CN114279343A - 一种基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，包括步骤：在输电塔塔身附近安装地面摄像头，确保输电塔塔身在地面摄像头的视频画面内；在抱杆两侧平臂的载重小车上各安装一个平臂摄像头，确保输电塔塔身和抱杆塔身在平臂摄像头的视频画面内；通过选取位移监测点、粘贴标志物、标定摄像头、计算标志物所有时刻的位移、获得位移时程曲线的步骤，分别实现输电塔沉降位移监测、抱杆塔身位移监测和抱杆平臂位移监测。本发明能够实现施工过程输电塔塔身整体沉降位移的监测、吊装过程与风荷载作用下对抱杆塔身位移以及抱杆平臂位移的监测。
Description
技术领域
本发明属于抱杆技术领域，具体涉及一种基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法。
背景技术
超大型输电塔施工过程中采用双平臂抱杆进行构件吊装、组装，抱杆结构高度大且截面尺寸小，利用腰环、拉索与输电塔塔身相连以增加侧向约束，但在吊装或者受较大风力时依然会产生较大变形，因此有必要采取措施对施工过程中的抱杆实施监测以确保结构安全。
对于输电塔，塔身组装过程中重量不断增加，塔身整体沉降是施工过程中的主要监测内容；对于抱杆结构，因其下部通过拉索与输电塔塔身相连的部分具有较大侧向刚度，但抱杆塔身顶部与平臂受风力或者吊装较大重量时可能产生较大位移。因此监控抱杆塔身、平臂在受风荷载或吊装重量时的变形，对保障施工安全、抱杆结构设计具有重要意义。
传统的抱杆安全监控系统的监控内容一般包括起吊重量、力矩、风速等，而位移监测实现难度较大，因为抱杆结构高耸，难以为位移传感器提供静态的安装位置或参考点，且监测距离有限。
随着相机的普及与图像处理技术的发展，基于计算机视觉的位移监测方法越来越普遍，通过在监测目标附近安装监控相机，可以实现对目标位移的远距离、非接触式监测。但传统的计算机视觉位移监测方法的应用场景一般为室内或较固定的环境，监控相机安装于固定的支座。在抱杆施工场景下，监控摄像头会随着抱杆结构在受荷载时发生移动，这给位移监测带来较大难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，能够实现施工过程输电塔塔身整体沉降位移的监测、吊装过程与风荷载作用下对抱杆塔身位移以及抱杆平臂位移的监测。
本发明提供了如下的技术方案：
一种基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，包括以下步骤：
在输电塔塔身附近安装地面摄像头，确保输电塔塔身在地面摄像头的视频画面内；在抱杆两侧平臂的载重小车上各安装一个平臂摄像头，确保输电塔塔身和抱杆塔身在平臂摄像头的视频画面内；
通过选取位移监测点、粘贴标志物、标定摄像头、计算标志物所有时刻的位移、获得位移时程曲线的步骤，分别实现输电塔沉降位移监测、抱杆塔身位移监测和抱杆平臂位移监测。
进一步的，输电塔沉降位移监测的方法，包括以下步骤：
待输电塔的低层安装完成，在输电塔塔身的合适位置选取沉降监测点，并粘贴标志物，确保标志物在地面摄像头的视频画面里成像清晰，然后标定地面摄像头；
在输电塔上层安装过程中，计算标志物在t时刻相对于初始时刻的位移；
继续计算所有时刻下标志物相对于初始时刻的位移，得到输电塔塔身的位移时程曲线。
进一步的，抱杆塔身位移监测的方法，包括以下步骤：
将平臂摄像头移动至平臂合适处，镜头朝内拍摄平臂以下最高处的抱杆与输电塔塔身，确保图像清晰；
分别在输电塔塔身与抱杆塔身适当位置处选取位移监测点，并粘贴标志物，然后标定平臂摄像头；
分别计算输电塔塔身标志物和抱杆塔身标志物在t时刻相对于初始时刻的位移，将输电塔塔身的标志物作为参考目标，将抱杆塔身的标志物作为运动目标，计算获得抱杆塔身相对输电塔塔身的位移；
