一種雷射表面位移自動監測系統的製作方法
2023-06-05 02:59:16 2
本發明屬於自動監測系統技術領域，涉及一種雷射表面位移自動監測系統，適用於在基坑工程、隧道工程監測中量大面廣的表面位移監測問題。
背景技術：
目前，巖土工程監測主要以人工測量手段為主，雖然有靜力水準儀等自動監測儀器，但市場價格昂貴，使得在巖土工程實踐中，無法大量推廣使用。如果能夠開發價格適中，能夠滿足巖土工程信息化施工需要的監測設備，其市場前景是巨大的。
因此，整體考慮採用嵌入式系統開發能在線智能讀取位移值的傳感系統。對於讀取雷射點在靶板上的坐標，經過調研，有幾種技術途徑，一種是採用PSD或CCD感光晶片直接讀取感光點坐標，這種方法造價較高。還有一種是採用精密加工方法將光纖構成陣列，然後採用陣列掃描讀取感光點坐標，這種方法加工難度較大。最後一種方法是直接採用攝像頭對感光靶板拍照，採用攝影測量方法讀取坐標。最後一種方法造價較低，也必將易於實現，擬採用這種方法進行自動監測系統的研製。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的缺點，提供一種雷射表面位移自動監測系統，本發明的目的是通過獲取雷射點投射在靶板上的光點的精確坐標的變化量得到安裝雷射器的表面位移變化，解決了在基坑工程、隧道工程監測中量大面廣的表面位移監測問題。
為了解決以上技術問題，本發明提供一種雷射表面位移自動監測系統，包括以下步驟：
步驟(一)、監測系統的基本技術原理；
利用雷射的準直性，當A點雷射射向B點時，B點的靶板上就存在一個光斑，如果B點(基準點)靜止不動，當A點發生位移時，靶板上的光斑也相應發生移動。精確測量靶板上光點的坐標，即可獲得A點位移的大小。並且可以在水平位移和垂直位移兩個方向上獲得位移值。
關閉雷射器，獲取沒有光點的靶板RGB彩色圖像照片，打開雷射器，獲取帶光點的靶板RGB彩色圖像照片，使用的攝像頭像素為2592×1944。
將兩張靶板RGB彩色圖像照片分別進行灰度化處理。
將處理後的灰度圖片進行相減操作，由於兩幅圖像僅有亮點處的圖像不同，在相減操作之後，會出現明顯的灰度差異。
對此灰度圖像照片進行圖像二值化處理，二值化閾值為最亮點灰度值的80％，得到的二值化圖像。
在一般情況下，雷射器所打的圓斑亮點是不規則的，為了準確打到光點的坐標位置，使用腐蝕算法將二值化圖像進行腐蝕，為了加快腐蝕算法，根據實驗的先驗知識可知，雷射器的光斑亮點像素不大於301×301，並進行圖像截取；截取後的二值化圖像像素大小不大於301×301。
此時，使用腐蝕算法對二值化圖像進行腐蝕，選取腐蝕矩陣如式所示：
每次腐蝕後，若圖像不全為0，則覆蓋前一次圖像，若圖像為全0，則停止腐蝕，不覆蓋原圖像。
將圖像中的亮點像素坐標取平均值，即得到雷射器打在靶板上的坐標。
多次得到雷射器射線在靶板上的坐標，即可測量得到安裝雷射器的結構表面位移。
步驟(二)、監測系統的標定；
監測系統的標定包括兩個部分，第一是靶板的透視標定，第二是像素與距離的標定。
(1)靶板的透視標定
靶板和測量攝像頭安裝在測量盒上，由於工藝的原因，靶板和攝像頭拍攝面無法完全平行，因此該測量裝置在製作完成後需要進行透視標定。
在製作靶板的過程中，已經貼了一層標準距離的方格紙，間距為10mm，在得到靶板照片之後，可使用四點透視法獲取透視變換係數，透視變換的過程如下：
(a)、選取靶板照片上任意一個正方形的四個頂點，依次是左上，右上，左下，右下，獲取其像素坐標(xZS，yZS)，(xYS，yYS)，(xZX，yZX)，(xYX，yYX)；
(b)、根據式從原四邊形獲得新矩形寬和高；
則變換後的四個頂點坐標如式所示：
