CN112964351A - 基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法 - Google Patents

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CN112964351A CN202110225877.0A CN202110225877A CN112964351A CN 112964351 A CN112964351 A CN 112964351A CN 202110225877 A CN202110225877 A CN 202110225877A CN 112964351 A CN112964351 A CN 112964351A
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辛大波
张硕
赵颖
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Northeast Forestry University
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Northeast Forestry University
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Abstract

本发明公开了一种基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、建立测量输电塔位移的视频传感器；步骤二、根据监测位置，将测量靶目标粘贴在输电塔上；步骤三、将棋盘格标定板放置在拍摄画面中的输电塔结构上，利用视频传感器拍摄输电塔静止状态图像，获得视频传感器标定系数；步骤四、根据HSV颜色空间特性首先筛选出靶目标；应用质心法识别靶目标圆心，得到圆心坐标；根据靶目标圆心的竖向坐标对靶目标进行排序；步骤五、利用视频触感器拍摄输电塔在外界激励下的振动状态并将振动状态传递给视频分析仪，通过视频分析仪计算输电塔振动位移。本发明可以准确高效地获取输电塔振动动态位移信息，监测输电塔振动情况。

Description

基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量输电塔振动位移方法，具体涉及一种基于中心点帧差法的非接触式测量方法。
背景技术
输电塔作为输电线路的支撑结构，是重要的能源工程基础设施。输电塔建立在地形复杂、环境恶劣的区域，直接暴露在自然中，受到复杂荷载，常出现塔头折断、塔体倾斜、塔基下沉等事故。在输电塔健康监测系统中，识别结构变形位移是一项十分重要的环节。结构一旦因承受复杂荷载产生较大位移具有使塔体发生连续倒塌的危险，这将造成严重的电网安全事故，产生重大的经济损失。因此，识别输电塔变形位移一直是学者们评价结构状态和性能的重要依据。
测量结构振动位移的方法有接触式和非接触式两种，其中接触式测量包括拉线式位移传感器，由于其安装方便、操作简单被广泛应用于实验室试验中，但其量程固定，且塔体周围不能靠近，对于测量输电塔位移具有局限性。接触式传感器在测量过程中产生的附加质量，难以满足轻质结构的精度需求，很难找到合理的安装方式。此外，其常需外部设备进行数据采集和供电，这就很难实现长期监测。
非接触式测量包括传统的全球定位系统、全站仪和激光位移传感器等，大多数仪器成本较高，精度有限不适应恶劣环境。常规的基于计算机视觉的非接触式测量技术灵活组合适应多种场景，但也存在诸多问题，如步骤复杂、对光线及噪音敏感等。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，该方法是基于中心点帧差法的计算机视觉非接触式测量算法。基于中心点帧差法的输电塔振动位移监测方法中需使用视频传感器，将其固定在输电塔外部的安全区域，不会对结构产生附加质量。视频传感器采集的数据存储在数据卡中，无需配置外部独立的数据采集系统。固定的视频传感器可选择的种类多，价格区间大。因此该系统可以准确高效地获取输电塔振动动态位移信息，监测输电塔振动情况。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，包括如下步骤：
步骤一、建立测量输电塔位移的视频传感器，其中：
所述视频传感器选用帧率860Hz的高速相机；
所述视频传感器安装在距输电塔振动方向的垂直方向0.8～1.2m位置(实际距离以拍摄画面最理想情况为准)；
步骤二、根据监测位置，将测量靶目标粘贴在输电塔上，其中：
所述测量靶目标选用红色圆形图案；
步骤三、将棋盘格标定板放置在拍摄画面中的输电塔结构上，利用视频传感器拍摄输电塔静止状态图像，获得视频传感器标定系数；
所述标定系数SF根据如下公式求得：
Figure BDA0002956059000000031
式中，Limage表示图像中棋盘格边长对应的像素长度(像素pixel)；Lworld表示对应棋盘格边长在世界坐标中的物理距离(mm)；
步骤四、根据HSV颜色空间特性首先筛选出靶目标；应用质心算法识别靶目标圆心，得到圆心坐标；根据靶目标圆心的竖向坐标对靶目标进行排序；
步骤五、利用视频触感器拍摄输电塔在外界激励下的振动状态并将振动状态传递给视频分析仪，通过视频分析仪计算输电塔振动位移，其中：
所述视频分析仪包括Streampix高速存储软件及图像处理计算机；
所述视频传感器与图像处理计算机通过USB3.0传输导线连接；
所述Streampix高速存储软件需配备加密狗使用，Streampix高速存储软件帮助视频传感器拍摄的视频快速存储至图像处理计算机硬盘中，保证视频传感器拍摄帧率处于平稳帧率；
所述图像处理计算机用于分析存储在计算机硬盘中的拍摄图像，得出输电塔结构振动位移并分析其固有频率；
所述输电塔振动位移r为：
Figure BDA0002956059000000032
Figure BDA0002956059000000041
式中，(Xo,Yo,Zo)为静止状态下靶目标圆心坐标，(Xn,Yn,Zn)为各帧图形中靶目标圆心坐标，n＝0,1,2,.....i，i代表高速相机的拍摄帧数。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、采用人工靶目标，在光线较差的环境也可以快速的被识别。
2、采用视频传感器拍摄输电塔振动过程，安装过程简单。
3、本发明是基于HSV颜色空间滤波及中心点帧差法的测量方法，测量过程中使用的试验物品包含测量靶目标、非接触式视频传感器及视频分析仪。将测量靶目标粘贴在被测物体上，通过视频传感器记录输电塔振动过程，利用视频分析仪得到输电塔结构振动位移，可以有效测量输电塔结构振动位移。与激光位移计测量的振动位移结果相比较，该算法识别输电塔结构振动位移精度可达82％，并能获得输电塔结构振动模态。
4、该方法使用的传感器构造简单，安装方便，仪器回收率高，准确测量输电塔结构振动位移，有效识别结构频率，同时该方法在光线较差的环境内可达到较高的测量精度。
附图说明
图1为非接触式测量输电塔振动位移流程图；
图2为试验布置设置，1为视频分析仪，2为视频传感器，3为输电塔结构；
图3为棋盘格标定板；
图4为视频分析仪工作界面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，所述方法包括如下步骤：
根据监测位置，在输电塔上粘贴靶目标，靶目标选用红色圆形图案。将视频传感器安装在距输电塔振动方向的垂直方向1米左右的位置(实际距离以拍摄画面最理想情况为准)，监测输电塔体的振动，将振动信息传递给视频分析仪。视频传感器选用帧率860Hz的高速相机。视频分析仪包括Streampix高速存储软件及图像处理计算机。高速摄像机与图像处理计算机通过USB3.0传输导线连接(Streampix存储软件需配备加密狗使用)，高速存储软件帮助高速摄像机拍摄的视频快速存储至计算机硬盘中，保证高速相机拍摄帧率处于平稳帧率。图像处理计算机用于分析存储在计算机硬盘中的拍摄图像，得出输电塔结构振动位移并分析其固有频率。
图像处理分析程序第一步需进行相机标定。将高速相机固定后，将图3所示棋盘格标定板放置在相机拍摄画面中的输电塔结构上。根据如下公式求得标定系数SF：
Figure BDA0002956059000000061
式中，Limage表示图像中棋盘格边长对应的像素长度(像素pixel)；Lworld表示对应棋盘格边长在世界坐标中的物理距离(mm)。
然后，根据HSV颜色空间特性首先筛选出靶目标；应用质心法识别靶目标圆心，得到圆心坐标。根据靶目标圆心的竖向坐标对靶目标进行排序；当输电塔发生振动，其上靶目标圆心坐标随之变化。因此靶目标圆心坐标变化即输电塔振动位移。图像分析程序中定义静止状态下靶目标圆心坐标为(Xo,Yo,Zo)，其后各帧图形中靶目标圆心坐标为(Xn,Yn,Zn)，n＝0,1,2,.....i(n为靶目标编号)。通过激振锤激励输电塔产生振动，输电塔振动位移r为：
Figure BDA0002956059000000062
视频分析仪工作界面如图4所示。

