CN216645327U - 基于机器视觉的整套索股高差测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于机器视觉的整套索股高差测量设备，包括：两个标靶，其分别设置在标尺索股和待测索股上，任一标靶包括索夹，其固定在标尺索股或待测索股上；直杆，其竖直设置且一端与索夹固定连接；LED灯，其通过底板安装在直杆的另一端；集成摄像装置，其设置在门架顶部，所述集成摄像装置的图像采集口正对两个标靶设置；数据处理装置，其设置在控制室内且设置为用于处理集成摄像装置采集到的图像数据并计算标尺索股和待测索股的高差；数据传输装置，其设置为用于将图像数据远程传输给数据处理装置。本实用新型通过在门架上设置集成摄像装置，配合设置在标尺索股与待测索股上的标靶，实现索股高差的快速、精确、实时测量。

Description

基于机器视觉的整套索股高差测量设备

技术领域

本实用新型涉及桥梁施工技术领域。更具体地说，本实用新型涉及基于机器视觉的整套索股高差测量设备。

背景技术

传统的索股高差测量方法主要是人工使用游标卡尺进行测量，这种方法缺点在于只能在外部环境比较稳定的情况下进行测量，一旦出现大风或者其它影响因素，索股的剧烈运动将导致测量工作无法进行，且受限于游标卡尺的量程，只能将第一根标准索股作为基准索股，限制了索股架设工艺的创新。温州瓯江北口大桥创新性引入了标尺索股架设方法，标尺索股的位置在所有待架索股上方，将待架索股与标尺索股的高差作为架设索股的依据，能够快速测量索股高差，并提高测量精度和准确度。

为了适应上述标尺索股架设方法，需要设计一种新型索股高差测量设备，能够快速、准确的对待架索股和标尺索股进行高差测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于机器视觉的整套索股高差测量设备，通过在门架上设置集成摄像装置，配合设置在标尺索股与待测索股上的标靶，实现索股高差的快速、精确、实时测量。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了基于机器视觉的整套索股高差测量设备，包括：

两个标靶，其分别设置在标尺索股和待测索股上，任一标靶包括索夹，其固定在所述标尺索股或所述待测索股上；直杆，其竖直设置且一端与所述索夹固定连接；LED灯，其通过底板安装在所述直杆的另一端；

集成摄像装置，其设置在门架顶部，所述集成摄像装置的图像采集口正对所述两个标靶设置；

数据处理装置，其设置在控制室内，所述数据处理装置设置为用于处理所述集成摄像装置采集到的图像数据并计算所述标尺索股和所述待测索股的高差；

数据传输装置，其设置为用于将所述图像数据远程传输给所述数据处理装置。

优选的是，所述基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述集成摄像装置包括：外壳，其设置在所述门架顶部；摄像头，其设置在所述外壳内且镜头正对所述两个标靶设置；陀螺仪，其设置在所述外壳内；处理器，其设置在所述外壳内并与所述摄像头、所述陀螺仪电连接；电源，其设置在所述外壳内并与所述摄像头、所述陀螺仪、所述处理器电连接。

优选的是，所述基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述两个标靶分别位于所述标尺索股和所述待测索股的跨中最低位置处，所述集成摄像装置位于与跨中最低位置处的门架相邻的门架的顶部。

优选的是，所述基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述数据传输装置包括两个网桥，其分别设置在所述集成摄像装置和所述数据处理装置的外部，一个网桥将所述集成摄像装置采集的数据通过另一网桥传输至所述数据处理装置。

优选的是，所述基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述数据处理装置为计算机。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1、本实用新型通过门架上设置集成摄像装置，配合设置在标尺索股与待测索股上的标靶，使用基于机器视觉的方法实现了远程测量，量程较传统游标卡尺大，精度较传统游标卡尺高，可以对索股运动时的高差进行跟踪和记录，从而，实现了标准索股的远程、大量程、高精度、快速、实时测量；

