大跨度梁挠度监测方法及监测系统与流程

1.本技术涉及桥梁挠度监测技术领域，具体而言，涉及一种大跨度梁挠度监测方法及监测系统。


背景技术：

2.随着交通行业的快速发展，各类基础设施产生了不同程度的老化与病害，而桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其定期的检测与维护也变得日益重要。通常来说，挠度是表征桥梁性能的最直接参数，因此，对桥梁挠度的监测成为桥梁运维与安全评估的重要环节。
3.相关技术中通过在梁中部位置布置图像识别装置，接收来自两端的点光源，通过接收光斑的垂直位移量来反演梁的扰度。采用该监测方式时，对于光斑的位置进行准确识别是核心步骤，系统根据传感器采集光斑数据，形成图像矩阵，根据采集的图像数据，寻找图中极大值点，即为光斑疑似所在位置。但是在一些情况下，光斑的分布会跨越多个像素点，求取最大值点不能精细定位，导致对光斑的位置识别误差较大，测量精度较低。
4.针对相关技术中由于光斑的分布会跨越多个像素点，求取最大值点不能精细定位，导致对光斑的位置识别误差较大，测量精度较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

5.本技术的主要目的在于提供一种大跨度梁挠度监测方法及监测系统，以解决相关技术中由于光斑的分布会跨越多个像素点，求取最大值点不能精细定位，导致对光斑的位置识别误差较大，测量精度较低的问题。
6.为了实现上述目的，本技术提供了一种大跨度梁挠度监测方法，该大跨度梁挠度监测方法包括如下步骤：获取光斑成像靶上的光斑图像；基于所述光斑图像在rgb模型中的rgb分量强度值，减小强度值最高的分量，以得到光晕缩小的点光斑图像；将所述点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图；对所述光斑灰度图进行降噪处理，得到目标光点；对目标光点进行边缘提取得到边缘点，所述边缘点围成目标光点的边缘轮廓；对所述边缘点进行圆拟合，得到圆拟合后圆的圆心坐标；标定初始状态下所述目标光点的圆心坐标，当梁挠度发生变化时，所述目标光点的圆心坐标随之变化，得到变化后的圆心坐标，求出圆心坐标变化值；将所述圆心坐标变化值转化为梁挠度变化值。
7.进一步的，基于所述光斑图像在rgb模型中的rgb分量强度值，减小强度值最高的分量，以得到光晕缩小的点光斑图像，具体为：
使用rgb模型对所述光斑图像中每一个像素点分配r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值；基于每个像素点的r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值，确定每个像素点中强度值最高的分量；将每个像素点中强度值最高的分量的强度值调整为0，得到光晕缩小的点光斑图像。
8.进一步的，将所述点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图，具体为：通过最大类间方差法对所述点光斑图像进行处理，确定图像二值化分割阈值；基于所述图像二值化分割阈值对所述点光斑图像进行图像二值化处理，得到光斑灰度图。
9.进一步的，目标光点的边缘点通过边缘提取算法对所述目标光点进行边缘提取获得。
10.进一步的，边缘提取算法为sobel算法或canny算法。
11.进一步的，对所述边缘点进行圆拟合，得到拟合后圆的圆心坐标，具体为：通过最小二乘法对所述边缘点进行圆拟合，得到一个拟合的圆；基于所述拟合的圆确定圆心，并求出所述圆心在光斑成像靶坐标系上的坐标，所述坐标为所述圆心坐标。
12.进一步的，获取光斑成像靶上的光斑图像具体为：将光斑成像靶安装在梁上，将激光发射模组安装在非梁上的固定点，使激光发射模组的激光出射方向与所述光斑成像靶的表面垂直；将图像传感器模组安装在非梁上的固定点，并位于所述光斑成像靶的一侧；通过控制激光发射模组在所述光斑成像靶上形成光斑；通过图像传感器模组获取所述光斑成像靶的图像信息；根据测量位移量程要求在所述光斑成像靶上确定图像分析区域，所述光斑位于所述图像分析区域的中心，所述图像分析区域的垂直量程大于等于所述测量位移量程的两倍；通过图像传感器模组获取所述图像分析区域，以得到所述光斑图像。
