CN112161694A - 高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，包括如下步骤：布设角速度传感器和线速度传感器，其与地表相对位置和高速摄像机与地表相对位置相同，通过角速度传感器采集高速摄像机的角速度，通过线速度传感器采集高速摄像机的线速度，还通过距离测量方法测量高速摄像机与被测物之间的物距L，之后根据角速度传感器测量得到的高速摄像机的角速度、线速度传感器测量得到的高速摄像机的加速度，再结合物距计算因高速摄像机自身振动带来的误差。本发明在考虑摄影测量时高速摄像机自身受环境激振引起误差时将其角速度纳入考虑，其误差测量精度在物距较大时，如进行大坝、高塔的整体拍摄识别，要远胜于现有技术中仅考虑加速度的方法。

Description

高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法
技术领域
本发明属于高速摄影测量的技术领域，具体涉及一种适用于水利水电工程、市政工程等需求大坝、高楼等巨型建筑物大物距高速摄影振动测量中高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法。
背景技术
目前进行振动测试的传统手段是采用测振仪，其在不断发展过程中主要有以下三种类型：
(1)机械式测振仪：在早期采用较多，它是使振动通过一套装置直接推动记录笔进行记录，该仪器比较笨重，测量误差比较大且不能远传指示值，目前已很少应用。
(2)光学测振仪：目前采用较多的有数字散斑测振仪及激光测振仪两种。在实际应用过程中光学测振仪的聚光方法、结构、参数设置以及对不规则振动测量还需进一步优化改进。
(3)将振动信号转换为电信号的测振仪：由于其测量范围广、精度高是目前采用较多的测振仪器，在振动安全监测、振动响应规律的研究、高层振动放大效应研究、消能爆破效果监测、高层建筑爆破拆除等方面得到了广泛的应用，国内已经开发了多种该类型的测振仪器，实现了不同程度上的智能化测试，并采用了一系列新的技术特点，但伴随着施工环境的日渐复杂化，该类型测振仪也出现了很多与实际需要不相符合的缺陷：1)采集数据范围有限，仅能采集到与之相连的测点处结构的振动数据；2)所有的测点均需要人工实地去布置，对于某些危险的位置(如高塔、高边坡等)测点的布置会带来安全隐患；3)传感器具有一定体积，存在某些传感器无法布置的位置；4)测点布置在结构上，这样必然会改变原结构的结构特性和运动特性，只有当传感器的质量远小于结构的质量时其影响才能忽略不计；5)该类测振仪在手动设置阀值时，只有在振动超过了预先设置的阀值之后才有进行数据采集，如果阀值的设置不合理，将对监测结果带来很大影响，若阀值设置过低，测振仪将采集过多的无效振动，这增加了数据筛选的工作量；若阀值设置过高，将无法采集到有效的振动数据；6)无法实现同步测量。
摄影测量属于测绘学的分支，它是利用拍摄得到的图像来分析研究目标物体的位置、尺寸和相关运动形态的学科。随着相关技术的发展，摄影测量技术也得到了快速的发展进步，其前后共经历了三个阶段：模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量。
自从1981年索尼公司成功研发马维卡(电荷耦合元件数码相机)之后，目前高速摄影系统已经实现了6次的技术创新，高速摄影系统在各行各业也得到了广泛的应用，根据拍摄预期目标的不同高速摄影系统的应用可以划分为两类：(1)对物体的相关运动参数进行定量测量。(2)对瞬间发生的过程进行缓释，定性研究其发展过程。
在对物体的线管运动参数进行定量测量时，环境振动会对高速摄像机本身产生扰动，尤其是大坝这类受环境激振力而振动的巨型建(构)筑物，环境激振力往往会同时作用在高速摄像机上，使测量结果因此产生较大的误差。现有减小或消除环境振动带来的误差的方法多为在架设仪器位置的地表布置线速度传感器，记录地表位置的加速度，然后在测量结果中给予消除，但是现有的消除或减小误差的方法均未考虑角速度带来的误差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，该方法不但考虑地表位置的加速度带来的误差，还考虑因高速摄像机摆动带来的误差，从而很好地减小高速摄影测量的误差。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，包括如下步骤：布设角速度传感器和线速度传感器，两者与地表相对位置和高速摄像机与地表相对位置相同，通过角速度传感器采集高速摄像机的角速度，通过线速度传感器采集高速摄像机的线速度，还通过距离测量方法测量高速摄像机与被测物之间的物距L，之后根据角速度传感器测量得到的高速摄像机的角速度、线速度传感器测量得到的高速摄像机的加速度，再结合物距L计算因高速摄像机自身振动带来的误差，计算结果在高速摄像机拍摄结果中反相叠加以减小高速摄影测量的误差。
进一步地，角速度传感器和线速度传感器的布设位置，可以是集成在高速摄像机内或者通过与固定高速摄像机相同的支架固定角速度传感器和线速度传感器，在使用支架固定角速度传感器和线速度传感器，对两者的约束方式与高速摄像机完全一致。
进一步地，误差的计算方法为：
以高速摄像机与被测物之间的物距方向为X轴，以竖直方向为Z轴，过高速摄像机且垂直于XZ平面的直线为Y轴建立坐标系；
