本發(fā)明屬于自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于在基坑工程、隧道工程監(jiān)測(cè)中量大面廣的表面位移監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

背景技術(shù)：

目前，巖土工程監(jiān)測(cè)主要以人工測(cè)量手段為主，雖然有靜力水準(zhǔn)儀等自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，但市場(chǎng)價(jià)格昂貴，使得在巖土工程實(shí)踐中，無(wú)法大量推廣使用。如果能夠開(kāi)發(fā)價(jià)格適中，能夠滿(mǎn)足巖土工程信息化施工需要的監(jiān)測(cè)設(shè)備，其市場(chǎng)前景是巨大的。

因此，整體考慮采用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能在線(xiàn)智能讀取位移值的傳感系統(tǒng)。對(duì)于讀取激光點(diǎn)在靶板上的坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)調(diào)研，有幾種技術(shù)途徑，一種是采用PSD或CCD感光芯片直接讀取感光點(diǎn)坐標(biāo)，這種方法造價(jià)較高。還有一種是采用精密加工方法將光纖構(gòu)成陣列，然后采用陣列掃描讀取感光點(diǎn)坐標(biāo)，這種方法加工難度較大。最后一種方法是直接采用攝像頭對(duì)感光靶板拍照，采用攝影測(cè)量方法讀取坐標(biāo)。最后一種方法造價(jià)較低，也必將易于實(shí)現(xiàn)，擬采用這種方法進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種激光表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明的目的是通過(guò)獲取激光點(diǎn)投射在靶板上的光點(diǎn)的精確坐標(biāo)的變化量得到安裝激光器的表面位移變化，解決了在基坑工程、隧道工程監(jiān)測(cè)中量大面廣的表面位移監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種激光表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟(一)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本技術(shù)原理；

利用激光的準(zhǔn)直性，當(dāng)A點(diǎn)激光射向B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)的靶板上就存在一個(gè)光斑，如果B點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))靜止不動(dòng)，當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，靶板上的光斑也相應(yīng)發(fā)生移動(dòng)。精確測(cè)量靶板上光點(diǎn)的坐標(biāo)，即可獲得A點(diǎn)位移的大小。并且可以在水平位移和垂直位移兩個(gè)方向上獲得位移值。

關(guān)閉激光器，獲取沒(méi)有光點(diǎn)的靶板RGB彩色圖像照片，打開(kāi)激光器，獲取帶光點(diǎn)的靶板RGB彩色圖像照片，使用的攝像頭像素為2592×1944。

將兩張靶板RGB彩色圖像照片分別進(jìn)行灰度化處理。

將處理后的灰度圖片進(jìn)行相減操作，由于兩幅圖像僅有亮點(diǎn)處的圖像不同，在相減操作之后，會(huì)出現(xiàn)明顯的灰度差異。

對(duì)此灰度圖像照片進(jìn)行圖像二值化處理，二值化閾值為最亮點(diǎn)灰度值的80％，得到的二值化圖像。

在一般情況下，激光器所打的圓斑亮點(diǎn)是不規(guī)則的，為了準(zhǔn)確打到光點(diǎn)的坐標(biāo)位置，使用腐蝕算法將二值化圖像進(jìn)行腐蝕，為了加快腐蝕算法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的先驗(yàn)知識(shí)可知，激光器的光斑亮點(diǎn)像素不大于301×301，并進(jìn)行圖像截??；截取后的二值化圖像像素大小不大于301×301。

此時(shí)，使用腐蝕算法對(duì)二值化圖像進(jìn)行腐蝕，選取腐蝕矩陣如式所示：

每次腐蝕后，若圖像不全為0，則覆蓋前一次圖像，若圖像為全0，則停止腐蝕，不覆蓋原圖像。

將圖像中的亮點(diǎn)像素坐標(biāo)取平均值，即得到激光器打在靶板上的坐標(biāo)。

多次得到激光器射線(xiàn)在靶板上的坐標(biāo)，即可測(cè)量得到安裝激光器的結(jié)構(gòu)表面位移。

步驟(二)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定；

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定包括兩個(gè)部分，第一是靶板的透視標(biāo)定，第二是像素與距離的標(biāo)定。

