一種高精度遠(yuǎn)程位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，包括光學(xué)鏡頭（1）、圖像傳感器（2）、核心控制功能單元（5）、處理存儲(chǔ)單元（6）、觸發(fā)控制單元（3）和遠(yuǎn)程通訊單元（4）；其中核心控制功能單元（5）包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標(biāo)靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標(biāo)圖像匹配檢測模塊（7）；本發(fā)明采用圖像傳感器獲取被測量目標(biāo)上靶標(biāo)的圖像，并通過圖像處理獲得橋梁的位移參數(shù)，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單可靠、二維實(shí)時(shí)測量、測量量程大等特點(diǎn)，適用于長期、在線、多點(diǎn)測量。
【專利說明】一種高精度遠(yuǎn)程位移傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于力學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種可用于橋梁、大壩、結(jié)構(gòu)件等目標(biāo)的位移和形變測量裝置，特別是一種遠(yuǎn)程測量的位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁、大壩、結(jié)構(gòu)件等目標(biāo)的變形主要包括靜態(tài)變形和動(dòng)態(tài)變形，靜態(tài)變形是指地基下陷、傾斜和應(yīng)力松弛等變化很慢的變形，動(dòng)態(tài)變形是指由于風(fēng)、溫度、地震及交通負(fù)載引起的短期變形，其參數(shù)監(jiān)測對于目標(biāo)的安全評估分析具有重要的作用。世界上很多國家都投入了很大的人力物力，進(jìn)行橋梁變形測量技術(shù)的研究。
[0003]傳統(tǒng)的橋梁變形檢測的儀器有百分表、千分表、加速計(jì)、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等。目前，這些儀器在橋梁驗(yàn)收、定期檢測中仍然廣泛使用，但是需要專業(yè)技術(shù)人員，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，人為誤差大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)、自動(dòng)、智能測量。近年來，信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展大大帶動(dòng)了橋梁變形測量技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新技術(shù)和新方法，比如激光撓度法和GPS (GlobalPosition System)定位測量法。激光撓度儀能實(shí)現(xiàn)亞毫米的位移測量，但是量程僅能達(dá)到數(shù)十厘米，不能滿足跨距較大的用于橋梁大變形的測量，其垂直位移可達(dá)米級；GPS定位測量法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測量橋梁的大變形，但是其精度智能達(dá)到厘米級，且費(fèi)用高昂，限制了其推廣應(yīng)用。
[0004]自從70年代末期固體圖像傳感器出現(xiàn)以來，國內(nèi)外有不少學(xué)者以CCD等圖像傳感器為媒介，將圖像處理技術(shù)用于橋梁、混凝土梁變形測量的研究。申請?zhí)枮?00820241096.0的中國專利“一種基于機(jī)器視覺的橋梁動(dòng)位移測量裝置”公開了一種通過激光源和CCD結(jié)合測量大橋動(dòng)態(tài)變形的測量裝置，通過在橋梁遠(yuǎn)端用CCD記錄大橋變形過程中激光光束的位置變化，計(jì)算得到大橋的變形參數(shù)。目前這類位移傳感器存在的主要問題是:CCD圖像傳感器需要與準(zhǔn)直激光器聯(lián)合使用，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了基于圖像傳感器的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，通過光學(xué)成像的方法，監(jiān)測橋梁等目標(biāo)上的靶標(biāo)點(diǎn)位置隨時(shí)間變化參數(shù)，并經(jīng)過分析計(jì)算得到目標(biāo)的位移，具有二維實(shí)時(shí)測量、精度高、測量范圍大，很適合長期、在線、多點(diǎn)和自動(dòng)測量。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容如下:
[0007]—種高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，包括光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、核心控制功能單元、處理存儲(chǔ)單元、觸發(fā)控制單元和遠(yuǎn)程通訊單元；
[0008]光學(xué)鏡頭瞄準(zhǔn)被測量目標(biāo)上設(shè)置的靶標(biāo)；
[0009]圖像傳感器為C⑶或CMOS傳感器，用于獲取被測量目標(biāo)的圖像；
[0010]觸發(fā)控制單元用于提供遠(yuǎn)程位移傳感器所需的觸發(fā)信號；