2、本实用新型解决了恶劣环境条件下标准索股线形测量的难题，通常在季风、强阵风条件下索股运动幅度大会导致人工测量误差较大，由于施工窗口期短，白天无法进行索股测量作业、调索作业，严重影响施工效率和测量准确性，基于机器视觉的整套索股高差测量设备通过两个标靶间的相对位置来测量索股高差，可以克服上述环境因素的影响，在大风等恶劣环境下进行索股高差测量，高精度、高准确度的动态高差可以作为获取静态高差的数值依据；

3、本实用新型的索股高差测量设备结构简单，不同模块的装置均安装在现有结构上，安装方便，且基于机器视觉的测量方法读取测量数据的速度快，智能化程度高。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的基于机器视觉的整套索股高差测量设备的结构示意图；

图2为上述实施例中所述集成摄像装置的结构示意图；

图3为上述实施例中所述标靶的结构示意图；

图4为上述实施例中所述基于机器视觉的整套索股高差测量设备的工作流程示意图。

附图标记说明：

1、集成摄像装置；11、摄像头；12、外壳；13、USB转接口；14、处理器；15、变电箱；16、主板；17、垫板；18、陀螺仪；2、标靶；21、索夹；22、直杆；23、底板； 24、LED灯；3、门架；4、猫道；5、索股；51、标尺索股；52、待测索股；6、索塔；7、笔记本电脑；8、网桥。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-4所示，本实用新型提供一种基于机器视觉的整套索股高差测量设备，包括：

两个标靶2，其分别设置在标尺索股51和待测索股52上，任一标靶2包括索夹21，其固定在所述标尺索股51或所述待测索股52上；直杆22，其竖直设置且一端与所述索夹21固定连接；LED灯24，其通过底板23安装在所述直杆22的另一端；

集成摄像装置1，其设置在门架3顶部，所述集成摄像装置1的图像采集口正对所述两个标靶2设置；

数据处理装置，其设置在控制室内，所述数据处理装置设置为用于处理所述集成摄像装置1采集到的图像数据并计算所述标尺索股51和所述待测索股52的高差；

数据传输装置，其设置为用于将所述图像数据远程传输给所述数据处理装置。

上述技术方案中，两个标靶2的结构形式相同，安装在不同索股5上的设置方向也相同，具体的，两个LED灯24的光源照射方向相同(平行)，且光源射出的方向正对所述集成摄像装置1的图像采集口，底板23固定在直杆22的顶端，用于安装LED灯24的底座，直杆22的底端固定在索夹21上。在本实施例中，索夹21为上下相对设置的两个弧形夹板，其内弧面相对设置，两个弧形夹板合拢后形成的圆形通道与索股5的截面尺寸相匹配，两个弧形夹板合拢后套设在索股5上，任一夹板的边缘向弧形的两侧分别延伸形成平板结构，两个夹板边缘处的平板结构相互贴合并通过螺栓锁紧，即完成索夹21的安装。通过索夹21使标靶2与对应的索股5夹紧，提高了标靶2固定在索股5上的稳定性，保证测量过程中标靶位置的相对稳定性，提高高差测量的准确性。集成摄像装置1包括数据采集和初步处理的功能，能够实时采集两个标靶2在同一画面内的图像，并通过数据传输装置，将初步处理后的图像数据远程传输给控制室内的数据处理装置，数据处理装置搭载有专用的视觉测量软件，根据图像数据中两个标靶2的相对位置，通过视觉测量软件计算得到两个标靶2中心的高度差，即为标尺索股51与待测索股52的高差，所述视觉测量软件为根据标尺索股架设方法开发的专用索股高差值计算软件，可以根据图像上两个标靶2 点的圆心相对位置测算标尺索股51与待测索股52的高差。数据传输装置与集成摄像装置、数据处理装置间可采用有线或无线传输，数据传输装置包括数据接收模块和数据采集模块，在有线传输的情况下，数据接收模块与数据处理装置电连接，数据采集模块与集成摄像装置电连接，数据接收模块与数据采集模块间可无线远程传输数据；在无线传输的情况下，数据接收模块与数据处理装置、数据采集模块与集成摄像装置、数据接收模块与数据采集模块间均采用无线传输。