(1)靶板的透視標(biāo)定

靶板和測(cè)量攝像頭安裝在測(cè)量盒上，由于工藝的原因，靶板和攝像頭拍攝面無(wú)法完全平行，因此該測(cè)量裝置在制作完成后需要進(jìn)行透視標(biāo)定。

在制作靶板的過(guò)程中，已經(jīng)貼了一層標(biāo)準(zhǔn)距離的方格紙，間距為10mm，在得到靶板照片之后，可使用四點(diǎn)透視法獲取透視變換系數(shù)，透視變換的過(guò)程如下：

(a)、選取靶板照片上任意一個(gè)正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，依次是左上，右上，左下，右下，獲取其像素坐標(biāo)(xZS，yZS)，(xYS，yYS)，(xZX，yZX)，(xYX，yYX)；

(b)、根據(jù)式從原四邊形獲得新矩形寬和高；

則變換后的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)如式所示：

(c)、令B＝[X(1)，Y(1)，X(2)，Y(2)，X(3)，Y(3)，X(4)，Y(4)]^T，解如式所示的矩陣方程：

令

得到透視變換系數(shù)如式所示：

Xi＝inv(A)·B \*MERGEFORMAT (6)

其中，Xi為8×1階矩陣，從而得到變換系數(shù)如式所示：

(d)、假設(shè)腐蝕算法得出的光點(diǎn)坐標(biāo)為(x₀，y₀)，則需要按照式進(jìn)行透視變換，得到最終坐標(biāo)。

至此，完成了透視變換。

(2)像素距離的標(biāo)定

在靶板的透視標(biāo)定結(jié)束后，需要得到像素距離和實(shí)際距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)靶板上的標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)，選取已經(jīng)距離的兩點(diǎn)坐標(biāo)(x_1o，y_1o)，(x_2o，y_2o)，已知其距離為L(zhǎng)，利用變換系數(shù)將其坐標(biāo)變換為(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，則距離標(biāo)定系數(shù)如式所示：

根據(jù)此系數(shù)，可以得到兩次激光器光對(duì)的移動(dòng)距離。

步驟(三)、評(píng)估位移測(cè)量精度；

測(cè)量攝像頭拍攝像素為2592×1944，靶板尺寸為133mm×100mm，兩者比例如式所式：

因此，從理論上看，每?jī)牲c(diǎn)的像素距離為100/1944<0.052mm，考慮光斑的重心坐標(biāo)尋找和安裝誤差等影響，該測(cè)量裝置位移測(cè)量精度需要在實(shí)際的穩(wěn)定性測(cè)試中確定。

步驟(四)、測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)；

(1)、測(cè)量盒體的設(shè)計(jì)

測(cè)量盒體材質(zhì)使用6061-T6合金鋁，屬熱處理可強(qiáng)化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機(jī)加工性，同時(shí)具有中等強(qiáng)度，在退火后仍能維持較好的操作性，密度小質(zhì)量輕，防腐蝕易安裝。

盒體采用拼裝結(jié)構(gòu)，主體由六塊板材組成。

盒體內(nèi)部安裝可調(diào)節(jié)支架，使用卡槽設(shè)計(jì)，用于安裝測(cè)量攝像頭。盒體兩端采用插槽設(shè)計(jì)，用于插入拍攝靶板。

(2)、測(cè)量靶板的設(shè)計(jì)

測(cè)量靶板的材質(zhì)使用市面上常見(jiàn)的有機(jī)塑料板制作，板材厚度2mm，白色，透光微透明。該有機(jī)塑料板具有優(yōu)良的韌性和尺寸穩(wěn)定性，絕緣性能可靠、耐熱性能好，耐酸堿、抗化學(xué)腐蝕，極易加工，并且無(wú)毒環(huán)保、經(jīng)久耐用?？稍谄渖厦尜N覆一層標(biāo)準(zhǔn)距離方格的塑料，用于測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定。

(3)、測(cè)量硬件的設(shè)計(jì)