[0011]遠(yuǎn)程通訊單元與處理存儲(chǔ)單元聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送；
[0012]處理存儲(chǔ)單元與核心控制功能單元相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理；[0013]核心控制功能單元包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標(biāo)靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標(biāo)圖像匹配檢測模塊；
[0014]目標(biāo)靶模板加載及規(guī)格化模塊事先根據(jù)靶標(biāo)的特征建立目標(biāo)靶模板，并對目標(biāo)靶模板進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在處理存儲(chǔ)單元的Flash存儲(chǔ)器內(nèi)；當(dāng)觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像灰度化及縮放模塊運(yùn)行處理后，得到與靶標(biāo)圖像相適應(yīng)的數(shù)據(jù)格式；在目標(biāo)圖像匹配檢測模塊內(nèi)將靶標(biāo)特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果計(jì)算出位移參數(shù)，最后由遠(yuǎn)程通訊單元傳出。
[0015]上述高精度遠(yuǎn)程位移傳感器中，目標(biāo)圖像匹配檢測模塊包括目標(biāo)圖像粗略匹配單元、目標(biāo)圖像精確匹配單元和結(jié)果判定單元，其中:
[0016]目標(biāo)圖像粗略匹配單元將圖像灰度化及縮放模塊處理后的圖像劃分為若干個(gè)區(qū)域，并將靶標(biāo)模板組數(shù)據(jù)與圖像的各個(gè)子區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，粗略判斷得到靶標(biāo)圖像存在的熱點(diǎn)區(qū)域；
[0017]目標(biāo)圖像精確匹配單元將熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標(biāo)特征模板數(shù)據(jù)逐像素進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，判斷得到靶標(biāo)所在的圖像位置；
[0018]結(jié)果判定單元處理得到靶標(biāo)的坐標(biāo)信息，并計(jì)算得到靶標(biāo)的位移值。
[0019]上述高精度遠(yuǎn)程位移傳感器中，靶標(biāo)為目標(biāo)對象上的一個(gè)特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標(biāo)。
[0020]上述高精度遠(yuǎn)程位移傳感器中，加電靶標(biāo)為排成一定形狀的LED或LD燈帶。
[0021 ] 上述高精度遠(yuǎn)程位移傳感器中，處理存儲(chǔ)單元包括Flash存儲(chǔ)器和32位ARM處理器。
[0022]上述高精度遠(yuǎn)程位移傳感器中，遠(yuǎn)程通訊單元為無線GPRS系統(tǒng)或3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。
[0023]上述高精度遠(yuǎn)程位移傳感器中，光學(xué)鏡頭為變焦距鏡頭。
[0024]上述高精度遠(yuǎn)程位移傳感器中，核心控制功能單元由DSP構(gòu)建。
[0025]本發(fā)明具有的技術(shù)效果如下:
[0026]1、本發(fā)明采用圖像傳感器獲取被測量目標(biāo)上靶標(biāo)的圖像，并通過圖像處理獲得橋梁的位移參數(shù)，具有、結(jié)構(gòu)簡單可靠、二維實(shí)時(shí)測量、測量量程大等特點(diǎn)，適用于長期、在線、多點(diǎn)測量。
[0027]2、本發(fā)明設(shè)置有采用遠(yuǎn)程通訊傳輸單元，可將測量的結(jié)果通過GPRS系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)等無線傳輸系統(tǒng)或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，傳輸至遠(yuǎn)端的值班室，滿足了遠(yuǎn)程無人值守全天候的野外工作要求。
[0028]3、本發(fā)明的核心控制功能單元采用嵌入式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊可靠，方便應(yīng)用。
[0029]4、本發(fā)明的光學(xué)鏡頭采用變焦鏡頭，自適應(yīng)測量距離、測量范圍大，對測量目標(biāo)具有良好的適應(yīng)性。
