[发明专利]一种单向振动台试验结构模型位移测量方法

说明书

本发明公开了一种单向振动台试验结构模型位移测量方法，包括：标记点安装、图像采集、图像处理、标记点坐标求解、位移解算。本发明利用工业相机进行图像的采集，采用基于python语言编写的程序进行数字图像的处理，利用图像处理技术进行目标点的提取与定位，通过亚像素识别精确定位标记点坐标，根据图像‑物理坐标系换算关系最终得到标记点的位移，即是所测结构上标记点所处位置的位移，解决了大型振动台实验中，由于假定零位移刚性支架震动影响测量精度的问题，该方法，精度高，非接触测量，效率高。

技术领域

本发明涉及位移测量方法，特别涉及一种单向振动台试验结构模型位移测量方法。

背景技术

结构振动台试验是评估结构抗震性能的重要手段，而单向振动台由于其成本较低、易于控制等优点被广泛采用。振动台试验主要是将实际结构按照一定缩放比例设计成结构模型安装在振动台上，利用振动台模拟各种地震波形对结构模型施加外部激励，最终通过事先安装在结构模型上的各种测量仪器得到结构的地震响应，从而分析结构的抗震性能。

目前，结构振动台试验中所采用的测量仪器主要分为接触式和非接触式两类，常见的接触式测量仪器主要为：LVDT型位移计、拉线式位移计等，具有精度高，成本低等特点；而非接触式测量仪器主要为：激光传感器等，具有安装灵活、非接触的特点。在振动台试验中，这些传统测量仪器往往需要安装在振动台周围的刚性支架上。当结构模型很大时，振动台所施加的外部激励也会很大，刚性支架由于离振动台较近也会受到振动台的激励，从而产生不可忽略的振动，影响测量仪器的采集结果。同时，传统仪器存在：1.前期准备工作繁琐，仪器的架设、安装和理线等工作量巨大；2.无法采集结构模型失效时的试验数据；3.同时多方向测量的实现较为繁琐等不足。

虽然基于机器视觉的三维动态变形测量方法能够解决上述问题，但由于需要双目甚至多目相机而存在一些不足：1.多相机的同步不稳定，若任意一相机出现丢帧问题，就无法得到试验结果；2.多相机的标定和三维重建在大型结构模型振动台试验中往往很难实现。3.多相机的匹配技术过于复杂，门槛较高需要一定的培训，一般试验人员无法掌握。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种单向振动台试验结构模型位移测量方法。

技术方案：本发明提供一种单向振动台试验结构模型位移测量方法，包括如下步骤：

S1：将事先准备好的标记点粘贴在结构模型每层中需要测量的部位，保证标记点在相机中的成像位置位于图片中央，以减弱镜头畸变对测量精度的影响，同时使相机能捕捉到更多标记点；

S2：搭建好工业相机图像采集系统，并将相机镜头正向对准标记点；

S3：在试验开始的同时进行图片的采集，试验结束时完成图片的采集；

S4：对所采集到的每一帧图片进行图像处理工作，去除图像中无关的背景信息，识别、提取出仅含标记点的图像，从而定位得到标记点在图像坐标系中的坐标；

S5：对经过图像处理的每帧图像，进行标记点中心坐标亚像素识别，得到标记点在每帧图像中的位置坐标，两个坐标相减得到标记点在图像平面的位移；

S6：根据单相机模型、单相机物理坐标系和图形坐标系的关系，如下式所示，计算得到标记点的实际位移，

其中，X_c、Y_c、Z_c为图像坐标系下点的坐标，X_w、Y_w、Z_w为世界坐标系下点的坐标，M为转换系数，由于该系统采用的是单相机模型，且仅考虑成像平面内位移，并且人为设定图像平面X_cY_c与世界平面X_wY_w平行，不考虑Z方向点的位移，

转换系数的确定如下式所示，