E、F)，得到f张被测照片。f张被测照片均含有被测起重机械1完整的主梁和支撑柱。摄像机3采用已完成检校的非量测相机。

步骤五、将步骤四所得f张被测照片导入计算机。计算机通过图像处理分别获取f张被测照片上各检测编码点及非编码点的像点坐标。将每列有效非编码点中最靠近起重机械1主梁下边缘的那个有效非编码点作为控制点，每个投点区域各得到二十五个控制点。

根据第一坐标系编码点4-1、第二坐标系编码点4-2及第三坐标系编码点4-3在空间直角坐标系中的坐标以及所有被测照片上检测编码点及控制点的像点坐标，通过近景摄影测量法确定所有控制点在空间直角坐标系中的坐标。由于所有控制点都在同一平面内，故将所有控制点在空间直角坐标系中的坐标简化为平面直角坐标系中点坐标(保留X轴坐标和Z轴坐标)。

步骤六、拟合出起重机械1主梁下边缘曲线。

6-1.分别通过最小二乘法对每个非编码点组内的各控制点进行二项式拟合(每个非编码点组内含有五个控制点)，得到十条初级二项式曲线。对所得的十条初级二项式曲线进行排序。第一个投点区域内的五条初级二项式曲线为第1至5条初级二项式曲线。第二个投点区域内的五条初级二项式曲线为第6至10条初级二项式曲线。

6-2.将1赋值给i。

6-3.在第i条初级二项式曲线与第i+1条初级二项式曲线之间插入n个离散点a_i,1和n个离散点a_i,2，n＝10。n个离散点a_i,1与n个离散点a_i,2在X轴方向上分别对齐。n个离散点a_i,1的坐标均符合第i条初级二项式曲线对应的函数式。n个离散点a_i,2的坐标均符合第i+1条初级二项式曲线对应的函数式。将n个离散点a_i,1与n个离散点a_i,2的Z坐标值分别求差；并将所得差值大于阈值s₁的离散点a_i,1与离散点a_i,2删除，s₁＝0.5mm。分别取所得差值小于或等于阈值s₁的离散点a_i,1与对应离散点a_i,2之间的任意一点作为拟合离散点，得到多个拟合离散点。之后进入步骤6-4。

6-4.若i＜9且i≠4，则将i增大1，并重复执行步骤6-3。若i＝4，则i增大2，并重复执行步骤6-3。若i≥9，则进入步骤6-5。

6-5.步骤6-1至6-4分别获取了两个投点区域内的拟合离散点。分别通过最小二乘法对两个投点区域内的控制点与拟合离散点进行二项式拟合，得到两条次级二项式曲线。

6-6.在两条次级二项式曲线之间插入m个离散点b₁和m个离散点b₂，m＝50。m个离散点b₁与m个离散点b₂分别在X轴方向上对齐。将m个离散点b₁与m个离散点b₂的Z坐标值分别求差；将所得差值大于阈值s₂的离散点b₁与离散点b₂删除，s₂＝1mm。分别取所得差值小于或等于阈值s₂的离散点b₁与离散点b₂之间的任意一点作为最终拟合点，得到多个最终拟合点。

6-7.通过最小二乘法对所有控制点、拟合离散点及最终拟合点进行二项式拟合，得到最终二项式曲线。最终二项式曲线即为测量出的起重机械1下梁曲线。

步骤七、在起重机械上进行加载后，并重复执行一次步骤四至六。之后，对两次执行步骤四至六所得的两条起重机械1下梁曲线求差，得到变形量曲线。变形量曲线的Z轴最大值，即为起重机械主梁的最大变形量。

Claims (8)

1.一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：步骤一、在被测起重机械的支撑轴上粘贴坐标系标识；坐标系标识包括第一坐标系编码点、第二坐标系编码点和第三坐标系编码点；第一坐标系编码点、第三坐标系编码点的中心连线与第一坐标系编码点、第二坐标系编码点的中心连线相互垂直；以第一坐标系编码点的中心点为坐标原点，第一坐标系编码点、第二坐标系编码点的中心连线为X轴，第一坐标系编码点、第三坐标系编码点的中心连线为Z轴，建立空间直角坐标系；

步骤二、搭建投点设备；投点设备包括投点支架、投点仪安装组件和投点仪；投点仪安装组件包括伸缩杆、基块、翻转块和安装柱；伸缩杆的两端与投点支架、基块分别连接；翻转块与基块构成转动副；安装柱的底端与翻转块构成转动副；投点仪安装组件共有两个；两个投点仪安装组件分别位于投点支架的两侧；两个投点仪安装组件内的安装柱上均固定有投点仪；

投点仪内装有投影片；两张投影片上均设置有h个检测编码点和h个非编码点组，h≥2；h个检测编码点沿水平方向依次等距排列；一张投影片的h个检测编码点与h个非编码点组分别对应；每个非编码点组均由关于基准线对称两个非编码点阵组成；基准线为h个检测编码点的中心点连线；非编码点阵包括g列非编码点，g≥2；第一坐标系编码点、第二坐标系编码点、第三坐标系编码点及两片投影片上的所有检测编码点互不相同；