[0030]5、本發(fā)明的測量系統(tǒng)對靶標(biāo)要求不高，系統(tǒng)可根據(jù)靶標(biāo)生成不同縮放比及旋轉(zhuǎn)角度的目標(biāo)靶模板組，獲取目標(biāo)靶的距離、大小及位移信息；如果采用加電的LED或LD燈帶作為靶標(biāo)，則可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的工作，并具有特征目標(biāo)提取方便和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，測量精度也相應(yīng)提高。[0031]6、本發(fā)明將靶標(biāo)的特征目標(biāo)提取后獲得不同縮放率和不同旋轉(zhuǎn)角度的目標(biāo)模板組數(shù)據(jù)，預(yù)先放置在flash存儲(chǔ)器中，在測量中只需要讀取存儲(chǔ)器的特征目標(biāo)模板組數(shù)據(jù)與圖像傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)比對，大大提高了比對效率；同時(shí)在數(shù)據(jù)比對過程中，利用圖像相關(guān)性算法及粗略搜索及精確搜索相結(jié)合的策略有效提高比對速率和準(zhǔn)確度，最終提高了測量的時(shí)間分辨率和精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明高精度遠(yuǎn)程位移傳感器的原理示意圖；
[0033]圖2為利用本發(fā)明高精度位移傳感器測量位移的流程；
[0034]圖3為本發(fā)明目標(biāo)圖像粗略匹配和粗略搜索原理示意圖。
[0035]附圖標(biāo)記如下:
[0036]I一光學(xué)鏡頭；2—圖像傳感器；3—觸發(fā)控制單元；4一遠(yuǎn)程通訊單元；5—核心控制功能單元；6—處理存儲(chǔ)單元；7—目標(biāo)圖像匹配檢測模塊；10—靶標(biāo)；11 一靶標(biāo)特征模板組；12—含有靶標(biāo)的圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0037]如圖1所示，本發(fā)明的遠(yuǎn)程位移傳感器包括光學(xué)鏡頭1、圖像傳感器2、核心控制功能單元5、處理存儲(chǔ)單元6、觸發(fā)控制單元3和遠(yuǎn)程通訊單元4。
[0038]光學(xué)鏡頭I瞄準(zhǔn)被測量目標(biāo)上設(shè)置的靶標(biāo)，在應(yīng)用中可選變焦距的鏡頭，將不同距離、不同大小的目標(biāo)成像至圖像傳感器上，這種工作方式對測量目標(biāo)具有良好的適應(yīng)性，并具有測量范圍大的特點(diǎn)，其中圖像傳感器2為CCD或CMOS傳感器，用于實(shí)時(shí)獲取被測量目標(biāo)的圖像。
[0039]本發(fā)明的靶標(biāo)可以為目標(biāo)對象上的一個(gè)特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標(biāo)。本裝置對靶標(biāo)要求不高，如果采用加電的LED或LD燈帶作為靶標(biāo)，則可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的工作，并具有特征目標(biāo)提取方便和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，測量精度也相應(yīng)提高。
[0040]觸發(fā)控制單元3用于提供遠(yuǎn)程位移傳感器所需的觸發(fā)信號，傳感器平時(shí)不工作，只有當(dāng)外界觸發(fā)信號到來時(shí)，位移傳感器才開始工作，減小了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?。遠(yuǎn)程通訊單元4與處理存儲(chǔ)單元6聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。
[0041 ] 遠(yuǎn)程通訊單元4可以為無線GPRS系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，將測量結(jié)果傳輸至遠(yuǎn)端的值班室，滿足了遠(yuǎn)程無人值守全天候的野外工作要求。
[0042]處理存儲(chǔ)單元6包括Flash存儲(chǔ)器與32位ARM處理器，其與處理存儲(chǔ)單元6聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。
[0043]核心控制功能單元5是本發(fā)明的核心部分，包括觸發(fā)信號檢測模塊、靶標(biāo)加載及特征提取模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標(biāo)圖像匹配檢測模塊7。
[0044]其中靶標(biāo)加載及特征提取模塊事先根據(jù)靶標(biāo)的特征進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)處理后，獲得不同縮放比例和不同旋轉(zhuǎn)角度的若干個(gè)匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在處理存儲(chǔ)單元6的Flash存儲(chǔ)器內(nèi)供調(diào)用。
[0045]目標(biāo)靶模板像素大小可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行自由設(shè)定，原則上，目標(biāo)靶模板的大小和實(shí)際測量環(huán)境中標(biāo)靶成像后的像素大小越接近，測量的準(zhǔn)確度越高；模板可以縮放的數(shù)量與模板的像素大小有關(guān)，最小縮放后的模板像素不小于4個(gè)像素大??；模板的旋轉(zhuǎn)角度分度及支持最大旋轉(zhuǎn)角度也可以根據(jù)用戶需要設(shè)定，最小分度值為1°，最大支持±180。旋轉(zhuǎn)。Flash容量為IGB0
[0046]當(dāng)觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，首先對圖像采集數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度化處理，把RGB圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YUV格式數(shù)據(jù)，其中YUV格式數(shù)據(jù)中的Y值即為圖像的灰度值，其轉(zhuǎn)換公式如下:
[0047]Y=0.2989*R+0.5870*G+0.1140*B
[0048]經(jīng)過灰度化處理后，對圖片進(jìn)行壓縮、分別得到1/2，1/4，1/8，……I/η大小的圖片組，n=2x，x=l，2，3，……。然后與模板組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性匹配計(jì)算。相關(guān)性分析可以用來衡量兩幅圖片相似度標(biāo)準(zhǔn)，兩幅圖片的相似度越高，則其相關(guān)系數(shù)越大，相關(guān)性計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:包括光學(xué)鏡頭(I)、圖像傳感器(2)、核心控制功能單元(5)、處理存儲(chǔ)單元(6)、觸發(fā)控制單元(3)和遠(yuǎn)程通訊單元(4)； 所述的光學(xué)鏡頭(I)瞄準(zhǔn)被測量目標(biāo)上設(shè)置的靶標(biāo)； 所述的圖像傳感器(2)為CCD或CMOS傳感器，用于獲取被測量目標(biāo)的圖像； 所述的觸發(fā)控制單元(3)用于提供遠(yuǎn)程位移傳感器所需的觸發(fā)信號； 所述的遠(yuǎn)程通訊單元(4 )與處理存儲(chǔ)單元(6 )聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送； 所述的處理存儲(chǔ)單元(6)與核心控制功能單元(5)相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理；所述的核心控制功能單元(5)包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標(biāo)靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標(biāo)圖像匹配檢測模塊(7); 所述目標(biāo)靶模板加載及規(guī)格化模塊事先根據(jù)靶標(biāo)的特征建立目標(biāo)靶模板，并對目標(biāo)靶模板進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在處理存儲(chǔ)單元(6)的Flash存儲(chǔ)器內(nèi)；當(dāng)觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像灰度化及縮放模塊運(yùn)行處理后，得到與靶標(biāo)圖像相適應(yīng)的數(shù)據(jù)格式；在目標(biāo)圖像匹配檢測模塊(7)內(nèi)將靶標(biāo)特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果計(jì)算出位移參數(shù)，最后由遠(yuǎn)程通訊單元(4)傳出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:所述的目標(biāo)圖像匹配檢測模塊包括目標(biāo)圖像粗略匹配單元、目標(biāo)圖像精確匹配單元和結(jié)果判定單元，其中 所述的目標(biāo)圖像粗略匹配單元將圖像灰度化及縮放模塊處理后的圖像劃分為若干個(gè)區(qū)域，并將靶標(biāo)模板組數(shù)據(jù)與圖像的各個(gè)子區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，粗略判斷得到靶標(biāo)圖像存在的熱點(diǎn)區(qū)域； 所述的目標(biāo)圖像精確匹配單元將熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標(biāo)特征模板數(shù)據(jù)逐像素進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，判斷得到靶標(biāo)所在的圖像位置； 所述的結(jié)果判定單元處理得到靶標(biāo)的坐標(biāo)信息，并計(jì)算得到靶標(biāo)的位移值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:所述的靶標(biāo)為目標(biāo)對象上的一個(gè)特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:所述的加電靶標(biāo)為排成一定形狀的LED或LD燈帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:所述的處理存儲(chǔ)單元(6)包括Flash存儲(chǔ)器和32位ARM處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:所述的遠(yuǎn)程通訊單元(4)為無線GPRS系統(tǒng)或3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:所述的光學(xué)鏡頭(I)為變焦距鏡頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度遠(yuǎn)程位移傳感器，其特征在于:所述的核心控制功能單元(5)由DSP構(gòu)建。
【文檔編號】G01B11/16GK103940344SQ201410145555
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】高文武, 陳長軍, 郭敏, 徐克強(qiáng), 朱昌林 申請人:西安敏文電子科技有限公司