測(cè)量硬件使用Raspberry Pi卡片式電腦B型Rev1，它的體積僅有信用卡般大小，具有視頻、網(wǎng)絡(luò)、IO等功能。

在Raspberry Pi平臺(tái)進(jìn)行每一次測(cè)量所運(yùn)行的時(shí)間約為5秒，表明測(cè)量頻率可達(dá)到0.2Hz，在實(shí)際的基坑、隧道等表面位移的測(cè)量中，由于表面位移變化的非常緩慢，該測(cè)量頻率完全滿(mǎn)足測(cè)量要求。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)了適用于在基坑工程、隧道工程監(jiān)測(cè)中量大面廣的表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，降低了監(jiān)測(cè)成本，可無(wú)人值守自動(dòng)獲取表面位移信息，是基坑工程、隧道工程監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)步。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的原理流程圖；

圖2為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本技術(shù)原理示意圖；

圖3(a)為關(guān)閉激光器所獲取的靶板RGB彩色圖像照片；

圖3(b)為打開(kāi)激光器所獲取的靶板RGB彩色圖像照片；

圖4(a)為關(guān)閉激光器所獲取的靶板灰度圖像照片；

圖4(b)為打開(kāi)激光器所獲取的靶板灰度圖像照片；

圖5為相減算法后的靶板灰度圖像照片；

圖6為二值化圖像處理結(jié)果；

圖7為取光斑范圍步驟流程圖；

圖8為截取后的光斑區(qū)域二值化圖片；

圖9為腐蝕算法過(guò)程圖片；

圖10(a)為理想中的靶板與攝像頭拍攝面平行照片；

圖10(b)為實(shí)際靶板與攝像頭拍攝面不平行照片；

圖11為測(cè)量盒體拼裝圖；

圖12為測(cè)量盒體可調(diào)攝像頭支架卡槽設(shè)計(jì)；

圖13為測(cè)量硬件結(jié)構(gòu)框圖；

圖14為測(cè)量硬件自動(dòng)運(yùn)行程序框圖；

圖15為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程；

圖16(a)為穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果點(diǎn)狀圖；

圖16(b)為穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果柱狀圖；

圖17為位移臺(tái)正方形路徑測(cè)量結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種激光表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，原理如圖1所示，包括以下步驟：

步驟(一)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本技術(shù)原理；

如圖2所示，利用激光的準(zhǔn)直性，當(dāng)A點(diǎn)激光射向B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)的靶板上就存在一個(gè)光斑，如果B點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))靜止不動(dòng)，當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，靶板上的光斑也相應(yīng)發(fā)生移動(dòng)。精確測(cè)量靶板上光點(diǎn)的坐標(biāo)，即可獲得A點(diǎn)位移的大小。并且可以在水平位移和垂直位移兩個(gè)方向上獲得位移值。

關(guān)閉激光器，獲取沒(méi)有光點(diǎn)的靶板RGB彩色圖像照片，如圖3(a)所示，打開(kāi)激光器，獲取帶光點(diǎn)的靶板RGB彩色圖像照片，如3(b)所示，使用的攝像頭像素為2592×1944。

將兩張靶板RGB彩色圖像照片分別進(jìn)行灰度化處理，如圖4(a)和圖4(b)所示。

將處理后的灰度圖片進(jìn)行相減操作，由于兩幅圖像僅有亮點(diǎn)處的圖像不同，在相減操作之后，會(huì)出現(xiàn)明顯的灰度差異，如圖5所示。

對(duì)此灰度圖像照片進(jìn)行圖像二值化處理，二值化閾值為最亮點(diǎn)灰度值的80％，得到的二值化圖像如圖6所示。

在一般情況下，激光器所打的圓斑亮點(diǎn)是不規(guī)則的，為了準(zhǔn)確打到光點(diǎn)的坐標(biāo)位置，使用腐蝕算法將二值化圖像進(jìn)行腐蝕，為了加快腐蝕算法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的先驗(yàn)知識(shí)可知，激光器的光斑亮點(diǎn)像素不大于301×301，可按圖7所示方法進(jìn)行圖像截取。

截取后的二值化圖像像素大小不大于301×301，如圖8所示。

此時(shí)，使用腐蝕算法對(duì)二值化圖像進(jìn)行腐蝕，選取腐蝕矩陣如式所示：

每次腐蝕后，若圖像不全為0，則覆蓋前一次圖像，若圖像為全0，則停止腐蝕，不覆蓋原圖像，如圖9所示。

將圖像中的亮點(diǎn)像素坐標(biāo)取平均值，即得到激光器打在靶板上的坐標(biāo)。

多次得到激光器射線(xiàn)在靶板上的坐標(biāo)，即可測(cè)量得到安裝激光器的結(jié)構(gòu)表面位移。

步驟(二)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定；

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定包括兩個(gè)部分，第一是靶板的透視標(biāo)定，第二是像素與距離的標(biāo)定。