由线速度传感器测得Y、Z方向的速度Vy、Vz，由角速度传感测得XZ平面的角速度ωxz、XY平面的角速度ωxy，由距离测量方法测得高速摄像机与被测物之间的物距为L，其中Vy、Vz、ωxz、ωxy为矢量，L为标量；
则高速摄像机测得的结果中的误差为：
ε＝Vy+Vz+(ωxz+ωxy)L。
进一步地，当测点偏离焦点落在被测物上的距离l较大时，即当与l/L大于20％时，还要考虑l带来的误差，此时高速摄像机测得的结果中的误差为：
ε＝Vy+Vz+(ωxz+ωxy)(L2+l2)1/2。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：在考虑系统误差时将角速度纳入考虑；且布置传感器时，以与高速摄像机与地表相对位置相同的位置替代地表，可以保证摄像机支架带来的放大效应也被纳入考虑；另外，在物距较大的情况下，如进行大坝、高塔的整体拍摄时，对于偏离焦点落在被测物上的距离l较大的测点，即当与l/L大于20％时，还要考虑l带来的误差，因此本发明的误差减小效果要远胜于现有技术中仅考虑加速度的方法。
附图说明
图1为本发明实施例测量方法的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明提供一种高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：在高速摄像机内集成有角度传感器和加速度传感器，或在高速摄像机相邻且等高的位置采用架设高速摄像机同样的支架安装角速度传感器与加速度传感器，即约束角速度传感器和加速度传感器的约束方式要与高速摄像机完全一致，所谓约束方式一致是指若固定高速摄像机的支架采用三脚架，则固定角速度传感器和线速度传感也需采用三脚架，而不能是一个采用三脚架，另外两个放在等高的桌子上。另外，固定方式也需完全相同，即若高速摄像机是采用卡扣固定，则角速度传感器和线速度传感器也必须都是采用卡扣固定，这样做的目的是保证支架带来的放大效果相同。
步骤2：通过距离测量手段测得高速摄像机与被测物之间的物距L，如采用激光测距仪等测量两者之间的物距L。
步骤3：在被测物受激振的条件下(如列车驶过，对高楼产生激振力)，对建筑进行摄影测量，同时线速度传感器记录高速摄像机的线速度、角速度传感器记录高速摄像机的角速度。以高速摄像机与被测物之间的物距方向为X轴，以竖直方向为Y轴，过高速摄像机且垂直于XY平面的直线为Z轴建立坐标系。图1所示为本实施例对应的xy平面示意图，此平面内因高速摄像机自身运动产生的线位移为dy和角位移ωxyLdt，在xz平面同样可以得到线位移为dz和角位移ωxzLdt。
步骤4：计算因高速摄像机自身振动而产生的测量误差：
由线速度传感器测得Y、Z方向的速度Vy、Vz，由角速度传感测得XZ平面的角速度ωxz、XY平面的角速度ωxy，由距离测量方法测得高速摄像机与被测物之间的物距为L，其中Vy、Vz、ωxz、ωxy为矢量，L为标量；
则高速摄像机测得的结果中的误差为：
ε＝Vy+Vz+(ωxz+ωxy)L；
当测点偏离焦点落在被测物上的距离l较大时，即当与l/L大于20％时，还要考虑l带来的误差，此时高速摄像机测得的结果中的误差为：
ε＝Vy+Vz+(ωxz+ωxy)(L2+l2)1/2。
将上述计算的因高速摄像机自身振动带来的误差在高速摄像机拍摄结果中反相叠加以减小高速摄影测量的误差。在物距较大的情况下，如进行大坝、高塔的整体拍摄，其误差减小效果要远胜于现有技术中仅考虑加速度的方法。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：布设角速度传感器和线速度传感器，两者与地表相对位置和高速摄像机与地表相对位置相同，通过角速度传感器采集高速摄像机的角速度，通过线速度传感器采集高速摄像机的线速度，还通过距离测量方法测量高速摄像机与被测物之间的物距L，之后根据角速度传感器测量得到的高速摄像机的角速度、线速度传感器测量得到的高速摄像机的加速度，再结合物距L计算因高速摄像机自身振动带来的误差。
2.根据权利要求1所述高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，其特征在于，角速度传感器和线速度传感器的布设位置，是集成在高速摄像机内或者通过与固定高速摄像机相同的支架固定角速度传感器和线速度传感器，在使用支架固定角速度传感器和线速度传感器，对两者的约束方式与高速摄像机完全一致。
3.根据权利要求1所述高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，其特征在于，误差的计算方法为：
以高速摄像机与被测物之间的物距方向为X轴，以竖直方向为Z轴，过高速摄像机且垂直于XZ平面的直线为Y轴建立坐标系；
由线速度传感器测得Y、Z方向的速度Vy、Vz，由角速度传感测得XZ平面的角速度ωxz、XY平面的角速度ωxy，由距离测量方法测得高速摄像机与被测物之间的物距为L，其中Vy、Vz、ωxz、ωxy为矢量，L为标量；
则高速摄像机测得的结果中的误差为：
ε＝Vy+Vz+(ωxz+ωxy)L。
4.根据权利要求3所述高速摄像机自身受环境激振引起误差的测量方法，其特征在于，当测点偏离焦点落在被测物上的距离l较大时，即当与l/L大于20％时，还要考虑l带来的误差，此时高速摄像机测得的结果中的误差为：
ε＝Vy+Vz+(ωxz+ωxy)(L2+l2)1/2。
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