继续计算所有时刻下抱杆塔身相对输电塔塔身的位移，得到抱杆塔身相对于输电塔塔身的位移时程曲线。
进一步的，抱杆平臂r处位移监测的方法，包括以下步骤：
将摄像头移动至距平臂中心r处，镜头朝内拍摄平臂以下最高处的抱杆；
在抱杆塔身适当位置选取位移监测点，并粘贴标志物，然后标定平臂摄像头；
计算标志物在t时刻相对于初始时刻的位移，记为(Xt,3，Yt,3)，则平臂r处相对于抱杆中心的位移为(-Xt,3，-Yt,3)；
继续计算所有时刻下平臂r处相对于抱杆中心的位移，得到平臂r处相对于抱杆中心的位移时程曲线。
进一步的，标定摄像头的方法包括以下步骤：
选用标定板在标志物附近摆放15种以上不同的姿态，同时使用摄像头采集每个姿态下标定板的图像，需要确保其中一种姿态的标定板与欲监测的目标运动方向处于同一平面；
利用采集到的标定板图像，获得目标点在像素坐标系下的齐次坐标m与实际空间坐标系下的齐次坐标M，使用张正友标定法求解式(1)中图像坐标与实际空间坐标之间的比例系数s和坐标转换矩阵P：
sm＝PM (1)。
进一步的，选用的标定板表面印有9×12黑白相间方格。
进一步的，计算标志物在t时刻相对于初始时刻位移的方法，包括以下步骤：
摄像头采集初始图像p0，在初始图像p0中框选包含标志物的感兴趣区域R，再在R内框选标志物图像A，将A的左上角点坐标记为(x0，y0)；
采集t时刻图像pt，在图像pt上搜寻标志物图像A的位置，用一个大小与A相同的搜寻框，逐像素在图像pt的感兴趣区域R内移动，建立每一位置搜寻区域与A之间的归一化相关函数c(x，y)，直到搜寻框遍历R内所有区域：
式中：m，n分别为区域R的像素长度和宽度，f(i，j)为图像p0中区域R内(i，j)处的像素值，
为图像p0中区域R的平均像素值，rt(i+x，j+y)为图像pt中(i+x，j+y)处的像素值；
为图像pt中搜寻框的平均像素值；
在图像pt内，归一化相关函数c(x，y)取最大值时搜寻框的左上角点坐标记为(xt，yt)；
将(xt，yt)及其附近8个点的坐标、函数值c(x，y)代入双抛物线函数(3)，以最小二乘法求解待定系数ai(i＝0，1，2，3，4，5)：
c(x,y)＝a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2 (3)
式中x分别取xt-1、xt、xt+1，y分别取yt-1、yt、yt+1；
利用式(4)求解双抛物线函数(3)极大值点对应的坐标(xs，ys)：
根据比例系数s和坐标转换矩阵P，以及标志物图像坐标m，利用公式(5)求解监测区域在初始状态与t时刻状态的实际空间坐标：
M＝sP-1m (5)
初始时刻监测区域在实际空间下的坐标为M0＝[X0，Y0，1]T，t时刻坐标为Mt＝[Xt，Yt，1]T，则标志物在t时刻相对于初始时刻的实际位移为：
进一步的，将输电塔塔身标志物和抱杆塔身标志物在t时刻相对于初始时刻的位移分别记为(Xt,1，Yt,1)、(Xt,2，Yt,2)，则抱杆塔身相对输电塔塔身的位移为：
进一步的，抱杆平臂的旋转角度为：
进一步的，在抱杆回转塔身处安装风速传感器和起吊重量传感器，分别用于记录风速数据与吊重数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种双平臂抱杆施工过程位移监测方法，通过架设地面摄像头及平臂摄像头、选取位移监测点、粘贴标志物、标定摄像头、计算标志物所有时刻的位移、获得位移时程曲线等步骤，分别实现输电塔沉降位移监测、抱杆塔身位移监测和抱杆平臂位移监测，弥补了传统安全监控系统位移监测难度大的不足；
(2)本发明基于计算机视觉原理，监测时间长，监测范围广，能实现对输电塔施工全程整体沉降位移的监测；