本实用新型通过门架3上设置集成摄像装置1，配合设置在标尺索股51与待测索股52上的标靶2，使用基于机器视觉的方法实现了远程测量，量程较传统游标卡尺大，最大可达到2m，精度较传统游标卡尺高，可达到0.01mm，可以对索股运动时的高差进行跟踪和记录，从而，在整套索股高差测量设备安装完成后，作业员在距离桥梁存在一定距离的控制室内即可实现了对待测索股的远程、大量程、高精度、快速、实时测量，便于控制待测索股的安装精度，提高索股安装质量。同时，基于机器视觉的整套索股高差测量设备通过两个标靶间的相对位置来测量索股高差，可以克服恶劣环境条件的影响，在大风等恶劣环境下进行索股高差测量，高精度、高准确度的动态高差可以作为获取静态高差的数值依据，从而，得到更加准确的索股高差值，指导现场调索作业，为标准索股的安装提供更加可靠的参考。

在另一技术方案中，所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述集成摄像装置1包括：外壳12，其设置在所述门架3顶部；摄像头11，其设置在所述外壳12内且镜头正对所述两个标靶2设置；陀螺仪18，其设置在所述外壳12内；处理器14，其设置在所述外壳12内并与所述摄像头11、所述陀螺仪18电连接；电源，其设置在所述外壳12 内并与所述摄像头11、所述陀螺仪18、所述处理器14电连接。其中，集成摄像装置1包括嵌入式计算机，即处理器14，用于对摄像头11采集到的图像数据进行预处理。所述外壳12为集成盒，为保护内部电子元件，集成盒为防水封闭式壳体，来自摄像头11的镜头端的光线能够穿过与其相对的外壳12侧壁，通过在外壳12侧壁处设置透明面板或使摄像头11的镜头端穿出外壳12，可顺利采集到外部标靶2处的图像数据。集成摄像装置1还包括USB转接口13、变电箱15、主板16等结构，电源集成在变电箱15内部，通过变电箱15为其他电子部件供电，主板16设置在外壳12内部并与变电箱15电连接，集成摄像装置1的内部控制电路集成在主板16上，主板16与摄像头11、陀螺仪18、处理器14、 USB转接口13等部件电连接，用于控制上述电子部件的工作和内部数据传输。USB转接口13可用于直接从集成摄像装置1上读取采集的数据，方便从施工处对集成摄像装置进行检修或故障排查等，还可以用于对内置的电源进行充电。在使用时，摄像头11采集外部标靶2处的图像数据，同时陀螺仪18通过垫板17与摄像头11位于外壳12内的端部连接，可以记录摄像头11在拍摄时因为外部环境因素造成的角度变化，并将角度数据传输给处理器14进行校正，处理器14将图像数据进行压缩处理后，通过外部的数据传输装置传输至远端的数据处理装置。从而，进一步排除了外部环境因素对图像采集端(集成摄像装置)采集到的图像数据的影响，保证了测量得到的图像数据的真实性和准确性，进而保证了计算得到的索股高差的准确性。

在另一技术方案中，所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述两个标靶2 分别位于所述标尺索股51和所述待测索股52的跨中最低位置处，所述集成摄像装置1位于与跨中最低位置处的门架3相邻的门架3的顶部。具体的，索股5架设在两侧索塔6之间，两侧索塔6间还架设有用于施工的猫道4，沿猫道的长度方向间隔设有多个门架3，其中，在所述标尺索股51和所述待测索股52的跨中最低位置处的猫道4上设有中心门架，两个标靶2分别设置在标尺索股51和待测索股52的跨中位置处，该位置也为对应索股上的最低高度点，以该位置作为基准点进行采样，以标靶位移代表整体索股的位移，能够更好的反应索股位移变化，对微小位移的检测灵敏度高。集成摄像装置1位于在与中心门架相邻的门架3上，且安装在门架横梁的中间位置处，使集成摄像装置1的图像采集覆盖范围较广，便于对不同的标尺索股51与待测索股52进行图像采集，不需要频繁移动集成摄像装置1的位置，方便施工。