步骤三、将投点设备安装在地面上，并调节两个投点仪的方位角和俯仰角，使得投点仪的方位角和俯仰角调节至满足以下条件的状态：两个投影片中的所有检测编码点均投射在被测起重机械的主梁中性面处，且每一列非编码点均有一个非编码点投射在主梁的下边缘处附近；“有一个非编码点投射在主梁的下边缘处附近”的定义为存在一个投射在主梁上的非编码点的中心点到主梁的下边缘处的距离小于两个相邻非编码点投射在主梁上所得点的中心距；

启动两个投点仪，在被测起重机械的主梁上投射出两个投点区域；每个投点区域内均含有五个检测编码点和检测编码点下方的二十五列非编码点；投射在起重机械主梁上，且圆心位于起重机械主梁下边缘以上的非编码点为有效非编码点；

步骤四、用摄像机的f个摄影点分别对被测起重机械进行拍摄，f≥2，得到f张被测照片；

步骤五、将步骤四所得f张被测照片导入计算机；计算机通过图像处理分别获取f张被测照片上各检测编码点及非编码点的像点坐标；将每列有效非编码点中最靠近起重机械主梁下边缘的那个有效非编码点作为控制点，每个投点区域各得到二十五个控制点；

根据第一坐标系编码点、第二坐标系编码点及第三坐标系编码点在空间直角坐标系中的坐标以及所有被测照片上检测编码点及控制点的像点坐标，通过近景摄影测量法确定所有控制点在空间直角坐标系中的坐标；

步骤六、拟合出起重机械主梁下边缘曲线；

6-1.分别通过最小二乘法对每个非编码点组内的各控制点进行二项式拟合，得到2h条初级二项式曲线；对所得的2h条初级二项式曲线进行排序；第一个投点区域内的h条初级二项式曲线为第1至h条初级二项式曲线；第二个投点区域内的h条初级二项式曲线为第h+1至2h条初级二项式曲线；

6-2.将1赋值给i；

6-3.在第i条初级二项式曲线与第i+1条初级二项式曲线之间插入n个离散点a_i,1和n个离散点a_i,2；n个离散点a_i,1与n个离散点a_i,2在X轴方向上分别对齐；n个离散点a_i,1的坐标均符合第i条初级二项式曲线对应的函数式；n个离散点a_i,2的坐标均符合第i+1条初级二项式曲线对应的函数式；将n个离散点a_i,1与n个离散点a_i,2的Z轴坐标值分别求差；分别取所得差值小于或等于阈值s₁的离散点a_i,1与对应离散点a_i,2之间的任意一点作为拟合离散点，得到多个拟合离散点；之后进入步骤6-4；

6-4.若i＜2h-1且i≠h-1，则将i增大1，并重复执行步骤6-3；若i＝h-1，则i增大2，并重复执行步骤6-3；若i≥2h-1，则进入步骤6-5；

6-5.分别通过最小二乘法对两个投点区域内的控制点与拟合离散点进行二项式拟合，得到两条次级二项式曲线；

6-6.在两条次级二项式曲线之间插入m个离散点b₁和m个离散点b₂；m个离散点b₁与m个离散点b₂分别在X轴方向上对齐；将m个离散点b₁与m个离散点b₂的Z坐标值分别求差；分别取所得差值小于或等于阈值s₂的离散点b₁与离散点b₂之间的任意一点作为最终拟合点，得到多个最终拟合点；

6-7.通过最小二乘法对所有控制点、拟合离散点及最终拟合点进行二项式拟合，得到最终二项式曲线；最终二项式曲线即为测量出的起重机械下梁曲线；

步骤七、在起重机械上进行加载，并重复执行一次步骤四至六；之后，对两次执行步骤四至六所得的两条起重机械下梁曲线求差，得到变形量曲线；变形量曲线的Z轴最大值，即为起重机械主梁的最大变形量。

2.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：步骤一中，第一坐标系编码点与第二坐标系编码点的中心连线水平设置；第一坐标系编码点到第二坐标系编码点的间距、第一坐标系编码点到第三坐标系编码点的间距均为100mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：步骤二中，相邻两个检测编码点的间距为1.8mm；非编码点阵内的相邻两行非编码点的中心距及相邻两列非编码点的中心距均为0.8mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：步骤二中，h为奇数；h个检测编码点中位于中间的那个检测编码点的中心与投影片的中心点重合。

5.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：所述的伸缩杆包括内轴体和外管身；内轴体伸入外管身内，并与外管身构成滑动副；内轴体与外管身通过紧定螺栓固定；外管身的端部与投点支架的顶部铰接，并通过紧定螺钉固定；内轴体的端部与基块固定。

6.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：所述投影片的外直径为37mm，内直径为27mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：步骤四中，f张被测照片均含有被测起重机械完整的主梁和支撑柱；摄像机采用已完成检校的非量测相机。

8.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量的起重机械主梁变形检测方法，其特征在于：步骤六中，阈值s₁的取值为0.5mm；阈值s₂的取值为1mm。

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