13.进一步的，基于所述光斑在所述光斑成像靶上的直径与所述图像分析区域的垂直量程，得到光斑的投影宽度占比，并判断所述投影宽度占比是否满足测量精度要求；若否，控制所述激光发射模组，使所述光斑成像靶上的光斑直径减小，直至所述投影宽度占比满足测量精度要求。
14.进一步的，基于测量最小分辨率和所述图像分析区域的垂直量程确定所述光斑图像在垂直方向上的像素点范围；测量最小分辨率可表示为：l
min
=l
max / nl
max 为图像分析区域的垂直量程，n 为光斑图像在垂直方向上的像素点数，l
min
为测量最小分辨率。
15.根据本技术的另一方面，提供一种大跨度梁挠度监测系统，该大跨度梁挠度监测系统包括：
光斑成像靶，设于待监测梁上；激光发射模组，设于非梁上的固定点，所述激光发射模组的激光出射方向与所述光斑成像靶的表面垂直；图像传感器模组，设于非梁上的固定点，用于获取光斑成像靶上的光斑图像；图像处理模组，与所述图像传感器模组连接，用于接收和处理所述光斑图像；所述图像处理模组包括：图像预处理模块，基于所述光斑图像在rgb模型中的rgb分量强度值，减小强度值最高的分量，以得到光晕缩小的点光斑图像；图像灰度处理模块，用于将所述点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图；图像降噪处理模块，用于对所述光斑灰度图进行降噪处理，得到目标光点；图像边缘点提取模块，用于对目标光点进行边缘提取得到边缘点，所述边缘点围成目标光点的边缘轮廓；边缘拟合模块，用于对所述边缘点进行圆拟合，得到拟合后圆的圆心坐标；梁挠度变化值判定模块，用于标定初始状态下所述目标光点的圆心坐标，当梁挠度发生变化时，所述目标光点的圆心坐标随之变化，得到变化后的圆心坐标，求出圆心坐标变化值，将所述圆心坐标变化值转化为梁挠度变化值。
16.进一步的，激光发射模组包括底座、设于所述底座上的激光发射器、以及用于调节所述激光发射器水平姿态的调平检测装置；所述底座包括俯仰角调节装置，所述激光发射器设于所述俯仰角调节装置的输出端，所述调平检测装置与所述俯仰角调节装置电性连接；所述图像传感器模组设为ccd传感器模组。
17.在本技术实施例中，通过获取光斑成像靶上的光斑图像；基于光斑图像在rgb模型中的rgb分量强度值，减小强度值最高的分量，以得到光晕缩小的点光斑图像；将点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图；对光斑灰度图进行降噪处理，得到目标光点；对目标光点进行边缘提取得到边缘点，边缘点围成目标光点的边缘轮廓；对边缘点进行圆拟合，得到圆拟合后圆的圆心坐标；标定初始状态下目标光点的圆心坐标，当梁挠度发生变化时，目标光点的圆心坐标随之变化，得到变化后的圆心坐标，求出圆心坐标变化值；将圆心坐标变化值转化为梁挠度变化值，达到了以光斑图像的圆心位置作为光斑图像的识别位置，并准确的确定光斑图像的圆心位置的目的，从而实现了对光斑图像的圆心进行精细定位，降低光斑位置识别误差，提高测量精度的技术效果，进而解决了相关技术中由于光斑的分布会跨越多个像素点，求取最大值点不能精细定位，导致对光斑的位置识别误差较大，测量精度较低的问题。
附图说明
18.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1是根据本技术实施例中光斑图像的示意图；图2是根据本技术实施例中点光斑图像的示意图；
图3是根据本技术实施例中目标光点的放大示意图；图4是根据本技术实施例中目标光点的边缘点的示意图；图5是根据本技术实施例中边缘点圆拟合的示意图；图6是根据本技术实施例中该大跨度梁挠度监测的流程示意图。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
20.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。
21.在本技术中，术语“上”、“下”、“内”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
22.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
23.此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
24.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