(c)、令B＝[X(1)，Y(1)，X(2)，Y(2)，X(3)，Y(3)，X(4)，Y(4)]T，解如式所示的矩陣方程：
令
得到透視變換係數如式所示：
Xi＝inv(A)·B \*MERGEFORMAT (6)
其中，Xi為8×1階矩陣，從而得到變換係數如式所示：
(d)、假設腐蝕算法得出的光點坐標為(x0，y0)，則需要按照式進行透視變換，得到最終坐標。
至此，完成了透視變換。
(2)像素距離的標定
在靶板的透視標定結束後，需要得到像素距離和實際距離的對應關係，根據靶板上的標準線，選取已經距離的兩點坐標(x1o，y1o)，(x2o，y2o)，已知其距離為L，利用變換係數將其坐標變換為(x1，y1)，(x2，y2)，則距離標定係數如式所示：
根據此係數，可以得到兩次雷射器光對的移動距離。
步驟(三)、評估位移測量精度；
測量攝像頭拍攝像素為2592×1944，靶板尺寸為133mm×100mm，兩者比例如式所式：
因此，從理論上看，每兩點的像素距離為100/1944<0.052mm，考慮光斑的重心坐標尋找和安裝誤差等影響，該測量裝置位移測量精度需要在實際的穩定性測試中確定。
步驟(四)、測量裝置的設計；
(1)、測量盒體的設計
測量盒體材質使用6061-T6合金鋁，屬熱處理可強化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機加工性，同時具有中等強度，在退火後仍能維持較好的操作性，密度小質量輕，防腐蝕易安裝。
盒體採用拼裝結構，主體由六塊板材組成。
盒體內部安裝可調節支架，使用卡槽設計，用於安裝測量攝像頭。盒體兩端採用插槽設計，用於插入拍攝靶板。
(2)、測量靶板的設計
測量靶板的材質使用市面上常見的有機塑料板製作，板材厚度2mm，白色，透光微透明。該有機塑料板具有優良的韌性和尺寸穩定性，絕緣性能可靠、耐熱性能好，耐酸鹼、抗化學腐蝕，極易加工，並且無毒環保、經久耐用。可在其上面貼覆一層標準距離方格的塑料，用於測量系統的標定。
(3)、測量硬體的設計
測量硬體使用Raspberry Pi卡片式電腦B型Rev1，它的體積僅有信用卡般大小，具有視頻、網絡、IO等功能。
在Raspberry Pi平臺進行每一次測量所運行的時間約為5秒，表明測量頻率可達到0.2Hz，在實際的基坑、隧道等表面位移的測量中，由於表面位移變化的非常緩慢，該測量頻率完全滿足測量要求。
本發明的有益效果是：本發明設計的方法實現了適用於在基坑工程、隧道工程監測中量大面廣的表面位移自動監測系統，降低了監測成本，可無人值守自動獲取表面位移信息，是基坑工程、隧道工程監測技術領域的重大進步。
附圖說明
圖1為本發明的原理流程圖；
圖2為監測系統的基本技術原理示意圖；
圖3(a)為關閉雷射器所獲取的靶板RGB彩色圖像照片；
圖3(b)為打開雷射器所獲取的靶板RGB彩色圖像照片；
圖4(a)為關閉雷射器所獲取的靶板灰度圖像照片；
圖4(b)為打開雷射器所獲取的靶板灰度圖像照片；
圖5為相減算法後的靶板灰度圖像照片；
圖6為二值化圖像處理結果；
圖7為取光斑範圍步驟流程圖；
圖8為截取後的光斑區域二值化圖片；
圖9為腐蝕算法過程圖片；
圖10(a)為理想中的靶板與攝像頭拍攝面平行照片；
圖10(b)為實際靶板與攝像頭拍攝面不平行照片；
圖11為測量盒體拼裝圖；
圖12為測量盒體可調攝像頭支架卡槽設計；
圖13為測量硬體結構框圖；
圖14為測量硬體自動運行程序框圖；
圖15為監測系統流程；
圖16(a)為穩定性測試結果點狀圖；
圖16(b)為穩定性測試結果柱狀圖；
圖17為位移臺正方形路徑測量結果示意圖。
具體實施方式
實施例1
本實施例提供一種雷射表面位移自動監測系統，原理如圖1所示，包括以下步驟：
步驟(一)、監測系統的基本技術原理；