在另一技术方案中，所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述数据传输装置包括两个网桥8，其分别设置在所述集成摄像装置1和所述数据处理装置的外部，一个网桥将所述集成摄像装置采集的数据通过另一网桥传输至所述数据处理装置。上述技术方案中，两个网桥8分别对应数据传输装置的数据接收模块和数据采集模块，网桥8具有无线传输功能，作为数据接收模块的网桥设置在数据处理装置附近，作为数据采集模块的网桥设置在集成摄像装置附近，可以位于同一门架上，任一网桥上有独立电源或外接电源线为网桥供电，由于作为数据采集模块的网桥长期处于外部恶劣环境中，还需在网桥外部设置专用防水盒保护网桥及其电源、线路等部件。

在另一技术方案中，所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，所述数据处理装置为计算机。在本实施例中，所述数据处理装置采用笔记本电脑7，便于携带，笔记本电脑7上搭载有专用索股高差值计算软件，便于工作人员及时对索股高差数据进行检测，并反馈至施工现场，以指导索股安装作业。

在本实施例中，以瓯江北口大桥施工工程为例，基于机器视觉的整套索股高差测量设备的施工方法如下：

S1：设备选型及***布置

S11：根据门架3至跨中距离选择合适的摄像头(镜头)焦距，根据瓯江北口大桥现场条件，摄像头11至索股5跨中距离为50米，摄像头11的感光芯片尺寸(横×纵)为 14.2×10.4mm，监控区域范围(长×高)为5m×4m左右，则镜头焦距＝50000mm× 10.4mm/4000mm＝130mm，因此可以选择135mm焦距镜头，该套设备可以配备不同焦距的摄像头，以满足不同类型的现场需求。

S12：集成摄像装置1包括嵌入式计算机(即处理器14)，对摄像头11采集的标靶图像数据进行预处理，同时陀螺仪18与摄像头11连接，记录摄像头11在拍摄时因为环境因素造成的角度变化，并将角度数据传输给处理器14进行校正，处理器14将图像数据进行压缩处理后，通过外部的网桥8(数据传输装置)传输至远端的计算机(数据处理装置)。集成摄像装置1长期处于复杂的户外环境，因此外壳12需要做好严格的密封措施，防止集成摄像装置1的内部零件受损。

S13：上述集成摄像装置1所采集到的图像数据通过数据传输装置传输至远端控制室内的计算机中，数据传输设备需满足长距离、高速的传输要求，数据传输装置选用网桥8，计算机选用笔记本电脑7；由于数据传输装置独立于集成摄像装置1之外，数据传输装置的电源线和网络连接线暴露于更加恶劣的环境中，需要采用专用防水盒保护其电源和线路设备。

S14：将集成摄像装置1安装在与索股5跨中处门架相邻的前一个门架的门架横梁中间，两个标靶2分别安装在跨中标尺索股51和待测索股52的最低位置处，摄像头11的镜头正对标靶2设置。

S15：安装好集成摄像装置1、标靶2及网桥8后，打开笔记本电脑7中的专用视觉测量软件，进行信号测试，确保两端信号畅通，对于网桥8，需要有明确的信号指示灯，以观察电源、信息连接是否正常，软件信号连接测试可以独立测试笔记本电脑7与数据接收模块的网桥、数据接收模块的网桥与数据采集模块的网桥、数据采集模块的网桥与集成摄像装置内的处理器之间的信号连接，并根据测试情况做好故障排除工作。