(1)靶板的透視標(biāo)定

靶板和測(cè)量攝像頭安裝在測(cè)量盒上，由于工藝的原因，靶板和攝像頭拍攝面無(wú)法完全平行，如圖10所示，因此該測(cè)量裝置在制作完成后需要進(jìn)行透視標(biāo)定。

在制作靶板的過(guò)程中，已經(jīng)貼了一層標(biāo)準(zhǔn)距離的方格紙，間距為10mm，在得到靶板照片之后，可使用四點(diǎn)透視法獲取透視變換系數(shù)，透視變換的過(guò)程如下：

(a)、選取靶板照片上任意一個(gè)正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，依次是左上，右上，左下，右下，獲取其像素坐標(biāo)(xZS，yZS)，(xYS，yYS)，(xZX，yZX)，(xYX，yYX)；

(b)、根據(jù)式從原四邊形獲得新矩形寬和高；

則變換后的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)如式所示：

(c)、令B＝[X(1)，Y(1)，X(2)，Y(2)，X(3)，Y(3)，X(4)，Y(4)]^T，解如式所示的矩陣方程：

令

得到透視變換系數(shù)如式所示：

Xi＝inv(A)·B \*MERGEFORMAT (6)

其中，Xi為8×1階矩陣，從而得到變換系數(shù)如式所示：

(d)、假設(shè)腐蝕算法得出的光點(diǎn)坐標(biāo)為(x₀，y₀)，則需要按照式進(jìn)行透視變換，得到最終坐標(biāo)。

至此，完成了透視變換。

(2)像素距離的標(biāo)定

在靶板的透視標(biāo)定結(jié)束后，需要得到像素距離和實(shí)際距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)靶板上的標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)，選取已經(jīng)距離的兩點(diǎn)坐標(biāo)(x_1o，y_1o)，(x_2o，y_2o)，已知其距離為L(zhǎng)，利用變換系數(shù)將其坐標(biāo)變換為(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，則距離標(biāo)定系數(shù)如式所示：

根據(jù)此系數(shù)，可以得到兩次激光器光對(duì)的移動(dòng)距離。

步驟(三)、評(píng)估位移測(cè)量精度；

測(cè)量攝像頭拍攝像素為2592×1944，靶板尺寸為133mm×100mm，兩者比例如式所式：

因此，從理論上看，每?jī)牲c(diǎn)的像素距離為100/1944<0.052mm，考慮光斑的重心坐標(biāo)尋找和安裝誤差等影響，該測(cè)量裝置位移測(cè)量精度需要在實(shí)際的穩(wěn)定性測(cè)試中確定。

步驟(四)、測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)；

(1)、測(cè)量盒體的設(shè)計(jì)

測(cè)量盒體材質(zhì)使用6061-T6合金鋁，屬熱處理可強(qiáng)化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機(jī)加工性，同時(shí)具有中等強(qiáng)度，在退火后仍能維持較好的操作性，密度小質(zhì)量輕，防腐蝕易安裝。

盒體采用拼裝結(jié)構(gòu)，主體由六塊板材組成，如圖11所示。

盒體內(nèi)部安裝可調(diào)節(jié)支架，使用卡槽設(shè)計(jì)，用于安裝測(cè)量攝像頭。盒體兩端采用插槽設(shè)計(jì)，用于插入拍攝靶板；如圖12所示。

(2)、測(cè)量靶板的設(shè)計(jì)

測(cè)量靶板的材質(zhì)使用市面上常見(jiàn)的有機(jī)塑料板制作，板材厚度2mm，白色，透光微透明。該有機(jī)塑料板具有優(yōu)良的韌性和尺寸穩(wěn)定性，絕緣性能可靠、耐熱性能好，耐酸堿、抗化學(xué)腐蝕，極易加工，并且無(wú)毒環(huán)保、經(jīng)久耐用?？稍谄渖厦尜N覆一層標(biāo)準(zhǔn)距離方格的塑料，用于測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定。

(3)、測(cè)量硬件的設(shè)計(jì)