26.如图6所示，本技术实施例提供了一种大跨度梁挠度监测方法，该大跨度梁挠度监测方法包括如下步骤：s10获取光斑成像靶上的光斑图像；s20基于所述光斑图像在rgb模型中的rgb分量强度值，减小强度值最高的分量，以得到光晕缩小的点光斑图像；s30将所述点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图；s40对所述光斑灰度图进行降噪处理，得到目标光点；s50对目标光点进行边缘提取得到边缘点，所述边缘点围成目标光点的边缘轮廓；s60对所述边缘点进行圆拟合，得到圆拟合后圆的圆心坐标；s70标定初始状态下所述目标光点的圆心坐标，当梁挠度发生变化时，所述目标光点的圆心坐标随之变化，得到变化后的圆心坐标，求出圆心坐标变化值；s80将所述圆心坐标变化值转化为梁挠度变化值。
27.本实施例中，对于梁的挠度监测主要是监测横梁垂直于梁轴向的位移情况，可通过在梁上布置光斑成像靶，在光斑成像靶的侧面布置光源和图像识别装置。在监测时，光源开启并将光线射在光斑成像靶上，从而在光斑成像靶上形成光斑。当梁受力后产生垂直位移时，光斑成像靶和梁同步移动，导致光斑在光斑成像靶上的位置发生变化，通过计算光斑的位移量可反推梁的挠度。
28.光斑成像靶可为布置在梁上的半透膜，光源可为激光投射系统，图像识别装置可为ccd传感器模组。激光投射系统根据外部控制信号，实现激光源的开关，以保证在测量期间开启激光源，降低光源使用率。激光投射系统产生的光斑大小可调节，在 20m 处直径最小为 0.5cm。激光投射系统的光源方位/俯仰方向可根据安装位置做微调，其具有调平检测装置，由于检测自身的姿态并进行调平。
29.ccd传感器模组的摄像头输入方向对准光斑成像靶，通过算法识别光斑位置。通过对比原始光斑位置与当前光斑位置的垂直变化情况，获取梁挠度值。
30.为提高对光斑图像位置识别的准确性，本实施例采用光斑质心提取的方式进行位置确定。由于通过激光投射系统投射在光斑成像靶上的光斑图像并非标准的点光斑，其具有较为明显的光晕，如图1所示。由于光晕的存在，导致在对光斑图像进行质心提取时误差较大，因此需要对获取的光斑图像的光晕进行消除。
31.具体的，由于光斑图像为彩色图像，在rgb模型中该光斑图像的图像矩阵由r分量强度值矩阵、g分量强度值矩阵和b分量强度值矩阵共同构成。对于光斑图像的光晕部分，在rgb分量强度值中为同一个分量的强度值最大，只需要将该分量的强度值调低即可将光晕减小。例如，对于光斑整体呈红色的光斑图像而言，其中心部分会呈白色，而周围的光晕部分则为明显的红色，即光晕部分的rgb分量强度值中，r分量的强度值最大，此时可将光斑图像中的r分量强度值调低，即可使得光晕明显减小，甚至可将r分量调至0，从而得到一个光斑为绿色的图像。同理对于光斑整体呈蓝色的光斑图像而言，光晕部分的rgb分量强度值中，b分量的强度值最大，此时可将光斑图像中的b分量强度值调低，即可使得光晕明显减小。
32.如图2所示，通过该方式对光斑图像进行预处理后得到光晕消除后较为清晰的点光斑图像。为便于后续的图像处理，可将点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图。此处，采用灰度处理的方式可为相关技术中的图像灰度处理方式。由于进行灰度处理后得到的光斑灰度图具有噪点，因此为提高后续的处理精度，需要对光斑灰度图进行降噪处理，得到目标光点，如图3所示。此处，降噪处理的方式也可采用相关技术中的图像降噪处理。
33.如图3所示，此时得到的目标光点在边缘处为不规则的像素点，因此为便于提取目标光点的质心，需要对目标光点进行边缘提取得到多个边缘点，由多个边缘点围成目标光点的边缘轮廓，如图4所示。对于理想高斯光斑而言，边缘轮廓为类圆状，而对于产生畸变的光斑而言，边缘轮廓可能为类椭圆形或异形。在获取目标光点的边缘点后可通过边缘点进行圆拟合，从而得到一个圆，如图5所示，然后再根据该圆确定圆心位置，此处圆心即为光斑图像的质心，在确定圆心位置后即可计算得到圆心坐标。由于圆心位置通过对多个边缘点进行拟合后确定，因此可提高圆心位置的监测精度。
34.上述方式为对光斑图像进行的图像处理和质心提取，在梁挠度监测的过程中，首先需要获取梁未发生变化时目标光点在光斑成像靶上的圆心坐标，此时圆心坐标的获取方