S16：完成上述信号测试后，需要通过专用视觉测量软件对摄像头的镜头参数进行调整，曝光、增益以及焦距都会影响标靶成像，参数设定的目标为标靶成像清晰，在相同的测量环境下，该系列参数通常为定值。

S2：对整套索股高差测量设备进行标定：理论上讲，可以根据镜头与标靶的空间距离对测距进行精确计算，但在实际测量工作中，可以根据固定长度标杆进行测距标定。

S21：采用以下方式进行测距设定：以60cm长度标杆在机器视觉上的读数(计算机上显示的距离读数)与实际标杆长度一致时的测距作为基准测距，表1是对70cm-150cm 的标杆的测量结果。由表可见即便不对测量结果进行处理，最大测量误差也仅有2mm左右。在实际工作中，可以根据标定的距离误差进行比例调整。

表1

S3：标定完成后，进行机器视觉读数，标尺索股51和待测索股52的实时高差会显示在软件上，可以直接读取动态高差，对动态高差进行观察分析，总体确定无大幅度波动、呈现出一定的变化规律，即可认为读数有效。

S4：完成上述动态高差获取后，采用滤波算法获取静态高差，在误差允许的范围内，数据剔除标准是两个标靶2的水平距离超出既定的范围，比如两个标靶的水平距离在30cm 左右变化，将水平距离设定在30cm±2cm，当两个标靶的水平位置超出该范围，小于28cm 或者大于32cm时，此时刻的高差数据将被剔除。

S5：对比机器视觉测量数据和游标卡尺测量数据，可以得到整套索股高差测量设备的精度。如表2所示(其中122号索股即为待测索股)。

表2

S6：完成全部准备工作后，整套索股高差测量设备的工作流程如下：通过摄像头11获取现场图片，陀螺仪18记录相机拍摄时因为环境因素造成的角度变化，并将角度数据传输给处理器14进行校正，处理器14将图像数据进行压缩处理后，通过网桥8传输至远端的计算机；在计算机上进行图像解压，得到实时图像，进行高差测算。计算机搭载的专用视觉测量软件基于以下测算原理进行索股高差计算：将解压后的图像以像素为单位进行识别，内置的机器学习方法可以拟合标靶2的圆心位置，对两个标靶2的圆心进行像素差值计算，进而换算为实际空间距离。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.基于机器视觉的整套索股高差测量设备，其特征在于，包括：

两个标靶，其分别设置在标尺索股和待测索股上，任一标靶包括索夹，其固定在所述标尺索股或所述待测索股上；直杆，其竖直设置且一端与所述索夹固定连接；LED灯，其通过底板安装在所述直杆的另一端；

集成摄像装置，其设置在门架顶部，所述集成摄像装置的图像采集口正对所述两个标靶设置；

数据处理装置，其设置在控制室内，所述数据处理装置设置为用于处理所述集成摄像装置采集到的图像数据并计算所述标尺索股和所述待测索股的高差；

数据传输装置，其设置为用于将所述图像数据远程传输给所述数据处理装置。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，其特征在于，所述集成摄像装置包括：外壳，其设置在所述门架顶部；摄像头，其设置在所述外壳内且镜头正对所述两个标靶设置；陀螺仪，其设置在所述外壳内；处理器，其设置在所述外壳内并与所述摄像头、所述陀螺仪电连接；电源，其设置在所述外壳内并与所述摄像头、所述陀螺仪、所述处理器电连接。

3.如权利要求1所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，其特征在于，所述两个标靶分别位于所述标尺索股和所述待测索股的跨中最低位置处，所述集成摄像装置位于与跨中最低位置处的门架相邻的门架的顶部。

4.如权利要求1所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，其特征在于，所述数据传输装置包括两个网桥，其分别设置在所述集成摄像装置和所述数据处理装置的外部，一个网桥将所述集成摄像装置采集的数据通过另一网桥传输至所述数据处理装置。

5.如权利要求1所述的基于机器视觉的整套索股高差测量设备，其特征在于，所述数据处理装置为计算机。

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