[发明专利]一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统及方法

说明书

本发明提供一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统及方法，涉及结构健康监测技术领域。该基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统，包括拉索模型采集装置、拉索线形拟合系统和拉索索力计算系统；所述拉索模型采集装置用来获取拉索的空间点云模型；所述拉索线形拟合系统用于提取准确的拉索中心线；所述索力计算系统用于计算拉索索力。本发明创新性地提出一种自动化的曲线圆形拉索的中心线快速提取算法，剔除点云中由于边缘飘逸产生的噪音，提取准确的拉索中心线，具有更高的精确性和鲁棒性；利用拉索模型提取的精确索形反解得到拉索的索力，巧妙地避免了索力测量精度受多参数耦合影响的问题。

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，具体为一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统及方法。

背景技术

在具有拉索部件的桥梁中，拉索不仅被设计用于承担桥梁大部分的竖向荷载，同时，合理的索力分布对主梁的局部受力具有显著的优化效果。在建设过程中，拉索张拉力的精确控制直接决定了成桥受力状态是否达到设计的合理成桥状态；在运营阶段，受到复杂的环境因素的影响，拉索的索力可能发生显著的变化，引起重大的安全事故。因此，精确监测拉索索力及变化规律是斜拉桥健康监测与控制、安全评估、损伤诊断必不可少的工作。

目前拉索的测量与检测方法主要是建立在频率、应变、磁场等传感器上，而在实桥应用中传感器的成本、寿命、精度和可靠性的问题普遍存在。应用最为广泛的频率法还受到拉索长度、刚度、边界条件、容量这些参数的耦合影响，影响测试精度。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统及方法，解决了现有技术中拉索在实桥应用中传感器的成本、寿命、精度和可靠性的问题以及频率法受到拉索长度、刚度、边界条件、容量这些参数的耦合影响，影响测试精度的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统，其特征在于：包括拉索模型采集装置、拉索线形拟合系统和拉索索力计算系统；

所述拉索模型采集装置用来获取拉索的空间点云模型；

所述拉索线形拟合系统用于提取准确的拉索中心线；

所述索力计算系统用于计算拉索索力。

优选的，所述拉索模型采集装置为三维扫描仪。

一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试的方法，包括以下步骤：

步骤1模型采集：利用三维扫描仪捕获拉索的空间点云模型；

步骤2线形拟合：结合采集的模型，采用自动化的曲线圆形拉索的中心线快速提取算法，将空间点云转变为二维平面内的圆曲线拟合，提取准确的拉索中心线；

步骤3索力计算：利用斜拉索线形满足悬链线方程的特点，采用地面激光扫描精确获取拉索的空间曲线，由实测曲线直接计算拉索的索力。

优选的，所述步骤2中线形拟合的具体流程为：结合采集模型，采用简单的多项式对拉索曲线进行初步拟合，确定拉索任意位置的切线向量，基于切线向量建立局部投影坐标系，将空间点云转变为二维平面内的圆曲线拟合，然后采用迭代方式逐步剔除点云中由于边缘飘逸产生的噪音，提取准确的拉索中心线；

采用多项式对采集到的拉索点云进行拟合，得到拉索的近似曲线；取多项式曲线上任意一点P(X，Y，Z)，以该点切向向量和法向平面建立局部坐标系；取P点临近区域微段点云，将其投影到局部坐标系xy平面上，得到拉索P点处圆心坐标估计所需要的点集{P}；以最小二乘法初步估计拉索截面圆曲线方程S，得到圆心半径R和圆心A坐标的初始值(x₀，y₀)，并执行迭代程序，精确估计点P处拉索的截面圆心坐标；