(3)本发明针对抱杆顶部无法提供固定安装位置的问题，提出了根据相对位移推算真实位移的解决思路，可以实现对抱杆塔身位移与平臂位移的监测；
(4)本发明能够结合传统安全监控系统的风速传感器、起吊重量传感器，实现抱杆的输入荷载与位移响应时程数据的同步获取，为抱杆结构维护、设计提供参考。
附图说明
图1是采用本发明方法对双平臂抱杆施工过程进行位移监测时的现场监测图；
图2是本发明实施例中第一平臂摄像头所拍摄的视频画面示意图；
图中标记为：1、输电塔塔身；2、抱杆塔身；3、地面摄像头；4、第一平臂摄像头；5、第二平臂摄像头；6、风速传感器；7、起吊重量传感器；8、标志物；9、标定板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，包括以下步骤：
(1)在输电塔塔身1附近安装地面摄像头3，确保输电塔塔身1在地面摄像头3的视频画面内成像清晰且具有辨识度，保持摄像头视角固定。
(2)在抱杆两侧平臂的载重小车上各安装一个平臂摄像头，分别记为第一平臂摄像头4和第二平臂摄像头5，使其能够随着载重小车移动，确保输电塔塔,1和抱杆塔身2在平臂摄像头的视频画面内。
(3)在抱杆回转塔身处安装风速传感器6和起吊重量传感器7，分别记录风速数据与吊重数据。
(4)输电塔沉降位移监测
(401)待输电塔的低层安装完成，在输电塔塔身1的合适位置选取沉降监测点，并粘贴标志物8，确保标志物在地面摄像头3的视频画面里成像清晰；
(402)选用印有9×12黑白相间方格的标定板9，在标志物附近摆放15种以上不同的姿态，同时使用摄像头采集每个姿态下标定板的图像，需要确保其中一种姿态的标定板与欲监测的目标运动方向处于同一平面；
(403)利用采集到的标定板图像，获得目标点在像素坐标系下的齐次坐标m与实际空间坐标系下的齐次坐标M，使用张正友标定法求解式(1)中图像坐标与实际空间坐标之间的比例系数s和坐标转换矩阵P：
sm＝PM (1)；
(404)地面摄像头采集初始图像p0，在初始图像p0中框选包含标志物的感兴趣区域R，再在R内框选标志物图像A，将A的左上角点坐标记为(x0，y0)；
(405)在输电塔上层安装过程中，采集t时刻图像pt，在图像pt上搜寻标志物图像A的位置，用一个大小与A相同的搜寻框，逐像素在图像pt的感兴趣区域R内移动，建立每一位置搜寻区域与A之间的归一化相关函数c(x，y)，直到搜寻框遍历R内所有区域：
式中：m，n分别为区域R的像素长度和宽度，f(i，j)为图像p0中区域R内(i，j)处的像素值，
为图像p0中区域R的平均像素值，rt(i+x，j+y)为图像pt中(i+x，j+y)处的像素值；
为图像pt中搜寻框的平均像素值；
在图像pt内，归一化相关函数c(x，y)取最大值时搜寻框的左上角点坐标记为(xt，yt)；
(406)将(xt，yt)及其附近8个点的坐标、函数值c(x，y)代入双抛物线函数(3)，以最小二乘法求解待定系数ai(i＝0，1，2，3，4，5)：
c(x,y)＝a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2 (3)
式中x分别取xt-1、xt、xt+1，y分别取yt-1、yt、yt+1；
(407)利用式(4)求解双抛物线函数(3)极大值点对应的坐标(xs，ys)：
(408)根据比例系数s和坐标转换矩阵P，以及标志物图像坐标m，利用公式(5)求解监测区域在初始状态与t时刻状态的实际空间坐标：
M＝sP-1m (5)
初始时刻监测区域在实际空间下的坐标为M0＝[X0，Y0，1]T，t时刻坐标为Mt＝[Xt，Yt，1]T，则标志物在t时刻相对于初始时刻的实际位移为：
(409)继续计算所有时刻下标志物相对于初始时刻的位移，得到输电塔塔身的位移时程曲线。
(5)抱杆塔身位移监测