如圖2所示，利用雷射的準直性，當A點雷射射向B點時，B點的靶板上就存在一個光斑，如果B點(基準點)靜止不動，當A點發生位移時，靶板上的光斑也相應發生移動。精確測量靶板上光點的坐標，即可獲得A點位移的大小。並且可以在水平位移和垂直位移兩個方向上獲得位移值。
關閉雷射器，獲取沒有光點的靶板RGB彩色圖像照片，如圖3(a)所示，打開雷射器，獲取帶光點的靶板RGB彩色圖像照片，如3(b)所示，使用的攝像頭像素為2592×1944。
將兩張靶板RGB彩色圖像照片分別進行灰度化處理，如圖4(a)和圖4(b)所示。
將處理後的灰度圖片進行相減操作，由於兩幅圖像僅有亮點處的圖像不同，在相減操作之後，會出現明顯的灰度差異，如圖5所示。
對此灰度圖像照片進行圖像二值化處理，二值化閾值為最亮點灰度值的80％，得到的二值化圖像如圖6所示。
在一般情況下，雷射器所打的圓斑亮點是不規則的，為了準確打到光點的坐標位置，使用腐蝕算法將二值化圖像進行腐蝕，為了加快腐蝕算法，根據實驗的先驗知識可知，雷射器的光斑亮點像素不大於301×301，可按圖7所示方法進行圖像截取。
截取後的二值化圖像像素大小不大於301×301，如圖8所示。
此時，使用腐蝕算法對二值化圖像進行腐蝕，選取腐蝕矩陣如式所示：
每次腐蝕後，若圖像不全為0，則覆蓋前一次圖像，若圖像為全0，則停止腐蝕，不覆蓋原圖像，如圖9所示。
將圖像中的亮點像素坐標取平均值，即得到雷射器打在靶板上的坐標。
多次得到雷射器射線在靶板上的坐標，即可測量得到安裝雷射器的結構表面位移。
步驟(二)、監測系統的標定；
監測系統的標定包括兩個部分，第一是靶板的透視標定，第二是像素與距離的標定。
(1)靶板的透視標定
靶板和測量攝像頭安裝在測量盒上，由於工藝的原因，靶板和攝像頭拍攝面無法完全平行，如圖10所示，因此該測量裝置在製作完成後需要進行透視標定。
在製作靶板的過程中，已經貼了一層標準距離的方格紙，間距為10mm，在得到靶板照片之後，可使用四點透視法獲取透視變換係數，透視變換的過程如下：
(a)、選取靶板照片上任意一個正方形的四個頂點，依次是左上，右上，左下，右下，獲取其像素坐標(xZS，yZS)，(xYS，yYS)，(xZX，yZX)，(xYX，yYX)；
(b)、根據式從原四邊形獲得新矩形寬和高；
則變換後的四個頂點坐標如式所示：
(c)、令B＝[X(1)，Y(1)，X(2)，Y(2)，X(3)，Y(3)，X(4)，Y(4)]T，解如式所示的矩陣方程：
令
得到透視變換係數如式所示：
Xi＝inv(A)·B \*MERGEFORMAT (6)
其中，Xi為8×1階矩陣，從而得到變換係數如式所示：
(d)、假設腐蝕算法得出的光點坐標為(x0，y0)，則需要按照式進行透視變換，得到最終坐標。
至此，完成了透視變換。
(2)像素距離的標定
在靶板的透視標定結束後，需要得到像素距離和實際距離的對應關係，根據靶板上的標準線，選取已經距離的兩點坐標(x1o，y1o)，(x2o，y2o)，已知其距離為L，利用變換係數將其坐標變換為(x1，y1)，(x2，y2)，則距離標定係數如式所示：
根據此係數，可以得到兩次雷射器光對的移動距離。
步驟(三)、評估位移測量精度；
測量攝像頭拍攝像素為2592×1944，靶板尺寸為133mm×100mm，兩者比例如式所式：
因此，從理論上看，每兩點的像素距離為100/1944<0.052mm，考慮光斑的重心坐標尋找和安裝誤差等影響，該測量裝置位移測量精度需要在實際的穩定性測試中確定。
步驟(四)、測量裝置的設計；
(1)、測量盒體的設計
測量盒體材質使用6061-T6合金鋁，屬熱處理可強化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機加工性，同時具有中等強度，在退火後仍能維持較好的操作性，密度小質量輕，防腐蝕易安裝。