式即为上述的质心提取方式。由于此时梁未发生变化，因此可将该圆心坐标标定为初始状态下目标光点的圆心坐标。当梁发生变化时，目标光点在光斑成像靶上的圆心坐标随之发生变化，在此过程中可获取每一预设时间上的光斑图像并通过图像处理和质心提取计算其圆心坐标，通过将梁在变化过程中的每一预设时间上光斑图像在光斑成像靶上的圆心坐标与初始状态下目标光点的圆心坐标进行对比，即可求得每一预设时间上的圆心坐标变化值，然后再将将所述圆心坐标变化值转化为梁挠度变化值。本实施例中所指的圆心坐标为目标光点的圆心在光斑成像靶坐标系上的坐标值。
35.本实施例通过对光斑图像进行多次图像处理，消除光斑图像的光晕，进行灰度处理和降噪处理，并通过边缘点进行圆拟合确定圆心坐标，减小圆心坐标的计算误差，实现了对光斑图像的圆心进行精细定位，降低光斑位置识别误差，提高测量精度的技术效果，进而解决了相关技术中由于光斑的分布会跨越多个像素点，求取最大值点不能精细定位，导致对光斑的位置识别误差较大，测量精度较低的问题。
36.进一步的，基于所述光斑图像在rgb模型中的rgb分量强度值，减小强度值最高的分量，以得到光晕缩小的点光斑图像，具体为：使用rgb模型对所述光斑图像中每一个像素点分配r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值；基于每个像素点的r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值，确定每个像素点中强度值最高的分量；将每个像素点中强度值最高的分量的强度值调整为0，得到光晕缩小的点光斑图像。
37.本实施例中，光斑图像包含多个像素点，每个像素点均具有对应的r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值，根据每个像素点的r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值，确定每个像素点中强度值最高的分量。由于光斑图像的中间部分呈现为亮度较高的白色，导致该部分的r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值均较高且相近，因此通过光斑图像的中间部分的rgb分量强度值难以准确的确定需要调整的分量。
38.由于在光斑图像的光晕部分亮度值会较低，且分量之间的区别较大，因此可先通过分析光斑图像光晕部分中各个像素点的r分量强度值、g分量强度值和b分量强度值，从而确定位于光晕部分强度值最高的分量，在将该分量的强度值调整为0后，即可消除光晕并得到光晕缩小的点光斑图像。对于光晕部分的确认可通过预设一个分量差值范围，即预设一个r分量、g分量和b分量之间的差值范围，满足该差值范围的像素点可认定为光晕部分的像素点，不满足该差值范围的像素点则可认定为光斑图像中间部分。
39.进一步的，将所述点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图，具体为：通过最大类间方差法对所述点光斑图像进行处理，确定图像二值化分割阈值；基于所述图像二值化分割阈值对所述点光斑图像进行图像二值化处理，得到光斑灰度图。可采用otsu算法来对点光斑图像进行灰度处理。
40.进一步的，目标光点的边缘点通过边缘提取算法对所述目标光点进行边缘提取获得，边缘提取算法为sobel算法或canny算法。
41.进一步的，对所述边缘点进行圆拟合，得到拟合后圆的圆心坐标，具体为：通过最小二乘法对所述边缘点进行圆拟合，得到一个拟合的圆；基于所述拟合的圆确定圆心，并求
出所述圆心在光斑成像靶坐标系上的坐标，所述坐标为所述圆心坐标。
42.进一步的，获取光斑成像靶上的光斑图像具体为：将光斑成像靶安装在梁上，将激光发射模组安装在非梁上的固定点，利用梁墩上，使激光发射模组的激光出射方向与所述光斑成像靶的表面垂直；将图像传感器模组安装在非梁上的固定点，并位于所述光斑成像靶的一侧，图像传感器模组可与激光发射模组位于光斑成像靶的同一侧，或者位于光斑成像靶的两侧；通过控制激光发射模组在所述光斑成像靶上形成光斑；通过图像传感器模组获取所述光斑成像靶的图像信息；激光发射模组和图像传感器的工作均可通过外部控制系统进行控制，其由外部启停信号开启工作，将垂直位移数据通过以太网的方式传输至服务站点，数据更新率≥1s/次，传输方式为标准 udp 网络协议，考虑到梁的往复运动情况，增加数据无限传输方式，以省去有线传输的拖拽弊端；当图像传感器模组为视角为120