(501)将平臂摄像头移动至平臂合适处，镜头朝内拍摄平臂以下最高处的抱杆与输电塔塔身，确保图像清晰，如图2为第一平臂摄像头4所拍摄的视频画面；
(502)分别在输电塔塔身与抱杆塔身适当位置处选取位移监测点，并粘贴标志物，然后按照步骤(402)～(403)标定平臂摄像头；
(503)在同一监测时段内，采集传感器记录的风速数据、起吊重量、单侧力矩、双侧力矩差，同时采集平臂摄像头拍摄的视频数据；
(504)按照步骤(404)～(408)的方法分别计算输电塔塔身标志物和抱杆塔身标志物在t时刻相对于初始时刻的位移，将输电塔塔身的标志物作为参考目标，将抱杆塔身的标志物作为运动目标，计算获得抱杆塔身相对输电塔塔身的位移，分别记为(Xt,1，Yt,1)、(Xt,2，Yt,2)，则抱杆塔身相对输电塔塔身的位移为：
(505)重复步骤(504)继续计算所有时刻下抱杆塔身相对输电塔塔身的位移，得到抱杆塔身相对于输电塔塔身的位移时程曲线。
(6)抱杆平臂位移监测
(601)若要监测抱杆平臂r处位移，将摄像头移动至距平臂中心r处，镜头朝内拍摄平臂以下最高处的抱杆；
(602)在抱杆塔身适当位置选取位移监测点，并粘贴标志物，然后按照步骤(402)～(403)标定平臂摄像头；
(603)在同一监测时段内，采集传感器记录的风速数据、起吊重量、单侧力矩、双侧力矩差，同时采集平臂摄像头拍摄的视频数据；
(604)按照步骤(404)～(408)的方法分计算标志物在t时刻相对于初始时刻的位移，记为(Xt,3，Yt,3)，则平臂r处相对于抱杆中心的位移为(-Xt,3，-Yt,3)，抱杆平臂的旋转角度为：
(605)重复步骤(604)继续计算所有时刻下平臂r处相对于抱杆中心的位移，得到平臂r处相对于抱杆中心的位移时程曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在输电塔塔身附近安装地面摄像头，确保输电塔塔身在地面摄像头的视频画面内；在抱杆两侧平臂的载重小车上各安装一个平臂摄像头，确保输电塔塔身和抱杆塔身在平臂摄像头的视频画面内；
通过选取位移监测点、粘贴标志物、标定摄像头、计算标志物所有时刻的位移、获得位移时程曲线的步骤，分别实现输电塔沉降位移监测、抱杆塔身位移监测和抱杆平臂位移监测。
2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，输电塔沉降位移监测的方法，包括以下步骤：
待输电塔的低层安装完成，在输电塔塔身的合适位置选取沉降监测点，并粘贴标志物，确保标志物在地面摄像头的视频画面里成像清晰，然后标定地面摄像头；
在输电塔上层安装过程中，计算标志物在t时刻相对于初始时刻的位移；
继续计算所有时刻下标志物相对于初始时刻的位移，得到输电塔塔身的位移时程曲线。
3.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，抱杆塔身位移监测的方法，包括以下步骤：
将平臂摄像头移动至平臂合适处，镜头朝内拍摄平臂以下最高处的抱杆与输电塔塔身，确保图像清晰；
分别在输电塔塔身与抱杆塔身适当位置处选取位移监测点，并粘贴标志物，然后标定平臂摄像头；
分别计算输电塔塔身标志物和抱杆塔身标志物在t时刻相对于初始时刻的位移，将输电塔塔身的标志物作为参考目标，将抱杆塔身的标志物作为运动目标，计算获得抱杆塔身相对输电塔塔身的位移；
继续计算所有时刻下抱杆塔身相对输电塔塔身的位移，得到抱杆塔身相对于输电塔塔身的位移时程曲线。
4.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，抱杆平臂r处位移监测的方法，包括以下步骤：
将摄像头移动至距平臂中心r处，镜头朝内拍摄平臂以下最高处的抱杆；
在抱杆塔身适当位置选取位移监测点，并粘贴标志物，然后标定平臂摄像头；