Claims (8)

1.一种基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、建立测量输电塔位移的视频传感器；
步骤二、根据监测位置，将测量靶目标粘贴在输电塔上；
步骤三、将棋盘格标定板放置在拍摄画面中的输电塔结构上，利用视频传感器拍摄输电塔静止状态图像，获得视频传感器标定系数；
步骤四、根据HSV颜色空间特性首先筛选出靶目标；应用质心法识别靶目标圆心，得到圆心坐标；根据靶目标圆心的竖向坐标对靶目标进行排序；
步骤五、利用视频触感器拍摄输电塔在外界激励下的振动状态并将振动状态传递给视频分析仪，通过视频分析仪计算输电塔振动位移。
2.根据权利要求1所述的基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述视频传感器选用帧率860Hz的高速相机。
3.根据权利要求1或2所述的基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述视频传感器安装在距输电塔振动方向的垂直方向0.8～1.2m位置。
4.根据权利要求1所述的基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述测量靶目标选用红色圆形图案。
5.根据权利要求1所述的基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述标定系数SF根据如下公式求得：
Figure FDA0002956058990000021
式中，Limage表示图像中棋盘格边长对应的像素长度；Lworld表示对应棋盘格边长在世界坐标中的物理距离。
6.根据权利要求1所述的基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述视频传感器与图像处理计算机通过USB3.0传输导线连接。
7.根据权利要求1或6所述的基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述视频分析仪包括Streampix高速存储软件及图像处理计算机，其中：
所述Streampix高速存储软件配备加密狗使用，Streampix高速存储软件帮助视频传感器拍摄的视频快速存储至图像处理计算机硬盘中，保证视频传感器拍摄帧率处于平稳帧率；
所述图像处理计算机用于分析存储在计算机硬盘中的拍摄图像，得出输电塔结构振动位移并分析其固有频率。
8.根据权利要求1所述的基于中心点帧差法输电塔振动位移测量方法，其特征在于所述输电塔振动位移r为：
Figure FDA0002956058990000022
Figure FDA0002956058990000023
式中，(Xo,Yo,Zo)为静止状态下靶目标圆心坐标，(Xn,Yn,Zn)为各帧图形中靶目标圆心坐标，n＝0,1,2,.....i，i代表高速相机的拍摄帧数。
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