測(cè)量硬件使用Raspberry Pi卡片式電腦B型Rev1，它的體積僅有信用卡般大小，具有視頻、網(wǎng)絡(luò)、IO等功能，硬件框圖如圖13所示。

如圖14所示，在Raspberry Pi平臺(tái)進(jìn)行每一次測(cè)量所運(yùn)行的時(shí)間約為5秒，表明測(cè)量頻率可達(dá)到0.2Hz，在實(shí)際的基坑、隧道等表面位移的測(cè)量中，由于表面位移變化的非常緩慢，該測(cè)量頻率完全滿(mǎn)足測(cè)量要求。

以下將結(jié)合附圖15-17對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述：

流程如圖15所示，首先要制作出測(cè)量盒和靶板，然后在Raspberry Pi上燒錄好編寫(xiě)的測(cè)量程序，確定好攝像頭與靶板的距離，搭建好測(cè)量平臺(tái)，接著拍攝初始照片，做透視變換求解標(biāo)定因子，確定像素距離與實(shí)驗(yàn)距離的關(guān)系，最后進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，得到實(shí)際的測(cè)量精度。

以下將通過(guò)具體的算例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案中激光像素點(diǎn)的坐標(biāo)提取實(shí)現(xiàn)過(guò)程予以說(shuō)明。

測(cè)量盒安裝完畢后，即可進(jìn)行透視變換標(biāo)定，解算出變換因子，確定出像素距離與實(shí)際距離的關(guān)系。任意取一個(gè)正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，最終解算出透視變換因子為：

a＝0.96142384

b＝0.00401253

c＝168.45083955

d＝-0.01557080

e＝0.98860270

f＝-149.21030551

g＝-0.00001872

h＝0.00000839

同時(shí)得出每相鄰兩像素間的實(shí)際距離為0.04755435mm

將這些參數(shù)和測(cè)量程序?qū)霚y(cè)量硬件中，即完成了測(cè)量硬件軟件的準(zhǔn)備工作。

在該激光表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝過(guò)程中，對(duì)安裝條件有以下限定：

激光與測(cè)量盒間距離不宜超過(guò)10米，距離太遠(yuǎn)則難以將激光器光點(diǎn)調(diào)整至靶板上，激光出現(xiàn)些微扭動(dòng)光點(diǎn)即飛出靶板。

測(cè)量盒需要保持靜止，靶板面平行于位移表面，激光器光線(xiàn)同時(shí)垂直與位移表面和靶板表面。

激光器安裝在精密位移平臺(tái)上，能夠隨著位移臺(tái)進(jìn)行三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于本自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，只需要進(jìn)行在垂直于水平面的表面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)即可，位移平臺(tái)位移精密為1μm。當(dāng)關(guān)閉激光器時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)拍攝一張照片，然后會(huì)控制激光器打開(kāi)，然后測(cè)量系統(tǒng)會(huì)將兩幅圖片進(jìn)行灰度處理，二值化處理，進(jìn)行相減后再截取最亮點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行腐蝕處理，直至不能腐蝕。最后剩余亮點(diǎn)的平均坐標(biāo)即認(rèn)為是激光器成靶板上的像素坐標(biāo)。

在測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試中，保持激光器位置不變，連續(xù)做了1000次的測(cè)量，得到的結(jié)果如圖16所示，在圖16(a)可以看出激素亮點(diǎn)集中在6個(gè)像素點(diǎn)的正方形之內(nèi)。取這點(diǎn)像素點(diǎn)的平均值為中心，各個(gè)測(cè)量結(jié)果距離這個(gè)中心點(diǎn)的像素距離分布概率如圖16(b)所示，能夠看出像素各個(gè)像素點(diǎn)與中心的距離小于3個(gè)像素的概率為99.8％，小于4個(gè)像素的概率為100％，即可以認(rèn)為此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的位移測(cè)量精度為4個(gè)像素點(diǎn)，結(jié)合標(biāo)定結(jié)果中相鄰兩像素間的實(shí)際距離，可以得出該自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度為4×0.04755435<0.2mm。

在實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，控制位移平臺(tái)進(jìn)行一個(gè)正方形路徑移動(dòng)，每次位移1mm，最終測(cè)量結(jié)果如圖17所示。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。