计算标志物在t时刻相对于初始时刻的位移，记为(Xt,3，Yt,3)，则平臂r处相对于抱杆中心的位移为(-Xt,3，-Yt,3)；
继续计算所有时刻下平臂r处相对于抱杆中心的位移，得到平臂r处相对于抱杆中心的位移时程曲线。
5.根据权利要求1～4任一项所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，标定摄像头的方法包括以下步骤：
选用标定板在标志物附近摆放15种以上不同的姿态，同时使用摄像头采集每个姿态下标定板的图像，需要确保其中一种姿态的标定板与欲监测的目标运动方向处于同一平面；
利用采集到的标定板图像，获得目标点在像素坐标系下的齐次坐标m与实际空间坐标系下的齐次坐标M，使用张正友标定法求解式(1)中图像坐标与实际空间坐标之间的比例系数s和坐标转换矩阵P：
sm＝PM (1)。
6.根据权利要求5所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，选用的标定板表面印有9×12黑白相间方格。
7.根据权利要求1～4任一项所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，计算标志物在t时刻相对于初始时刻位移的方法，包括以下步骤：
摄像头采集初始图像p0，在初始图像p0中框选包含标志物的感兴趣区域R，再在R内框选标志物图像A，将A的左上角点坐标记为(x0，y0)；
采集t时刻图像pt，在图像pt上搜寻标志物图像A的位置，用一个大小与A相同的搜寻框，逐像素在图像pt的感兴趣区域R内移动，建立每一位置搜寻区域与A之间的归一化相关函数c(x，y)，直到搜寻框遍历R内所有区域：
式中：m，n分别为区域R的像素长度和宽度，f(i，j)为图像p0中区域R内(i，j)处的像素值，
为图像p0中区域R的平均像素值，rt(i+x，j+y)为图像pt中(i+x，j+y)处的像素值；
为图像pt中搜寻框的平均像素值；
在图像pt内，归一化相关函数c(x，y)取最大值时搜寻框的左上角点坐标记为(xt，yt)；
将(xt，yt)及其附近8个点的坐标、函数值c(x，y)代入双抛物线函数(3)，以最小二乘法求解待定系数ai(i＝0，1，2，3，4，5)：
c(x,y)＝a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2 (3)
式中x分别取xt-1、xt、xt+1，y分别取yt-1、yt、yt+1；
利用式(4)求解双抛物线函数(3)极大值点对应的坐标(xs，ys)：
根据比例系数s和坐标转换矩阵P，以及标志物图像坐标m，利用公式(5)求解监测区域在初始状态与t时刻状态的实际空间坐标：
M＝sP-1m (5)
初始时刻监测区域在实际空间下的坐标为M0＝[X0，Y0，1]T，t时刻坐标为Mt＝[Xt，Yt，1]T，则标志物在t时刻相对于初始时刻的实际位移为：
8.根据权利要求3所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，将输电塔塔身标志物和抱杆塔身标志物在t时刻相对于初始时刻的位移分别记为(Xt,1，Yt,1)、(Xt,2，Yt,2)，则抱杆塔身相对输电塔塔身的位移为：
9.根据权利要求4所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，抱杆平臂的旋转角度为：
10.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的双平臂抱杆施工过程位移监测方法，其特征在于，在抱杆回转塔身处安装风速传感器和起吊重量传感器，分别用于记录风速数据与吊重数据。
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