°
的ccd传感器时，由于镜头为凸透镜，入射光会随着角度的增加发生弯曲，意味着其测量线性度会发生改变，因此可选择ccd传感器的有效区域为正中某一区域。即根据测量位移量程要求在所述光斑成像靶上确定图像分析区域，图像分析区域位于获取的光斑成像靶图像的正中区域，所述光斑位于所述图像分析区域的中心，所述图像分析区域的垂直量程大于等于所述测量位移量程的两倍；通过图像传感器模组获取所述图像分析区域，得到所述光斑图像。
43.进一步的，基于所述光斑在所述光斑成像靶上的直径与所述图像分析区域的垂直量程，得到光斑的投影宽度占比，并判断所述投影宽度占比是否满足测量精度要求；若否，控制所述激光发射模组，使所述光斑成像靶上的光斑直径减小，直至所述投影宽度占比满足测量精度要求。
44.具体的，需要说明的是，根据单向垂直位移量程为 100mm，设定光斑成像靶的尺寸为 20cmx20cm。若在 20m 处的光斑成像靶上光斑直径≈5mm，那么其在 20cmx20cm 的光斑成像靶上垂直量程上的投影宽度占比为2.5%，与
±
2%fs 的测量精度较为接近，此时投影宽度占比是否满足测量精度要求。若实际算出的投影宽度占比与设定测量精度之间差值过大时，则认为投影宽度占比不满足测量精度要求，此时可通过调整激光发射模组，使得光斑直径减小，以满足测量精度要求。
45.进一步的，基于测量最小分辨率和所述图像分析区域的垂直量程确定所述光斑图像在垂直方向上的像素点范围；测量最小分辨率可表示为：l
min
=l
max / nl
max 为图像分析区域的垂直量程，n 为光斑图像在垂直方向上的像素点数，l
min
为测量最小分辨率。
46.具体的，需要说的是，例如：l
max 为 20cm 时，l
min 为 1mm时，垂直方向的像素点数为 n≥200 即可满足要求。常用 30w 像素的 ccd 传感器输出标准为 640x480 像素点，如选取ccd 传感器输出宽度较宽（输出点数较多）的一端作为垂直检测方向时，例如 640，理论分辨率可达 0.3125mm。
47.根据本技术的另一方面，提供一种大跨度梁挠度监测系统，该大跨度梁挠度监测系统包括：
光斑成像靶，设于待监测梁上；激光发射模组，设于非梁上的固定点，所述激光发射模组的激光出射方向与所述光斑成像靶的表面垂直；图像传感器模组，设于非梁上的固定点，用于获取光斑成像靶上的光斑图像；图像处理模组，与所述图像传感器模组连接，用于接收和处理所述光斑图像；所述图像处理模组包括：图像预处理模块，基于所述光斑图像在rgb模型中的rgb分量强度值，减小强度值最高的分量，以得到光晕缩小的点光斑图像；图像灰度处理模块，用于将所述点光斑图像进行灰度处理，得到光斑灰度图；图像降噪处理模块，用于对所述光斑灰度图进行降噪处理，得到目标光点；图像边缘点提取模块，用于对目标光点进行边缘提取得到边缘点，所述边缘点围成目标光点的边缘轮廓；边缘拟合模块，用于对所述边缘点进行圆拟合，得到拟合后圆的圆心坐标；梁挠度变化值判定模块，用于标定初始状态下所述目标光点的圆心坐标，当梁挠度发生变化时，所述目标光点的圆心坐标随之变化，得到变化后的圆心坐标，求出圆心坐标变化值，将所述圆心坐标变化值转化为梁挠度变化值。
48.具体的，需要说明的是，激光发射模组作为光源站点，其还包括光源开关。图像传感器模组和图像处理模组作为接收站点，该接收站点还包括系统控制模组和本地显示模组，图像处理模组中的图像预处理模块、图像灰度处理模块、图像降噪处理模块、图像边缘点提取模块、边缘拟合模块和梁挠度变化值判定模块均集成在arm处理系统中，具体为集成在arm核心板上。
49.图像传感器模组设为ccd传感器，ccd传感器可与arm核心板通过usb连接线进行连接，可光斑图像传输给arm核心板进行处理，arm核心板的结果可通过网口输出至远程pc端，arm核心板也可通过系统控制模组进行控制，并将结果在本体显示模组上进行显示。
50.进一步的，激光发射模组包括底座、设于所述底座上的激光发射器、以及用于调节所述激光发射器水平姿态的调平检测装置；所述底座包括俯仰角调节装置，所述激光发射器设于所述俯仰角调节装置的输出端，所述调平检测装置与所述俯仰角调节装置电性连接；所述图像传感器模组设为ccd传感器模组。
51.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。