[發明專利]一種基于數據融合的結構層間變形監測裝置及方法

有效

• 申請號: 202210436021.2
• 申請日: 2022-04-24
• 公開（公告）號: CN115046490B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 單伽锃;任晨輝;張愿
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊宏泰

本發明涉及一種基于數據融合的結構層間變形監測裝置及方法，該裝置包括分別設置在建筑中待監測層間變形樓層的天花板和地板上的IMU、通過剛性攝像機支架安裝在天花板上的攝像機以及設置在地板上始終位于攝像機拍攝范圍內的跟蹤靶點，與現有技術相比，本發明彌補了基于視覺識別與基于加速度振動監測等單一測量方式存在的缺點，實現了兩種測量方式的互補，提高了監測精度。

技術領域

本發明涉及工程測量技術領域，尤其是涉及一種基于數據融合的結構層間變形監測裝置及方法。

背景技術

建筑結構的健康狀況不僅會因為材料的自然老化、材料間的粘合和連接變差而降低，還會因強風、地震等自然災害或不當翻新而降低，結構的性能退化可能會進一步引起結構的固有頻率和振動模式的變化或引起結構的輕微變形。結構健康監測能夠通過監測結構振動特性或微小變形來感知結構服役狀態，從而提供預警和最小化進一步損壞的可能性，樓層層間變形由于能夠反映建筑結構的健康狀況，成為結構健康監測中的重要參數。

隨著位移監測技術的發展，目前出現了許多用于監測層間變形的方法，如GPS、線性可變差動變壓器(LVDT)、加速度積分法、基于視覺的層間位移監測等。其中，加速度積分法對測量得到的加速度依次進行數值積分、高通濾波可以得到去除低頻漂移后的位移，對得到的相鄰兩層位移做差可以得到層間水平位移，利用該方法得到的位移僅限于動態位移估計，因為高通濾波消除了建筑物的臨界非線性低頻行為和永久漂移，但其在高頻區域的噪聲水平非常低；基于視覺的測量方式通過特征點檢測、追蹤得到靶點位移后再將其轉換為工程單位即可得到層間水平位移，雖然這是一種低成本、非接觸式測量方式，但是相機的分辨率在很大程度上取決于可見度(例如，光線條件、物體與相機之間的距離以及焦點)，同時相機大多具有有限的幀速率，無法收集高頻動態運動，在結構振動頻率較高時測得的層間位移誤差較大。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于數據融合的結構層間變形監測裝置及方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于數據融合的結構層間變形監測裝置，該裝置包括分別設置在建筑中待監測層間變形樓層的天花板和地板上的IMU、通過剛性攝像機支架安裝在天花板上的攝像機以及設置在地板上始終位于攝像機拍攝范圍內的跟蹤靶點。

所述的天花板和地板上的IMU均剛性固定在靠近攝像機的角落處，在初始時刻，兩個IMU的坐標系方向與世界坐標系方向重合，且布置在天花板的IMU與布置在地板的IMU處于同一鉛垂線上。

一種基于數據融合的結構層間變形監測方法，包括以下步驟：

步驟S1、在待監測層間變形樓層安裝層間變形監測裝置，在監測前，將標定板放置在跟蹤靶點的靶點區域內，根據攝像機拍攝標定板圖像，并建立標定板像素坐標(p_x,p_y)與世界坐標(x,y)之間的映射關系；

步驟S2、監測開始后，分別對兩個IMU測得的加速度數據進行對時間的二重積分得到對應的位移，并以其位移差值作為基于IMU的層間水平位移，根據IMU實時測得的姿態角和角速度數據，構建世界坐標系和IMU坐標系之間的旋轉矩陣，建立關于層間轉角的方程，采用四元數分量求解得到層間轉角；

步驟S3、根據攝像機實時拍攝到待監測層間變形樓層的監測結構視覺圖像幀序列并進行預處理后選取感興趣區域，即靶點區域；

步驟S4、采用Harris特征點檢測算法提取靶點區域內的特征點坐標，采用KLT特征追蹤算法得到靶點位移時程，通過標定板像素坐標(p_x,p_y)與世界坐標(x,y)之間的映射關系得到基于視覺的層間水平位移；

步驟S5、將基于視覺的層間水平位移進行上采樣至與IMU相同的采樣率，進行低通濾波后計算基于視覺層間水平位移與基于IMU的層間水平位移之間的相關性，并采用具有最大互相關值的時間偏移進行數據同步；