盒體採用拼裝結構，主體由六塊板材組成，如圖11所示。
盒體內部安裝可調節支架，使用卡槽設計，用於安裝測量攝像頭。盒體兩端採用插槽設計，用於插入拍攝靶板；如圖12所示。
(2)、測量靶板的設計
測量靶板的材質使用市面上常見的有機塑料板製作，板材厚度2mm，白色，透光微透明。該有機塑料板具有優良的韌性和尺寸穩定性，絕緣性能可靠、耐熱性能好，耐酸鹼、抗化學腐蝕，極易加工，並且無毒環保、經久耐用。可在其上面貼覆一層標準距離方格的塑料，用於測量系統的標定。
(3)、測量硬體的設計
測量硬體使用Raspberry Pi卡片式電腦B型Rev1，它的體積僅有信用卡般大小，具有視頻、網絡、IO等功能，硬體框圖如圖13所示。
如圖14所示，在Raspberry Pi平臺進行每一次測量所運行的時間約為5秒，表明測量頻率可達到0.2Hz，在實際的基坑、隧道等表面位移的測量中，由於表面位移變化的非常緩慢，該測量頻率完全滿足測量要求。
以下將結合附圖15-17對本發明的技術方案進行詳細描述：
流程如圖15所示，首先要製作出測量盒和靶板，然後在Raspberry Pi上燒錄好編寫的測量程序，確定好攝像頭與靶板的距離，搭建好測量平臺，接著拍攝初始照片，做透視變換求解標定因子，確定像素距離與實驗距離的關係，最後進行穩定性測試，得到實際的測量精度。
以下將通過具體的算例對本發明的技術方案中雷射像素點的坐標提取實現過程予以說明。
測量盒安裝完畢後，即可進行透視變換標定，解算出變換因子，確定出像素距離與實際距離的關係。任意取一個正方形的四個頂點，最終解算出透視變換因子為：
a＝0.96142384
b＝0.00401253
c＝168.45083955
d＝-0.01557080
e＝0.98860270
f＝-149.21030551
g＝-0.00001872
h＝0.00000839
同時得出每相鄰兩像素間的實際距離為0.04755435mm
將這些參數和測量程序導入測量硬體中，即完成了測量硬體軟體的準備工作。
在該雷射表面位移自動監測系統的安裝過程中，對安裝條件有以下限定：
雷射與測量盒間距離不宜超過10米，距離太遠則難以將雷射器光點調整至靶板上，雷射出現些微扭動光點即飛出靶板。
測量盒需要保持靜止，靶板面平行於位移表面，雷射器光線同時垂直與位移表面和靶板表面。
雷射器安裝在精密位移平臺上，能夠隨著位移臺進行三個方向的運動，對於本自動監測系統，只需要進行在垂直於水平面的表面進行運動即可，位移平臺位移精密為1μm。當關閉雷射器時，監測系統會拍攝一張照片，然後會控制雷射器打開，然後測量系統會將兩幅圖片進行灰度處理，二值化處理，進行相減後再截取最亮點附近區域進行腐蝕處理，直至不能腐蝕。最後剩餘亮點的平均坐標即認為是雷射器成靶板上的像素坐標。
在測量系統的穩定性測試中，保持雷射器位置不變，連續做了1000次的測量，得到的結果如圖16所示，在圖16(a)可以看出激素亮點集中在6個像素點的正方形之內。取這點像素點的平均值為中心，各個測量結果距離這個中心點的像素距離分布概率如圖16(b)所示，能夠看出像素各個像素點與中心的距離小於3個像素的概率為99.8％，小於4個像素的概率為100％，即可以認為此監測系統的位移測量精度為4個像素點，結合標定結果中相鄰兩像素間的實際距離，可以得出該自動監測系統的測量精度為4×0.04755435<0.2mm。
在實際的測量實驗中，控制位移平臺進行一個正方形路徑移動，每次位移1mm，最終測量結果如圖17所示。
以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內。